岩塞爆破设计优化方案

（1）炸药单耗和爆破作用指数。

1）单位耗药量计算。影响岩石单位耗药量的因素较多，主要包括：地质条件、岩石强度、容重、岩性及爆破方法等。工程中选择单位耗药量常用的经验方法有下面几种。

根据岩石的容重按经验式（5-8）计算：

式中　K——单位耗药量，kg/m3；

　　　γ——岩石容重，kg/m3。

根据岩石级别参照经验式（5-9）计算：

式中　N——岩石级别（按16级分级）。

也可在类似的岩体中进行标准抛掷爆破漏斗试验确定。

根据岩石抗压强度，确定岩石级别的单位耗药量K值（见表5-5）。

表5-5　单位耗药量K值　单位：kg/m3

2）爆破作用指数n。爆破作用指数是爆破设计的主要参数之一，它不仅关系到爆破范围的大小、抛掷方量的多少，而且对抛掷距离的远近以及爆破漏斗的可见深度等都有影响。水下岩塞爆破在特殊条件下，对于中部集中药包n值的选择，可以按岩塞地表坡度和进口地表开口尺寸的要求而确定；而下部只要满足加强松动爆破，即n＞0.75即可；对于周边扩大集中药包，主要应根据药包的作用性质按n=0.75～1.0来选择。

3）计算修正。为了克服岩塞爆破的水压及淤泥荷载影响，顺利爆通岩塞，应修正炸药单耗和爆破作用指数。

炸药单耗和爆破作用指数可采用以下经验公式进行修正计算。

水利系统常按式（5-10）计算修正：

式中　q水——水下爆破的炸药单耗，kg/m3；

　　　q陆——相同介质的陆地爆破炸药单耗，kg/m3；

　　　H水——水深，m；

　　　H介质——岩塞上方覆盖层厚度，m；

　　　H台阶——钻孔爆破的台阶高度，m。

瑞典的单耗修正按式（5-11）计算，计算式和国内水利系统使用公式相近。

式中　q1——基本装药量，一般是陆地台阶爆破的2倍；对水下爆破，再增加10%；

　　　q2——爆区上方水压增加量，q2=0.01h2，h2为水深；

　　　q3——爆区上方覆盖层增量，q3=0.02h3，h3为覆盖层厚度；

　　　q4——岩石膨胀增量，q4=0.02h4，h4为台阶高度。

爆破作用指数单耗修正法按式（5-12）～式（5-14）计算：

式中　W——最小抵抗线长度，m；

　　　H水——水深，m；

　　　H淤——覆盖层厚度，m；

　　　q——陆地岩石单位炸药消耗量，kg/m3；

　　　f（n水）——爆破作用指数函数。

为克服水及淤泥荷载影响，可通过上述各公式计算，并经过综合分析比较，选用修正爆破作用指数法进行药量计算。

镜泊湖岩塞爆破的炸药单耗q值，按表5-6所示进行了多种方法的计算比较，确定选用2号岩石炸药，单耗1.8kg/m3。

表5-6　镜泊湖岩塞爆破炸药单耗选择表

国内几个水下岩塞爆破工程的设计单位耗药量、炸药总量、爆破方量及实际单位耗药量，其指标情况见表5-7。

表5-7　部分岩塞爆破工程耗药量指标情况表

（2）洞室岩塞爆破参数。

1）洞室药包布置方式。在岩塞爆破中，岩塞直径和厚度大于8.0m时，可考虑采用两层或者三层药室的小型洞室爆破方案。由于小型药室施工特别困难，岩塞在中等直径、厚度较小时，可用单层药室。洞室药包布置见图5-2。洞室爆破时，除集中药包外，为保证岩塞成型良好，减少爆破对围岩振动破坏，需在岩塞体周边进行预裂爆破。

