液化石油气储库特大断面光面爆破设计.pdf

第 32 卷 第 1 期 2015 年 3 月 爆 破 BLASTING Vol. 32 No. 1  Mar. 2015 doi 10. 3963/ j. issn. 1001 -487X. 2015. 01. 017 液化石油气储库特大断面光面爆破设计 袁 青 a， b， 吴 立a， b， 陆中玏a， b， 李 波a， b （a. 中国地质大学 （武汉）岩土钻掘与防护教育部工程研究中心； b. 工程学院， 武汉 430074） 摘 要 以某液化石油气储库特大断面地下洞室为研究对象， 对单位炸药消耗量、 炮眼间距、 最小抵抗线等 7 个主要钻爆参数进行了综合选取， 确定了分层开挖光面爆破起爆网路与参数。采用 TC-4850 爆破测振仪， 对爆破地震波作用下洞室围岩质点振动速度及振动主频率进行了监测。依据监测结果， 对爆破参数进行了 调整 各分层单位炸药消耗量均增加 5％， 最小抵抗线取 50 cm， 各分层起爆网路均增加 2 个起爆段别。现场 爆破开挖洞形光滑平整， 半炮眼痕迹达到 90％以上， 最大欠挖量小于 10 cm， 洞室围岩质点爆破振动速度未 超过安全允许值， 取得了良好的光面爆破效果。 关键词 光面爆破；爆破振动监测；特大断面；液化石油气储库；振动主频率 中图分类号 TD235. 3 文献标识码 A 文章编号 1001 -487X （2015） 01 -0081 -06 Smooth Blasting Design of Super Large Section in Liquefied Petroleum Gas Storage Cavern YUAN Qinga， b， WU Lia， b， LU Zhong-lea， b， LI Boa， b （a. Engineering Research Center of Rock-Soil Drilling Excavation and Protection， Ministry of Education； b. Faculty of Engineering， China University of Geosciences （Wuhan） ， Wuhan 430074， China） Abstract Based on underground cavern with super large section about liquefied petroleum gas storage cavern in Yantai， seven main blasting parameters were comprehensively selected such as the powder factor， blasthole spacing and minimum burden. The blasting parameters and firing circuit of smooth blasting with excavation were determined. With blasting monitor meter TC-4850， the vibration velocity and main vibration frequency of particles of surrounding rock under the action of blasting seismic wave were monitored. According to the monitoring results， the blasting pa- rameters were adjusted. The powder factors in each layer was improved 5％， the minimum burden was reduced to 50cm and the explosive delay interval was promoted two delays. In the field test， the blasting excavation shape was flat and smooth， with half-hole rate above 90％， the maximum under-excavated value less than 10cm， and the vibra- tion velocity of particle less than the safety value. Good smooth blasting effects were achieved. Key words smooth blasting；blasting vibration monitoring；super large section；liquefied petroleum gas storage cavern；main vibration frequency 收稿日期 2014 -12 -12 作者简介 袁 青 （1991 - ） ， 男， 博士研究生， 主要从事隧道工程和 岩土工程研究工作，（E-mail） yuanqcug gmail. com。 