復雜環境石方開挖精準控制安全爆破施工工法

張海英 王京華 李 朝

(1.廈門安能建設有限公司,福建 廈門 361004;2.中能(廈門)建設有限公司,福建 廈門 361004;3.福建巨鑄集團有限公司,福建 廈門 361009)

在工程建設過程中,在建工程毗鄰建筑物是常見現象,建筑施工區周邊100m范圍內出現受保護構筑物的情況也時有發生,這種復雜環境[1]的石方爆破開挖存在著以下主要施工難題:?在爆破安全與施工進度之間找到平衡點難度大,復雜環境爆破安全要求低振動速度,小裝藥量往往導致施工進度無法滿足業主要求,安全與進度之間存在著矛盾;?既降低爆渣大塊率又降低單位藥耗,難度大;?開放性的爆破環境安全警戒難度大。本工法研發了高精度控制爆破技術、氣體間隔分段裝藥技術和無人機輔助警戒技術,成功地實現了低振動速度、小塊徑爆渣、安全警戒的爆破作業,并形成了“復雜環境石方開挖間隔裝藥精準控制爆破施工工法”,該工法成功應用于寧德鋰電車里灣片區防洪防潮工程(排洪渠)等工程,取得了對毗鄰建筑物影響小、施工速度快、操作安全的良好效果,其關鍵技術達到國內領先水平。

1 工法特點

a.采用高精度控制數碼雷管逐孔起爆技術,精準控制炮孔內炸藥起爆時間,有效降低質點振動幅度,爆破振動監測證明,減振率最高可達50%,可更有效地保護周邊建筑物和構筑物安全。

b.采用精準控制安全爆破網絡,確保了爆破操作人員的生命安全,實現了爆破施工的本質安全。

c.采用氣體間隔器分段裝藥,降低或避免了炮孔近區圍巖的過度粉碎,提高炸藥爆破能量的有效利用率,從而降低爆破成本,控制爆破危害。

d.采用無人機進行爆破清場和巡檢,輔助人工進行爆破安全警戒,減少警戒人員投入,縮短警戒清場時間,降低爆破安全風險。

2 適用范圍

本工法適用于施工環境較復雜的水利水電工程、市政公用工程及公路工程中復雜環境露天石方爆破開挖施工,其他行業工程復雜環境的露天石方開挖可參考執行。

3 工藝原理

3.1 精準控制安全爆破網絡工藝原理

精準控制安全爆破網絡分爆破控制中心、區域控制器、精準控制數碼雷管三級進行爆破設計,三級控制網絡見圖1。

圖1 精準控制安全爆破工藝原理示意圖

爆破控制中心是整個爆破作業的樞紐,最多可以控制128個區域控制器,每個區域控制器最多可以控制8個精準控制數碼雷管;爆破控制中心、區域控制器、精準控制數碼雷管之間的信息和指令傳遞都是雙向的,爆破控制中心確定的爆破設計方案分解給各個區域控制器,指令各區域控制器完成方案中規定的爆破作業;區域控制器根據爆破中心的指令,接收各精控雷管的信息,發出具體的作業指令;精準控制數碼雷管實時向區域控制器發送信息,執行區域控制器的動作指令。

3.2 精準控制數碼雷管原理

精準控制數碼雷管芯片采用現場可編程門陣列(FPGA)產生兩路邏輯門電路(Transistor-Transistor Logic,TTL)信號,分別作為距離選通成像中脈沖激光器的觸發信號和選通門的觸發信號,其中選通門的觸發信號相對于脈沖激光器的觸發信號有一定的延時,利用數字移相后的時鐘信號可使其延時精度小于FPGA全局時鐘周期。這兩路具有一定相對延時的TTL信號在一個FPGA芯片內完成。延時在FPGA輸出的時候已經具有,并不需要再經過其他的器件進行精確延時,即可實時配置精確延時。利用FPGA內部DCM模塊對全局時鐘信號進行相等時間的延時,產生相對相位后移相等的n路時鐘信號,且n可以自由設置,因此等效延時精度A可以自由設置。數碼雷管精準控制原理見圖2。