图5-2　洞室药包布置示意图

2）洞室爆破药量计算。根据选择的药包布置形式，逐个计算药包的用药量，药包药量可按式（5-15）计算：

式中　Q——标准炸药用量，kg；

　　　k——标准抛掷爆破单位耗药量，kg/m3；

　　　W——最小抵抗线长度，m；

　　　f（n）——爆破作用指数函数，f（n）=0.4+0.6n3；

　　　n——爆破作用指数。

对上部药包n值，应考虑水压影响、岩塞的地形条件和爆破漏斗开口尺寸要求等选取，n值一般取1.5～1.8；对下部药包，只需满足岩塞底部开口尺寸，n值一般取0.75～0.85；周边药包可根据不同作用性质，n值取0.85～1.0。

用式（5-15）计算出的药量没有考虑水荷载影响，有些工程将上部药包的炸药量再增加20%～30%，以考虑水荷载对爆破的影响。

3）爆破压缩圈半径R1按式（5-16）计算：

式中　R1——爆破压缩圈半径，m；

　　　Q——炸药用量，t；

　　　Δ——炸药密度，t/m3；袋装铵梯炸药为0.80，袋装散装炸药为0.85，散装炸药为0.90；

　　　μ——压缩系数，可参照表5-8取值。

表5-8　压缩系数μ值表

4）斜坡地形爆破漏斗的上、下破裂半径R′、R，分别按式（5-17）与式（5-18）计算：

上破裂半径R′（m）：

下破裂半径R（m）：

式中　W——最小抵抗线长度，m；

　　　β——根据地形坡度和土岩性质而定的破坏系数，可按表5-9选择。

表5-9　破坏系数β值表

5）药包间距。岩塞爆破的药包间距常以间距系数表示。在水下岩塞爆破时，为确保爆通和考虑下部岩石的夹制作用，在药包间采用较小的间距系数，药包间距a（m）可按式（5-19）计算：

式中　a——药包间距，m；

　　　Wcp——相邻药包的平均最小抵抗线长度，m；

　　　f（ncp）——相邻药包的平均爆破指数函数。(www.xing528.com)

6）中部集中药包位置。中部集中药包以上的自由面有水覆盖，以下为已经开挖的临空面，而在这两个方向上的岩石强度、节理裂隙及地质构造等都存在着明显的差别，要准确计算其位置较困难。以药包上下两个最小抵抗及爆破参数分别计算药量，并使之平衡为原则，计算两个抵抗线的比值并以此来近似地确定其中部药包位置。中部药包按式（5-20）计算：

式中　W1、W2——药包上、下最小抵抗线长度，m；

　　　n1、n2——药包上、下的爆破作用指数；

　　　f（n1）、f（n2）——药包上、下的爆破指数函数；

　　　K1、K2——药包上、下的岩石单位耗药量，kg/m3。

施工中应根据工程的具体条件确定W2/W1，可在1.1～1.3范围内选取。

7）预留保护层厚度ρ。岩塞爆破时为了减小集中药包对岩塞周边围岩的破坏影响，应在岩塞周边采用预裂措施，药包与岩塞预裂边线间留有一定的保护层厚度，此厚度可按式（5-21）计算：

式中　ρ——保护层厚度，m；

　　　R1——药包压缩圈半径，m

　　　B——药室宽度，m。

8）岩塞爆破总药量。洞室岩塞爆破的总药量可按式（5-22）计算：

式中　Q——岩塞爆破总药量，kg；

　　　∑Qi——各集中药包总药量，kg；

　　　Qr——预裂爆破用药量，kg。

（3）排孔岩塞爆破参数。在岩塞直径为2～6m的小断面岩塞爆破中，由于受到断面的限制，难以在岩塞中开挖药室。因此，以大孔径柱状排孔掏槽药包代替中部集中药包。为了使排孔起到集中药包的作用，常采用药包的直径和长度的比值为1∶6左右的短粗柱状药包，以获得与集中药包相同的爆破效果。由于钻孔直径有限，所以只能采用多个大孔径群孔药包来替代揭顶掏槽药包，群孔揭顶掏槽药包可用洞室爆破的公式进行计算。排孔岩塞爆破炮孔布置见图5-3，主要有揭顶掏槽孔、扩大孔（岩塞直径较大时布置内外二圈）、周边预裂孔等爆破孔，以及中心空孔等。

