复杂环境石方开挖精准控制安全爆破施工工法

张海英 王京华 李 朝

(1.厦门安能建设有限公司,福建 厦门 361004;2.中能(厦门)建设有限公司,福建 厦门 361004;3.福建巨铸集团有限公司,福建 厦门 361009)

在工程建设过程中,在建工程毗邻建筑物是常见现象,建筑施工区周边100m范围内出现受保护构筑物的情况也时有发生,这种复杂环境[1]的石方爆破开挖存在着以下主要施工难题:ⓐ在爆破安全与施工进度之间找到平衡点难度大,复杂环境爆破安全要求低振动速度,小装药量往往导致施工进度无法满足业主要求,安全与进度之间存在着矛盾;ⓑ既降低爆渣大块率又降低单位药耗,难度大;ⓒ开放性的爆破环境安全警戒难度大。本工法研发了高精度控制爆破技术、气体间隔分段装药技术和无人机辅助警戒技术,成功地实现了低振动速度、小块径爆渣、安全警戒的爆破作业,并形成了“复杂环境石方开挖间隔装药精准控制爆破施工工法”,该工法成功应用于宁德锂电车里湾片区防洪防潮工程(排洪渠)等工程,取得了对毗邻建筑物影响小、施工速度快、操作安全的良好效果,其关键技术达到国内领先水平。

1 工法特点

a.采用高精度控制数码雷管逐孔起爆技术,精准控制炮孔内炸药起爆时间,有效降低质点振动幅度,爆破振动监测证明,减振率最高可达50%,可更有效地保护周边建筑物和构筑物安全。

b.采用精准控制安全爆破网络,确保了爆破操作人员的生命安全,实现了爆破施工的本质安全。

c.采用气体间隔器分段装药,降低或避免了炮孔近区围岩的过度粉碎,提高炸药爆破能量的有效利用率,从而降低爆破成本,控制爆破危害。

d.采用无人机进行爆破清场和巡检,辅助人工进行爆破安全警戒,减少警戒人员投入,缩短警戒清场时间,降低爆破安全风险。

2 适用范围

本工法适用于施工环境较复杂的水利水电工程、市政公用工程及公路工程中复杂环境露天石方爆破开挖施工,其他行业工程复杂环境的露天石方开挖可参考执行。

3 工艺原理

3.1 精准控制安全爆破网络工艺原理

精准控制安全爆破网络分爆破控制中心、区域控制器、精准控制数码雷管三级进行爆破设计,三级控制网络见图1。

图1 精准控制安全爆破工艺原理示意图

爆破控制中心是整个爆破作业的枢纽,最多可以控制128个区域控制器,每个区域控制器最多可以控制8个精准控制数码雷管;爆破控制中心、区域控制器、精准控制数码雷管之间的信息和指令传递都是双向的,爆破控制中心确定的爆破设计方案分解给各个区域控制器,指令各区域控制器完成方案中规定的爆破作业;区域控制器根据爆破中心的指令,接收各精控雷管的信息,发出具体的作业指令;精准控制数码雷管实时向区域控制器发送信息,执行区域控制器的动作指令。

3.2 精准控制数码雷管原理

精准控制数码雷管芯片采用现场可编程门阵列(FPGA)产生两路逻辑门电路(Transistor-Transistor Logic,TTL)信号,分别作为距离选通成像中脉冲激光器的触发信号和选通门的触发信号,其中选通门的触发信号相对于脉冲激光器的触发信号有一定的延时,利用数字移相后的时钟信号可使其延时精度小于FPGA全局时钟周期。这两路具有一定相对延时的TTL信号在一个FPGA芯片内完成。延时在FPGA输出的时候已经具有,并不需要再经过其他的器件进行精确延时,即可实时配置精确延时。利用FPGA内部DCM模块对全局时钟信号进行相等时间的延时,产生相对相位后移相等的n路时钟信号,且n可以自由设置,因此等效延时精度A可以自由设置。数码雷管精准控制原理见图2。