圖2 數碼雷管精準控制原理

通過編碼器對數碼雷管進行延時設置,延時的精度能夠達到0.1ms以下,從而能夠保證爆破過程中較高的精確度。

3.3 安全爆破工作原理

精準控制數碼雷管中電容不帶電,其電能由區域控制器的儲能裝置提供,精準控制數碼雷管本身不會因為信號波動等各種意外因素導致雷管引爆炸藥[2],能確保雷管的安全。

區域控制器會自動監控所轄各數碼雷管信息,位置裝置負責讀取各雷管的IP位置信息,檢測裝置負責檢測雷管的完整性、線路接頭可靠性等信息,位置裝置和檢測裝置獲取的信息反饋給微處理器,若有位置和雷管的異常信息,將通過指令裝置發布暫停作業指令,確保作業安全。

爆破控制中心設有人臉識別系統,只有通過公安系統備案的爆破人員方可進入系統指揮控制爆破作業,杜絕非授權人員的違章指揮;爆破控制中心根據爆破方案設定整體爆破網絡,對區域劃分、精準控制數碼雷管布置位置、起爆順序、延時時長等各方面進行整體規劃,指揮各區域控制器,再由區域控制器控制精準控制數碼雷管,分級管理提升整體爆破安全性;精準控制數碼雷管有異常時,將向區域控制器反饋,區域控制器再向爆破控制中心傳遞異常信息,爆破作業人員發現異常信息后,指揮操作人員通過更換雷管等方式進行處理,直至排除所有的安全隱患,最后由爆破作業負責人通過爆破控制中心指令使整個爆破網絡按照預定的爆破設計要求進行安全爆破作業。

3.4 分段裝藥破碎巖石更均勻工藝原理

傳統的連續柱狀裝藥存在單耗大、爆轟初壓過高、巖石過度粉碎及孔口巖石大塊率高的缺點,使得炸藥的能量有效利用率低且易產生大塊和根底,帶來爆破振動危害等諸多問題。氣體間隔器分段裝藥,是將深孔中的藥柱分為若干段,將氣體間隔器置于藥柱中間,各段藥柱內分別安裝雷管進行引爆的孔內引爆方式,見圖3。炸藥在空氣間隔器兩端爆炸后所產生的應力峰值相互作用產生一個加強的應力場,使巖石破碎塊度更加均勻。

圖3 氣體間隔器安裝示意圖

4 施工工藝流程及操作要點

4.1 工藝流程

復雜環境石方開挖精準控制安全爆破施工流程見圖4。

4.2 操作要點

4.2.1 爆破方案設計

a.在設計爆破方案前,設計人員深入現場,調查被爆巖體的地質情況和爆破區周邊環境;以寧德鋰電車里灣片區防洪防潮工程為例,調查結果見表1。

b.根據調查的爆破巖體和周邊環境情況,確定采用臺階式自上而下開采、深孔多排數碼電子雷管爆破方案。

c.根據爆破區周邊環境、距離周邊構/建筑物的遠近及被保護構建筑物性質、結構類型、振動控制要求,確定開挖爆破采用以下三種爆破技術方案:?距民房300m以內區域,采用復雜環境深孔臺階爆破技術方案(本工法施工范疇);?距民房300m以外區域,采用一般環境深孔臺階爆破技術方案[3](本工法不予闡述);?最后一層臺階采用光面爆破(本工法不予闡述)。

d.復雜環境深孔臺階精準控制爆破,梯段設計見圖5。本工程采用傾斜或垂直炮孔,傾角α1一般為75°～90°。

H—臺階高度;h—超深;α1—斜孔傾角;W—最小抵抗線;W1—底盤抵抗線;L1—下段裝藥長度;L2—間隔堵塞長度;L3—上段裝藥長度;L4—上部堵塞長度圖5 復雜環境深孔臺階精準控制爆破設計示意圖

e.根據類似工程經驗,孔網參數(孔距a,排距b)設計為4.0m×3.0m,采用梅花形(或等邊三角形)布置,見圖6?？拙W參數根據現場實際情況適當調整,并在爆破說明書中確定。