为了使岩塞体充分破碎，避免爆破时产生过多的大块径岩石，应控制排孔爆破系数η，η系主爆孔总孔深与岩塞体体积之比，宜取0.5～0.65，需布置足够的钻孔才能确保排孔岩塞爆破的质和量。

图5-3　排孔岩塞爆破炮孔布置示意图（单位：cm）

L—炮孔长度；T—堵塞长度；1～78—编号

1）揭顶掏槽药包计算。排孔揭顶掏槽药包的药量可按式（5-15）计算；爆破漏斗上、下破裂半径R′、R，按式（5-17）与式（5-18）计算。

排孔深度：排孔深度取决于岩塞体的厚度、排孔直径与地质条件，孔底距岩面要留一定厚度，确保造孔时不产生涌水，保证爆破后不留岩埂。部分工程排孔爆破岩塞孔孔径及孔底距岩面距离见表5-10。

表5-10　部分工程排孔爆破岩塞孔孔径及孔底距岩面距离表

2）扩大钻孔药包计算。每个扩大排孔药量可按式（5-23）计算：

上三式中　q孔——每孔装药量，kg；

　　　　　K——炸药单耗，kg/m3；

　　　　　W——扩大孔最小抵抗线长度，m，第一排W取最大值，第二、第三排W取平均值；

　　　　　a——钻孔间距，m；

　　　　　l——每孔装药长度，m，可根据岩塞下部漏斗深度决定；

　　　　　L——钻孔深度，m。

根据计算出的单孔药量，计算药包直径，每米装药量和药包直径关系，按式（5-26）计算。

式中　q′——装药量，kg/m；

　　　d——药包直径，m；

　　　Δ——装药密度，kg/m3。

由不同药包直径、装药密度按式（5-27）计算出炮孔装药量见表5-11。此表也可作为选择钻孔直径时的参考。

表5-11　炮孔装药量（q′）表　单位：kg/m

3）周边预裂爆破。岩塞爆破的预裂孔直径应经比较而选定，小直径的预裂孔，孔距较密爆破成型效果较好；大直径的预裂孔，预裂缝较宽，减震效果较好。岩塞爆破中根据岩塞直径选择预裂孔，一般常用预裂孔为φ40～60mm，也有采用φ70mm的预裂孔。预裂孔线装药量为270～300g/m，不偶合系数为2～5。孔距选用30～45cm，孔距与孔径之比为8～11。预裂孔直径小，钻孔孔底到岩塞体表面的距离可以小一些，孔深应比主爆孔超前，加深0.3～0.5m。

预裂孔的药量计算：有关预裂孔的药量计算公式较多，均有一定的局限性。可参照本书预裂爆破装药量计算选择，也可参考《水工建筑物地下工程开挖施工技术规范》（DL/T5099—2011）中的预裂孔线装药密度按式（5-27）进行估算：

式中　ΔL——线装药密度，kg/m；

　　　R——岩石极限抗压强度，MPa；

　　　a——预裂孔孔距，m。

预裂孔爆破参数见表5-12。

表5-12　预裂孔爆破参数表

预裂孔装药结构：为了防止预裂孔表面岩体形成爆破漏斗，在预裂孔的孔口留一段不装药段，不装药段长度可取预裂孔深的1/10作为堵塞段。在不装药段的下部一定孔深作为减弱装药段，其线装药密度可减少。中部为正常装药段，孔底约1～1.5m处的线装药密度应比孔中间的线装药密度增加1～5倍。当预裂孔为向上倾斜孔时，为保证装药质量，加快装药速度，可以采用PVC塑料管连同炸药、导爆索、雷管一起加工好装在管内，并采取防水措施后，到现场按孔位编号将加工好的药管装入孔内。