图2 数码雷管精准控制原理

通过编码器对数码雷管进行延时设置,延时的精度能够达到0.1ms以下,从而能够保证爆破过程中较高的精确度。

3.3 安全爆破工作原理

精准控制数码雷管中电容不带电,其电能由区域控制器的储能装置提供,精准控制数码雷管本身不会因为信号波动等各种意外因素导致雷管引爆炸药[2],能确保雷管的安全。

区域控制器会自动监控所辖各数码雷管信息,位置装置负责读取各雷管的IP位置信息,检测装置负责检测雷管的完整性、线路接头可靠性等信息,位置装置和检测装置获取的信息反馈给微处理器,若有位置和雷管的异常信息,将通过指令装置发布暂停作业指令,确保作业安全。

爆破控制中心设有人脸识别系统,只有通过公安系统备案的爆破人员方可进入系统指挥控制爆破作业,杜绝非授权人员的违章指挥;爆破控制中心根据爆破方案设定整体爆破网络,对区域划分、精准控制数码雷管布置位置、起爆顺序、延时时长等各方面进行整体规划,指挥各区域控制器,再由区域控制器控制精准控制数码雷管,分级管理提升整体爆破安全性;精准控制数码雷管有异常时,将向区域控制器反馈,区域控制器再向爆破控制中心传递异常信息,爆破作业人员发现异常信息后,指挥操作人员通过更换雷管等方式进行处理,直至排除所有的安全隐患,最后由爆破作业负责人通过爆破控制中心指令使整个爆破网络按照预定的爆破设计要求进行安全爆破作业。

3.4 分段装药破碎岩石更均匀工艺原理

传统的连续柱状装药存在单耗大、爆轰初压过高、岩石过度粉碎及孔口岩石大块率高的缺点,使得炸药的能量有效利用率低且易产生大块和根底,带来爆破振动危害等诸多问题。气体间隔器分段装药,是将深孔中的药柱分为若干段,将气体间隔器置于药柱中间,各段药柱内分别安装雷管进行引爆的孔内引爆方式,见图3。炸药在空气间隔器两端爆炸后所产生的应力峰值相互作用产生一个加强的应力场,使岩石破碎块度更加均匀。

图3 气体间隔器安装示意图

4 施工工艺流程及操作要点

4.1 工艺流程

复杂环境石方开挖精准控制安全爆破施工流程见图4。

4.2 操作要点

4.2.1 爆破方案设计

a.在设计爆破方案前,设计人员深入现场,调查被爆岩体的地质情况和爆破区周边环境;以宁德锂电车里湾片区防洪防潮工程为例,调查结果见表1。

b.根据调查的爆破岩体和周边环境情况,确定采用台阶式自上而下开采、深孔多排数码电子雷管爆破方案。

c.根据爆破区周边环境、距离周边构/建筑物的远近及被保护构建筑物性质、结构类型、振动控制要求,确定开挖爆破采用以下三种爆破技术方案:ⓐ距民房300m以内区域,采用复杂环境深孔台阶爆破技术方案(本工法施工范畴);ⓑ距民房300m以外区域,采用一般环境深孔台阶爆破技术方案[3](本工法不予阐述);ⓒ最后一层台阶采用光面爆破(本工法不予阐述)。

d.复杂环境深孔台阶精准控制爆破,梯段设计见图5。本工程采用倾斜或垂直炮孔,倾角α1一般为75°～90°。

H—台阶高度;h—超深;α1—斜孔倾角;W—最小抵抗线;W1—底盘抵抗线;L1—下段装药长度;L2—间隔堵塞长度;L3—上段装药长度;L4—上部堵塞长度图5 复杂环境深孔台阶精准控制爆破设计示意图

e.根据类似工程经验,孔网参数(孔距a,排距b)设计为4.0m×3.0m,采用梅花形(或等边三角形)布置,见图6。孔网参数根据现场实际情况适当调整,并在爆破说明书中确定。