圖6 標準臺階深孔爆破布孔示意圖

f.根據爆破規程及減弱爆破振動、控制飛石等控制爆破原則,復雜環境深孔臺階控制爆破參數見表2。

表2 復雜環境深孔臺階精準控制爆破參數匯總

g.采用數碼電子雷管,逐孔起爆,可采用Ⅴ形、“一”字形、斜形等起爆順序,斜形爆破網絡見圖7。

圖7 逐孔起爆網絡示意圖(圖中數字代表起爆順序)

h.采用專用起爆器擊發,引爆高精度數碼電子雷管逐孔爆破,通過逐孔起爆時間優化設計,每個起爆時間間隔50ms,高精度數碼雷管延時精度控制在0.2ms以內。

i.結合本工程周邊環境及其實際情況(見表3),綜合考慮爆破安全、爆破質量和爆破經濟效益,根據《爆破安全規程》(GB 6722—2014)[1]規定的爆破振動安全允許標準,爆破最大單段藥量Qmax根據爆破點與被保護建筑物的安全距離Rd確定,按式(1)計算,爆破規模按小于2.5t控制。

表3 爆破區周邊需保護對象安全距離

Rd=Q1/3(K/V)1/a

(1)

式中Qmax——最大一段起爆藥量,kg;

K——與地質、地形條件有關的系數,取K=200;

α——衰減系數,取α=1.50;

V——爆破地震波速度,cm/s;

Rd——爆破地震波安全距離,m。

?距爆破區域西北側60m、156m及240m有民房,根據爆破安全規程規定,一般民用建筑物震動波速控制在2.0～2.5cm/s以內是安全的,本工法爆破震動波速采用2.0cm/s進行單段最大起爆藥的控制,單段藥量按式(1)計算;?距爆破區域東南側297m的某公司水電站,根據爆破安全規程規定,水電站及發電廠中心控制室設備震動波速控制在0.6～0.7cm/s以內是安全的[4],本工程爆破采用0.6cm/s進行單段最大起爆藥的控制,單段最大藥量按式(1)計算;?臨近不同的建(構)筑物進行爆破時,按式(1)核定單段最大藥量,實際實施中,根據被保護對象的不同,及與被保護對象之間的安全距離,有效控制單段最大起爆藥量[5]。

4.2.2 施工準備

a.按規定進行三級安全技術交底,交底內容包括:施工進度計劃;各項安全、技術、質量保證措施;質量標準和驗收規范要求;設計變更和技術核定等。

b.根據爆破施工方案和工期要求配置相應施工機械設備,以滿足施工要求。

c.所有參與施工的爆破人員和測量人員必須持證上崗,儀器均經計量檢定機構檢定合格,并定期送檢。

4.2.3 鉆孔

a.鉆孔施工工藝見圖8。

圖8 鉆孔工藝

b.鉆孔施工要點如下:

?按爆破設計方案選用符合孔徑要求的CM351型高風壓潛孔鉆機進行鉆孔;?由測量人員用經緯儀按照設計要求,給出孔位,標注傾角、孔深;?鉆機操作手首先對鉆具進行檢查,合格后方可開機,開機后要空載預熱一段時間,將鉆機開至設計的爆區,按測量給定的點位進行鉆機定位、鉆孔作業;?在鉆孔及吹孔作業時要注意將巖粉回收,以避免或減少巖粉對環境的污染;?作業完畢后要由專職人員進行驗收,檢查其孔深、傾角、孔位是否符合設計要求;?對不合格的孔位要進行糾正,直至達到合格要求,最后用編織袋裝巖粉封堵孔口。

4.2.4 裝藥、堵塞

a.爆破裝藥前必須按爆破設計的要求在每個孔口處標注該孔孔深,是否有水,裝藥量及裝藥結構,堵塞長度及允許偏差值、段別,以便于裝藥人員作業。

b.根據爆破設計精心組織裝藥作業,爆破工程技術人員根據前端自由面情況和前排抵抗線情況進行前排孔裝藥作業,嚴格控制藥量并且注意避免將藥包布置在軟弱夾層上,防止因局部抵抗線薄弱產生飛石。

c.裝藥前認真核對孔口標識卡,對有疑問或不解的地方應及時向爆破指揮及現場技術人員反映,嚴格按照標識卡要求進行裝藥。普通深孔臺階爆破采用連續裝藥結構;復雜環境深孔臺階爆破采用連續或間隔裝藥結構[6]。裝藥時應慎防裝過量,對于超出允許值部分的炸藥要用高壓風將其吹出。對于中深孔每個炮孔裝兩發數碼電子雷管,分別位于炮孔的中下部和中上部,裝藥時應將每孔雷管段別標識卡放在孔外,以便檢驗。

d.根據巖石的工程地質條件及周邊環境情況,采用分段裝藥結構[7]:將深孔中的藥柱分為若干段,用氣體間隔器隔開,孔口用炮泥或巖粉堵塞(見圖9)。這樣能提高裝藥高度和爆破效果,減少振動和孔口部位大塊率的產生。