通讯作者 吴 立 （1963 - ） ， 男， 教授， 博士生导师， 从事工程爆破和 地下建筑工程理论技术研究，（E-mail） lwu cug. edu. cn。 大型地下储库作为一种充分利用地下立体资源且安全性可控的有效途径， 逐渐发展成为石油化工 产业的重大、 控制性工程。其特点包括大跨度、 高边 墙、 小间距、 洞室纵横交错、 断面形式各异和地质条 件复杂等。目前针对此类工程的施工主要采用光面 爆破技术， 其爆破效果受到岩体性质、 断面尺寸、 施 工工序、 爆破参数等诸多因素的影响， 极易造成洞室 围岩的动力损伤， 使得围岩力学性质出现劣化， 超、 欠挖大， 光面爆破效果欠佳， 对洞室稳定性产生不利 影响。以某地下水封石洞液化石油气储库地下洞室 爆破工程为例， 通过现场爆破试验， 合理设计了洞室 光面爆破方案， 同时采用 TC-4850 爆破测振仪对爆 破地震波作用下洞室围岩振动进行了监测， 修正了 爆破参数， 优化了光面爆破设计， 保证了施工中洞室 围岩的稳定性。 1 工程概况 某地下水封石洞液化石油气储库洞室断面面积 为470. 7 m2， 断面形状为 “马蹄形” ， 洞跨22. 1 m， 洞 高 25. 8 m， 属于特大断面， 见图 1。勘察资料表明， 储库所处地质条件较好， 围岩以微风化黑云母二长 花岗岩为主， 同时含有少量煌斑岩和花岗斑岩； 其普 式硬度系数 f 9 13， 为坚硬岩石， 岩石密度为 2700 kg/ m3； 围岩整体性较好， 节理面局部较发育， 以陡倾角为主； 根据岩体质量分级成果， 主要为Ⅱ、 Ⅲ级围岩。 图 1 洞室断面开挖示意 （单位 cm） Fig. 1 The excavation of cavern section（unit cm） 2 光面爆破设计 2. 1 洞室开挖方案 为了减小爆破振动对洞室围岩、 地面建 （构） 筑 物的影响以及缩短施工循环时间， 洞室分顶层、 第一 层台阶、 第二层台阶、 第三层台阶共四台阶五步爆破 开挖施工 （顶层包含中导洞） ， 各台阶开挖高度分别为 7. 8 m、 6 m、 6 m 和6 m， 见图1。采用三臂液压凿岩台 车钻孔， 平台作业车辅助人工装药， 微差光面爆破， 可 以较好的控制人为因素对光面爆破效果的影响。 2. 2 钻爆参数的选取 为了获得预期的爆破效果和提高爆破效率， 需 要对影响爆破作用的各方面因素进行全面的分析。 影响爆破作用的主要因素有岩体性质、 炸药性能、 炸 药与岩体的相互匹配关系、 装药结构、 自由面的大小 和数量等 ［1］。因此， 必须在充分认识岩体性质的基 础上， 考虑洞室断面尺寸和施工工序合理布置， 确定 合适的洞室开挖方案； 合理的选择爆破参数 （炮眼 直径、 炮眼深度、 单位炸药消耗量、 炮眼间距、 最小抵 抗线、 炮眼数量、 不耦合系数） ［2］； 结合炸药性质， 设 计合理装药结构， 制定光面爆破方案， 实现高效、 高 质量爆破作业。 （1） 炮眼直径 炮眼直径与施工采用的钻孔机具相关， 本工程 采用三臂凿岩台车钻孔， 钻孔直径为 47 mm。 （2） 炮眼深度 根据我国快速掘进的经验， 采用深眼多循环爆 破方案能充分利用施工工时 增加凿岩时间的同时 减少装药、 爆破、 通风等其他循环工序的时间， 使施 工工时尽可能有效地用于钻凿和破碎岩石。因此， 在满足一定的循环指标后， 适当的控制循环次数， 逐 步增加眼深是适宜的。但是， 随着眼深的增加， 爆破 过程中所受到的爆破夹制作用也越大， 因此， 目前地 下洞室掘进炮眼深度以 1. 5 2. 5 m 为多。随着新 型高效凿岩机和高效爆破材料的出现， 中等断面以 上的洞室掘进眼深可增至 3 3. 5 m。本洞室断面 面积为 470. 7 m2， 属于特大断面， 同时考虑到顶层 导洞跨度小， 开挖中受到较大的夹制作用， 因此选择 炮眼深度为 3 m。导洞开挖完成后， 为后续的顶层 扩挖以及一、 二、 三层台阶开挖创造了有效地自由 面， 可以适当增加炮眼深度， 考虑到开挖循环的效 率， 选择炮眼深度为 5 m。 （3） 单位炸药消耗量 单位炸药消耗量受到岩石性质、 爆破材料性质、 断面尺寸和形状、 炮眼直径和炮眼深度等因素的影 响， 目前尚无准确的理论方法进行计算。本爆破方 案采用戈斯帕扬经验公式计算 ［3， 4］。 q f - 3 3. 槡 8 L1K1η [] S K2K3FS（1） 式中 q 为单位炸药消耗量， kg/ m3；f 为普氏岩石坚 固系数， 本工程 f 9 13， 计算时取 f 11； L1为炮 眼深度， m； K1为炮眼充填系数； η 为炮孔利用率； S 为爆破开挖断面面积， m2； K2为等效炸药换算系 数， 本工程取 1. 0； K3为岩体裂隙率的修正系数， 取 1. 0； FS为自由面系数， 采用光面爆破时有两个自由 面， 洞室开挖时 FS取 0. 7， 导洞开挖时 FS取 1. 0。 按照开挖顺序， 本洞室分为顶层导洞、 顶层扩 挖、 一层台阶、 二层台阶、 三层台阶五个爆破开挖断 面， 分别可以获得对应的单位炸药消耗量。 