图6 标准台阶深孔爆破布孔示意图

f.根据爆破规程及减弱爆破振动、控制飞石等控制爆破原则,复杂环境深孔台阶控制爆破参数见表2。

表2 复杂环境深孔台阶精准控制爆破参数汇总

g.采用数码电子雷管,逐孔起爆,可采用Ⅴ形、“一”字形、斜形等起爆顺序,斜形爆破网络见图7。

图7 逐孔起爆网络示意图(图中数字代表起爆顺序)

h.采用专用起爆器击发,引爆高精度数码电子雷管逐孔爆破,通过逐孔起爆时间优化设计,每个起爆时间间隔50ms,高精度数码雷管延时精度控制在0.2ms以内。

i.结合本工程周边环境及其实际情况(见表3),综合考虑爆破安全、爆破质量和爆破经济效益,根据《爆破安全规程》(GB 6722—2014)[1]规定的爆破振动安全允许标准,爆破最大单段药量Qmax根据爆破点与被保护建筑物的安全距离Rd确定,按式(1)计算,爆破规模按小于2.5t控制。

表3 爆破区周边需保护对象安全距离

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

(1)

式中Qmax——最大一段起爆药量,kg;

K——与地质、地形条件有关的系数,取K=200;

α——衰减系数,取α=1.50;

V——爆破地震波速度,cm/s;

Rd——爆破地震波安全距离,m。

ⓐ距爆破区域西北侧60m、156m及240m有民房,根据爆破安全规程规定,一般民用建筑物震动波速控制在2.0～2.5cm/s以内是安全的,本工法爆破震动波速采用2.0cm/s进行单段最大起爆药的控制,单段药量按式(1)计算;ⓑ距爆破区域东南侧297m的某公司水电站,根据爆破安全规程规定,水电站及发电厂中心控制室设备震动波速控制在0.6～0.7cm/s以内是安全的[4],本工程爆破采用0.6cm/s进行单段最大起爆药的控制,单段最大药量按式(1)计算;ⓒ临近不同的建(构)筑物进行爆破时,按式(1)核定单段最大药量,实际实施中,根据被保护对象的不同,及与被保护对象之间的安全距离,有效控制单段最大起爆药量[5]。

4.2.2 施工准备

a.按规定进行三级安全技术交底,交底内容包括:施工进度计划;各项安全、技术、质量保证措施;质量标准和验收规范要求;设计变更和技术核定等。

b.根据爆破施工方案和工期要求配置相应施工机械设备,以满足施工要求。

c.所有参与施工的爆破人员和测量人员必须持证上岗,仪器均经计量检定机构检定合格,并定期送检。

4.2.3 钻孔

a.钻孔施工工艺见图8。

图8 钻孔工艺

b.钻孔施工要点如下:

ⓐ按爆破设计方案选用符合孔径要求的CM351型高风压潜孔钻机进行钻孔;ⓑ由测量人员用经纬仪按照设计要求,给出孔位,标注倾角、孔深;ⓒ钻机操作手首先对钻具进行检查,合格后方可开机,开机后要空载预热一段时间,将钻机开至设计的爆区,按测量给定的点位进行钻机定位、钻孔作业;ⓓ在钻孔及吹孔作业时要注意将岩粉回收,以避免或减少岩粉对环境的污染;ⓔ作业完毕后要由专职人员进行验收,检查其孔深、倾角、孔位是否符合设计要求;ⓕ对不合格的孔位要进行纠正,直至达到合格要求,最后用编织袋装岩粉封堵孔口。

4.2.4 装药、堵塞

a.爆破装药前必须按爆破设计的要求在每个孔口处标注该孔孔深,是否有水,装药量及装药结构,堵塞长度及允许偏差值、段别,以便于装药人员作业。

b.根据爆破设计精心组织装药作业,爆破工程技术人员根据前端自由面情况和前排抵抗线情况进行前排孔装药作业,严格控制药量并且注意避免将药包布置在软弱夹层上,防止因局部抵抗线薄弱产生飞石。

c.装药前认真核对孔口标识卡,对有疑问或不解的地方应及时向爆破指挥及现场技术人员反映,严格按照标识卡要求进行装药。普通深孔台阶爆破采用连续装药结构;复杂环境深孔台阶爆破采用连续或间隔装药结构[6]。装药时应慎防装过量,对于超出允许值部分的炸药要用高压风将其吹出。对于中深孔每个炮孔装两发数码电子雷管,分别位于炮孔的中下部和中上部,装药时应将每孔雷管段别标识卡放在孔外,以便检验。

d.根据岩石的工程地质条件及周边环境情况,采用分段装药结构[7]:将深孔中的药柱分为若干段,用气体间隔器隔开,孔口用炮泥或岩粉堵塞(见图9)。这样能提高装药高度和爆破效果,减少振动和孔口部位大块率的产生。