圖9 間隔裝藥結構

4.2.5 連接、檢測爆破網絡

復雜環境深孔精準控制爆破采用精準控制數碼電子雷管起爆。起爆網絡采用逐孔毫秒延時形式?？刹捎芒跣?、“一”字形、斜形等起爆順序。

起爆方式:采用專用起爆器擊發,引爆數碼電子雷管。

爆破連線必須由有經驗的爆破員進行,雷管連接必須牢固,爆破網絡見圖10。

網絡連接必須嚴格按自檢、監督和復檢三道程序進行。在連線過程中,由爆破員邊連接邊檢查,同時設專人監督連線工作是否符合爆破設計和技術規范要求。連線完成后,由本次爆破設計指揮或技術員進行復檢,合格后方可進行下道工序作業。對不合格的連線必須嚴格按要求進行糾正,直至合格后方可進行下道工序工作。

4.2.6 安全警戒

a.以書面形式向有關部門、單位、相關作業場所發送“爆破通知書”。

b.警戒范圍。在爆區四周設置爆破警戒點,對警戒區內人員進行暫時清場、撤離,每個警戒點2人,警戒半徑:?復雜環境深孔爆破、露天深孔爆破為200m;?淺孔爆破未形成臺階時為300m。

c.警戒標志。以紅旗為標志,施工時爆區50m范圍內設標志,不準任何無關人員進入爆區。

d.爆破警戒信號。爆破警戒信號分聽覺信號和視覺信號兩種,且同時使用。聽覺信號由手持擴音喇叭和哨聲承載,視覺信號由紅旗承載。

e.清場與巡視。爆破警戒區內人員設備需暫時清場撤離,采用無人機配合安全員進行巡視檢查確認,經確認無誤后方可進行后續爆破信號發送。

f.爆破信號由爆破總指揮統一發布。

g.爆破信號分三次發布。第一次信號為預告信號;此時作業人員、設備均需撤至警戒范圍以外的安全地點;第二次信號為起爆信號,由無人機配合安全員進行巡視檢查,確認作業人員、設備均撤至警戒范圍以外的安全地點后,方可發布起爆信號;第三次信號為解除警戒信號,爆破后經安全員和爆破指揮人員檢查,確認無隱患方可發布解除警戒信號。如發現問題立即加以處理和排除。在處理過程中警戒人員仍要堅守崗位,不得撤離。

4.2.7 起爆

本設計采用專用的高精度數碼電子雷管起爆器引爆整個起爆網絡。爆破作業設立爆破指揮部,由指揮部協調各工序、各隊組之間的作業;指揮部在確認條件成熟的情況下,由爆破總指揮發布起爆命令完成爆破作業。

4.2.8 爆后檢查

a.爆后檢查等待時間。露天深孔爆破,爆后超過5min后檢查人員方可進入爆破作業地點檢查,如不能確認有無盲炮,應經15min后才能進入爆區檢查。

b.檢查手段。采用無人機配合人工進行爆后檢查,在無法確認是否有盲炮或有安全隱患時,先運用無人機進行近距離檢查。

c.爆后檢查內容。爆后檢查的內容有:?確認有無盲炮;?露天爆破爆堆是否穩定,有無危坡、危石;?最敏感、最重要的保護對象是否安全等。

d.處理。檢查人員發現盲炮及其他險情時,及時上報和處理;處理前必須在現場設立危險標志,并采取相應的安全措施,無關人員不得接近。發現殘余爆破器材應收集上繳,集中銷毀。