（4）洞室与排孔爆破参数。采用洞室集中药包及排孔爆破相结合的方案时，集中药包的作用是将岩塞上部爆通，形成较完整的爆破漏斗，然后，采用扩大排孔将集中药包爆通后的岩塞周边剩余部分岩体爆除。其中洞室设计及药室计算可参考洞室岩塞爆破相关要求及公式确定。扩大排孔每孔装药量按式（5-23）计算。岩塞集中药包（药室）与排孔爆破见图5-4。扩大孔的钻孔直径可参考表5-10确定。

（5）起爆时间间隔的选择。岩塞爆破距水工建筑物较近，特别是大坝和洞内混凝土衬砌结构，以及闸门等结构，紧挨着岩塞附近。为减轻爆破振动影响，设计中要注意药包布置，合理选择爆破参数，以尽量减少炸药用量。应采用毫秒延时爆破技术，以减少单段起爆药量，削弱岩塞爆破时的地震强度。合理的时间间隔不仅可以起减振作用，还可以提高炸药的能量利用率，有效地破碎岩石。

1）理论间隔时间计算。按流体力学爆破理论，推导的形成爆破漏斗，在破裂线R方向的时间可按式（5-28）近似计算：

图5-4　岩塞洞室集中药包与排孔爆破图

式中　t1——形成爆破漏斗的时间，s；

　　　W——最小抵抗线长度，m；

　　　n——爆破作用指数。

在W抵抗线方向的时间可按式（5-29）近似计算：

式中　t——在抵抗方向岩石开始移动的时间，s。

2）按经验式（5-30）估算：

式中　t——间隔时间，ms；

　　　k——抵抗线移动所需要的时间，ms/m，坚硬岩石k=3，松散岩石k=6；

　　　W——抵抗线长度，m。

按以上各公式计算后，结合毫秒雷管规格，可选择较合理的毫秒时间间隔。如丰满水电站岩塞爆破，爆源与重点建筑物的距离S=280m，最小抵抗线W=8.1m，按式（5-29）和式（5-30）计算的时间分别为30.0ms和24.3ms，其时间间隔选为25.0ms。

（6）岩塞体前淤泥层处理。

1）淤泥孔布置。在岩塞爆破时为确保一次成功爆通，爆破时应对岩塞体前的淤泥覆盖层采取扰动措施，可利用地质钻机在淤泥层中钻爆破孔，爆破孔应在岩塞体进水口轴线上方和左、右两侧布置。应根据淤泥厚度、扰动范围和淤泥性质布置钻孔，钻孔直径宜为100～120mm，钻孔间距宜为1.5～2.0m，排距宜为1.0～1.5m，梅花形布孔，孔内间隔装药，分段起爆淤泥爆破孔线装药密度可约为5kg/m。

2）淤泥爆破装药量计算。淤泥爆破线装药量采用爆破成井控制爆破，按式（5-31）计算：

式中　Qt——线装药密度，kg/m；

　　　b——介质压缩系数，当采用2号岩石炸药时，取b=1.3～3.7，并结合现场试验确定，当淤积物为黄土类砂黏土、湿土时b=1.5；

　　　D——爆扩成井的井直径，m；扩井的井直径D在计算时可初选一个值代入计算式中，进行计算比较。

3）淤泥孔装药与起爆方式。在深水厚淤泥岩塞爆破中，淤泥扰动爆破成为关键的问题之一，应引起足够的重视。如刘家峡水电站对深达27m的淤泥进行的扰动爆破，共布置了12个孔。淤泥装药爆破时，可采用水封堵。当岩塞爆破时，淤泥扰动炮孔应与岩塞在同一时段爆破，使岩塞口附近淤泥被扰动，当岩塞爆通后，被扰动后的淤泥在水力冲刷下，随着涌水将淤积泥沙排走。厚淤泥爆破为使爆破达到扰动效果，也可采用间隔装药，每段中间用1.0m的砂进行隔离，最下段药包和岩塞一起爆，上部药包滞后10～15ms起爆，以起到扰动中部、上部淤泥作用，使排淤效果更佳。