图9 间隔装药结构

4.2.5 连接、检测爆破网络

复杂环境深孔精准控制爆破采用精准控制数码电子雷管起爆。起爆网络采用逐孔毫秒延时形式。可采用Ⅴ形、“一”字形、斜形等起爆顺序。

起爆方式:采用专用起爆器击发,引爆数码电子雷管。

爆破连线必须由有经验的爆破员进行,雷管连接必须牢固,爆破网络见图10。

网络连接必须严格按自检、监督和复检三道程序进行。在连线过程中,由爆破员边连接边检查,同时设专人监督连线工作是否符合爆破设计和技术规范要求。连线完成后,由本次爆破设计指挥或技术员进行复检,合格后方可进行下道工序作业。对不合格的连线必须严格按要求进行纠正,直至合格后方可进行下道工序工作。

4.2.6 安全警戒

a.以书面形式向有关部门、单位、相关作业场所发送“爆破通知书”。

b.警戒范围。在爆区四周设置爆破警戒点,对警戒区内人员进行暂时清场、撤离,每个警戒点2人,警戒半径:ⓐ复杂环境深孔爆破、露天深孔爆破为200m;ⓑ浅孔爆破未形成台阶时为300m。

c.警戒标志。以红旗为标志,施工时爆区50m范围内设标志,不准任何无关人员进入爆区。

d.爆破警戒信号。爆破警戒信号分听觉信号和视觉信号两种,且同时使用。听觉信号由手持扩音喇叭和哨声承载,视觉信号由红旗承载。

e.清场与巡视。爆破警戒区内人员设备需暂时清场撤离,采用无人机配合安全员进行巡视检查确认,经确认无误后方可进行后续爆破信号发送。

f.爆破信号由爆破总指挥统一发布。

g.爆破信号分三次发布。第一次信号为预告信号;此时作业人员、设备均需撤至警戒范围以外的安全地点;第二次信号为起爆信号,由无人机配合安全员进行巡视检查,确认作业人员、设备均撤至警戒范围以外的安全地点后,方可发布起爆信号;第三次信号为解除警戒信号,爆破后经安全员和爆破指挥人员检查,确认无隐患方可发布解除警戒信号。如发现问题立即加以处理和排除。在处理过程中警戒人员仍要坚守岗位,不得撤离。

4.2.7 起爆

本设计采用专用的高精度数码电子雷管起爆器引爆整个起爆网络。爆破作业设立爆破指挥部,由指挥部协调各工序、各队组之间的作业;指挥部在确认条件成熟的情况下,由爆破总指挥发布起爆命令完成爆破作业。

4.2.8 爆后检查

a.爆后检查等待时间。露天深孔爆破,爆后超过5min后检查人员方可进入爆破作业地点检查,如不能确认有无盲炮,应经15min后才能进入爆区检查。

b.检查手段。采用无人机配合人工进行爆后检查,在无法确认是否有盲炮或有安全隐患时,先运用无人机进行近距离检查。

c.爆后检查内容。爆后检查的内容有:ⓐ确认有无盲炮;ⓑ露天爆破爆堆是否稳定,有无危坡、危石;ⓒ最敏感、最重要的保护对象是否安全等。

d.处理。检查人员发现盲炮及其他险情时,及时上报和处理;处理前必须在现场设立危险标志,并采取相应的安全措施,无关人员不得接近。发现残余爆破器材应收集上缴,集中销毁。