5 質量控制

5.1 工程質量控制與驗收執行標準

工程質量控制與驗收執行以下標準:

a.《爆破安全規程》(GB 6722—2014)。

b.《民用爆炸物品安全管理條例》(國務院令第466號,國務院令第653號修訂)。

c.《礦山井巷工程施工及驗收規范》(GB J213—90)。

d.《礦山安全標志》(GB 14161—2008)。

e.《金屬非金屬礦山安全規程》(GB 16423—2006)。

5.2 技術要求

a.爆破實施前,技術人員深入現場對爆破周邊環境進行調查[8],對需保護的建筑物(構筑物)在進行定位并在圖中做好標識,對需爆破開挖的巖石級別性能進行復核,為爆破設計提供依據。

b.科學合理地做好爆破設計,爆破技術員要認真計算藥量和微差間隔時間,確定好爆破孔網參數[9],爆破工程師對每一個爆破設計都要認真復核審查簽字,報當地公安部門審批后方可實施。

c.嚴格按照爆破設計參數鉆孔,確?？拙W孔深合格率,做好孔口維護,雨季必須對炮孔進行覆蓋[10],技術員布孔后鉆機操作手必須及時對孔位進行標記,保證孔位清楚。

5.3 允許偏差和檢驗方法

石方爆破過程檢查控制項目允許偏差和檢驗方法見表4。

表4 石方爆破過程檢查控制項目允許偏差和檢驗方法

6 效益分析

6.1 經濟效益

以開挖1500m2高48m的石方邊坡為例,距開挖區60m有需保護的建筑物,爆破開挖炸藥單耗設為0.3kg/m3,爆破規模為小于2.5t。采用本工法施工與采用一般控制爆破工法施工成本對比見表5、表6。

表5 一般控制爆破與本工法施工工程量

表6 本工法較一般控制爆破節約成本情況

從表6中可以看出,采用本工法開挖7.2萬m3石方,可節約施工成本約88.3萬元。

6.2 社會效益

a.本工法采用高精度電子雷管逐孔延時精準爆破,可以有效控制爆破飛石和質點振動幅度,保護爆破區周邊建筑物及居民安全。

b.本工法采用氣體間隔器進行間隔裝藥,使孔內炸藥分布更合理,孔內爆炸壓力沿炮孔軸向分布更均勻,提高炸藥爆破能量的有效利用率,從而降低爆破成本,控制爆破危害。

c.本工法采用高精度電子雷管逐孔爆破和氣體間隔器裝藥,可以提高石方開挖臺階高度和加大爆破孔網間距,開挖速度快,施工工期短,可降低施工成本,工程可提前發揮效益,節約社會資源。

d.本工法采用精準控制數碼雷管、區域控制器、爆破控制中心三級爆破安全網絡,實現了爆破施工的本質安全,確保了爆破操作人員及周邊環境安全。

e.本工法采用無人機輔助人工進行爆破安全警戒,使爆破清場隨時處于可視可控狀態,極大程度上降低了爆破警戒風險,確保了爆破區周邊人民生命安全,促進了社會和諧。

7 應用實例

寧德鋰電車里灣片區防洪防潮工程(排洪渠)位于寧德市蕉城區三都澳內港,排洪渠沿新建104國道外側采用路堤結合方式布置,河道長1.69km,寬35.0～40.0m。爆破開挖區施工環境復雜(見圖11),300m范圍內有村莊民房、高壓線路、水電站等重要民生建筑物,其中羅云宮及一處民房距開挖邊線僅60m,開挖區下方有104國道穿過,開挖期間國道不能斷行。

圖11 寧德鋰電車里灣片區防洪防潮工程爆破現場環境示意圖

為確保施工區周邊民房及水電站等重要建筑物安全和104國道交通通暢,施工單位采用高精度逐孔延時爆破、氣體間隔器分段裝藥以及無人機進行爆破安全巡查等方法進行施工,有效地控制了爆破飛石和質點振動幅度、降低了爆破大塊率,節約工期35天,降低施工成本約620萬元。整個工程石方開挖爆破過程中,周邊民居及水電站等重要建筑物未有任何破損,104國道保通路通行未受影響,整個爆破工程施工,既滿足了工程進度要求,又確保了周邊民居及重要建筑物安全和104國道保通路不斷路的目標。

8 結 論

本工法采用了精準控制爆破技術、分段間隔裝藥技術和無人機輔助警戒技術進行復雜環境石方開挖施工,實現了低振動速度、小塊徑爆渣、安全警戒的爆破作業,與一般控制爆破施工相比,節約施工成本20%～25%,節約工期30%左右,可為類似工程石方爆破施工提供參考和借鑒。