28爆 破 2015 年 3 月 （4） 最小抵抗线 光面爆破时， 最小抵抗线的大小与光面爆破效 果、 爆破后围岩的稳定性密切相关。只有当最小抵 抗线近似于辅助眼爆破后形成的光爆层厚度时， 才 能达到最理想的光面爆破效果， 此时的围岩损伤最 小， 形成的洞室轮廓线最为符合设计洞形。因此最 小抵抗线需满足 Wmin（10 20） d（2） 式中 Wmin为光面爆破最小抵抗线， m； d 为炮眼直 径， m。 本工程最小抵抗线 Wmin （0. 47 0. 94） m。同 时， 开挖断面的曲率越大， 爆破所受的夹制作用也越 大， 因此需要选择较小的最小抵抗线。本工程五个爆 破开挖断面需根据其断面曲率合理选择最小抵抗线。 （5） 炮眼间距 光面爆破周边眼间距 a 采用如下经验公式计算 a （0. 6 0. 8） Wmin（3） 辅助眼和掏槽眼较周边眼装药强度大得多， 同 时考虑到较大的曲率， 可适当增加炮眼间距， 一般辅 助眼和掏槽眼间距为 0. 6 1. 2 m。 （6） 炮眼数量 炮眼数量的确定要同时满足总装药量和合理布 置炮眼间距两个要求。考虑到光面爆破周边眼的弱 装药和导洞掏槽眼的加强装药， 我们可以先分别计 算光面爆破周边眼数量 N1和导洞掏槽眼数量 N2， 再 综合考虑满足总装药量和合理布置炮眼间距的要 求， 均匀分配其他炮眼的装药量和确定炮眼间距， 获 得其他炮眼数量 N3， 则本爆破开挖方案的总炮眼数 量 N N1 N2 N3。 光面爆破周边眼数量 N1使用如下公式计算 N1（L - B） / a 1（4） 式中 L 为洞室开挖轮廓线的周长， m； B 为洞室底板 的长度， m； a 为光面爆破周边眼的间距， m。 根据顶层导洞形式， 合理布置掏槽眼数量 N2为 24， 根据现场爆破试验确定加强装药强度， 进而确定 导洞掏槽眼的总装药量 Q2。同理， 周边眼也根据现 场爆破试验确定减弱装药强度， 进而获得周边眼的 总装药量 Q1。最后根据获得的单位炸药消耗量 q 和每一循环爆破岩体的体积 V， 计算获得一次爆破 所需的总装药量 Q 和其他炮眼总装药量 Q3 Q - Q1- Q2， 采用平均分配装药量和合理布设炮眼间距 的原则， 求得其他炮眼数量 N3。 （7） 不耦合系数 不耦合系数为炮眼直径与药卷直径的比值。一 般爆破设计中均采用不耦合装药， 当炮眼直径为 32 50 mm 时， 不耦合系数取为 1. 3 2. 0。本工程 采用药卷直径为 32 mm 的 2 号岩石乳化炸药， 因此 不耦合系数为 1. 47。 2. 3 光面爆破设计方案 （1） 顶层导洞光面爆破设计 根据上述爆破参数的选取原则和顶层导洞爆破 开挖断面形式， 确定其基本爆破参数设计见表 1。炮 眼间距为80 100 cm， 采用非电毫秒雷管微差分段起 爆方式， 共分为10 个段别。其炮眼布置形式见图2。 图 2 顶层导洞炮眼布置图 （单位 cm） Fig. 2 Shothole layout of the guide adit in top floor （unit cm） 表 1 顶层导洞爆破参数表 Table 1 Blasting parameters of the guide adit in top floor 序号炮孔名称孔数/ 个 雷管 段别 孔深/ m 装药 结构 装药量/ kg 单孔合计 1811. 80连续1. 512. 0 2掏槽眼833. 40连续2. 721. 6 3853. 05连续2. 419. 2 4473. 00连续2. 18. 4 5 辅助眼 993. 00连续1. 816. 2 68113. 00连续1. 814. 4 77133. 00连续1. 812. 6 8 周边眼 10153. 00间隔1. 818. 0 99173. 00间隔1. 816. 2 10底板眼9193. 00连续1. 816. 2 合计 80----154. 8 开挖断面面积 51 m2， 每循环进尺 2. 2 m， 开挖方量 112. 2 m3， 炸药单耗 1. 38 kg/ m3。 38第 32 卷 第 1 期 袁 青， 吴 立， 陆中玏， 等 液化石油气储库特大断面光面爆破设计 （2） 顶层扩挖光面爆破设计 顶层扩挖严格控制爆破洞形， 避免严重超挖或 欠挖， 减小周边眼装药量和炮眼间距， 炮眼间隔装药 和连续装药结构见图 3、 图 4。顶层扩挖炮眼间距为 50 80 cm， 分段起爆段别共有 6 段， 具体爆破参数 和炮眼布置见表 2 和图 5。 图 3 间隔装药结构示意图 （单位 cm） 图 4 连续装药结构示意图 （单位 cm） Fig. 3 Schematic of spaced charging structure （unit cm） Fig. 4 Schematic of successive charging structure （unit cm） 表 2 顶层扩挖爆破参数表 Table 2 Blasting parameters of expand excavation in top floor 序号炮孔名称孔数/ 个 雷管 段别 孔深/ m 装药 结构 装药量/ kg 单孔合计 11015连续330 2 辅助眼 1435连续342 31355连续339 41375连续339 5周边眼4395间隔143 6底板眼101155连续330 合计 75----223 开挖断面面积 43. 