5 质量控制

5.1 工程质量控制与验收执行标准

工程质量控制与验收执行以下标准:

a.《爆破安全规程》(GB 6722—2014)。

b.《民用爆炸物品安全管理条例》(国务院令第466号,国务院令第653号修订)。

c.《矿山井巷工程施工及验收规范》(GB J213—90)。

d.《矿山安全标志》(GB 14161—2008)。

e.《金属非金属矿山安全规程》(GB 16423—2006)。

5.2 技术要求

a.爆破实施前,技术人员深入现场对爆破周边环境进行调查[8],对需保护的建筑物(构筑物)在进行定位并在图中做好标识,对需爆破开挖的岩石级别性能进行复核,为爆破设计提供依据。

b.科学合理地做好爆破设计,爆破技术员要认真计算药量和微差间隔时间,确定好爆破孔网参数[9],爆破工程师对每一个爆破设计都要认真复核审查签字,报当地公安部门审批后方可实施。

c.严格按照爆破设计参数钻孔,确保孔网孔深合格率,做好孔口维护,雨季必须对炮孔进行覆盖[10],技术员布孔后钻机操作手必须及时对孔位进行标记,保证孔位清楚。

5.3 允许偏差和检验方法

石方爆破过程检查控制项目允许偏差和检验方法见表4。

表4 石方爆破过程检查控制项目允许偏差和检验方法

6 效益分析

6.1 经济效益

以开挖1500m2高48m的石方边坡为例,距开挖区60m有需保护的建筑物,爆破开挖炸药单耗设为0.3kg/m3,爆破规模为小于2.5t。采用本工法施工与采用一般控制爆破工法施工成本对比见表5、表6。

表5 一般控制爆破与本工法施工工程量

表6 本工法较一般控制爆破节约成本情况

从表6中可以看出,采用本工法开挖7.2万m3石方,可节约施工成本约88.3万元。

6.2 社会效益

a.本工法采用高精度电子雷管逐孔延时精准爆破,可以有效控制爆破飞石和质点振动幅度,保护爆破区周边建筑物及居民安全。

b.本工法采用气体间隔器进行间隔装药,使孔内炸药分布更合理,孔内爆炸压力沿炮孔轴向分布更均匀,提高炸药爆破能量的有效利用率,从而降低爆破成本,控制爆破危害。

c.本工法采用高精度电子雷管逐孔爆破和气体间隔器装药,可以提高石方开挖台阶高度和加大爆破孔网间距,开挖速度快,施工工期短,可降低施工成本,工程可提前发挥效益,节约社会资源。

d.本工法采用精准控制数码雷管、区域控制器、爆破控制中心三级爆破安全网络,实现了爆破施工的本质安全,确保了爆破操作人员及周边环境安全。

e.本工法采用无人机辅助人工进行爆破安全警戒,使爆破清场随时处于可视可控状态,极大程度上降低了爆破警戒风险,确保了爆破区周边人民生命安全,促进了社会和谐。

7 应用实例

宁德锂电车里湾片区防洪防潮工程(排洪渠)位于宁德市蕉城区三都澳内港,排洪渠沿新建104国道外侧采用路堤结合方式布置,河道长1.69km,宽35.0～40.0m。爆破开挖区施工环境复杂(见图11),300m范围内有村庄民房、高压线路、水电站等重要民生建筑物,其中罗云宫及一处民房距开挖边线仅60m,开挖区下方有104国道穿过,开挖期间国道不能断行。

图11 宁德锂电车里湾片区防洪防潮工程爆破现场环境示意图

为确保施工区周边民房及水电站等重要建筑物安全和104国道交通通畅,施工单位采用高精度逐孔延时爆破、气体间隔器分段装药以及无人机进行爆破安全巡查等方法进行施工,有效地控制了爆破飞石和质点振动幅度、降低了爆破大块率,节约工期35天,降低施工成本约620万元。整个工程石方开挖爆破过程中,周边民居及水电站等重要建筑物未有任何破损,104国道保通路通行未受影响,整个爆破工程施工,既满足了工程进度要求,又确保了周边民居及重要建筑物安全和104国道保通路不断路的目标。

8 结 论

本工法采用了精准控制爆破技术、分段间隔装药技术和无人机辅助警戒技术进行复杂环境石方开挖施工,实现了低振动速度、小块径爆渣、安全警戒的爆破作业,与一般控制爆破施工相比,节约施工成本20%～25%,节约工期30%左右,可为类似工程石方爆破施工提供参考和借鉴。