2 m2， 每循环进尺 3. 8 m， 开挖方量 164 m3， 炸药单耗 1. 35 kg/ m3。 （3） 一、 二、 三层台阶光面爆破设计 一、 二、 三层台阶炮眼布置采用分段分层起爆方 式， 充分利用顶层开挖形成的自由面， 分层爆破可以 达到爆破最大的自由度， 减少曲线造成的爆破夹制作 用， 获得良好的爆破效果。因此， 分段起爆按照从上 到下、 从内到外的布置原则设计为 7 个段别， 炮眼间 距周边眼为50 80 cm， 辅助眼为120 140 cm。各层 台阶具体爆破参数见表3 5， 炮眼布置见图6 图8。 图 5 顶层扩挖炮眼布置图 （单位 cm） Fig. 5 Shothole layout of expand excavation in top floor （unit cm） 3 爆破参数调整 工程上， 一般采用爆破振动速度作为评价爆破 效果的指标 ［5， 6］。为了检验光面爆破参数设计的合 理性， 本工程采用 TC-4850 爆破测振仪进行爆破振 动监测， 利用其三向速度传感器获取爆破峰值合振 速。沿洞室轴向布置 5 个监测点， 监测点 1 5 间距 依次为 15 m、 20 m、 25 m、 30 m， 为了避免爆破产生 的飞石砸坏仪器， 监测点 1 与爆源的距离为 60 m。 分析监测数据得知， 第二台阶爆破产生的爆破振动 最大， 监测数据见表 6。 图 6 一层台阶开挖炮眼布置图 （单位 cm） Fig. 6 Shothole layout in first floor （unit cm） 图 7 二层台阶开挖炮眼布置图 （单位 cm） Fig. 7 Shothole layout in second floor （unit cm） 48爆 破 2015 年 3 月 图 8 三层台阶开挖炮眼布置图 （单位 cm） Fig. 8 Shothole layout in third floor （unit cm） 采用 爆破安全规程 推荐的萨道夫斯基经验 公式进行振速分析 ［7， 8］， 确定其 K， α 值 V 57. 11 3 槡Q R 1. 376 （5） 对于地下洞室爆破， 安全允许质点振动速度为 7 15 cm/ s， 上述各监测点速度均远小于安全允许 值， 本方案能有效地控制对洞室围岩的破坏。 表 3 一层台阶开挖爆破参数表 Table 3 Blasting parameters in first floor 序号炮孔名称孔数/ 个 雷管 段别 孔深/ m 装药 结构 装药量/ kg 单孔合计 1 辅助眼 1315连续339 21435连续342 31655连续348 41775连续351 51895连续354 6周边眼34115间隔134 7底板眼20135连续360 合计 132----328 开挖断面面积 122. 77 m2， 每循环进尺 3. 75 m， 开挖方量 460. 4 m3， 炸药单耗 0. 71 kg/ m3。 表 4 二层台阶开挖爆破参数表 Table 4 Blasting parameters in second floor 序号炮孔名称孔数/ 个 雷管 段别 孔深/ m 装药 结构 装药量/ kg 单孔合计 11715连续351 21735连续351 3辅助眼1755连续351 41775连续351 51495连续342 6周边眼22115间隔122 7底板眼23135连续369 合计 127----339 开挖断面面积 131. 12 m2， 每循环进尺 3. 75 m， 开挖方量 491. 7 m3， 炸药单耗 0. 69 kg/ m3。 表 5 三层台阶开挖爆破参数表 Table 5 Blasting parameters in third floor 序号炮孔名称孔数/ 个 雷管 段别 孔深/ m 装药 结构 装药量/ kg 单孔合计 11715连续351 21535连续345 3辅助眼1555连续345 41575连续345 51495连续342 6周边眼22115间隔122 7底板眼17135连续351 合计115----301 开挖断面面积 121. 17 m2， 每循环进尺 3. 75 m， 开挖方量 454. 4 m3， 炸药单耗 0. 66 kg/ m3。 58第 32 卷 第 1 期 袁 青， 吴 立， 陆中玏， 等 液化石油气储库特大断面光面爆破设计 表 6 第二台阶爆破振动监测结果 Table 6 Results of blasting vibration monitoring in second floor 测点 爆心 距/ m 最大单段 装药量/ kg 峰值合振速/ （cms -1） 主频率 161. 0691. 175133 275. 8691. 082107 395. 6690. 822110 4120. 5690. 769114 5150. 4690. 29248 现场爆破试验后洞室出现欠挖， 优化设计减小 光爆层厚度， 取最小抵抗线为 50 cm， 同时增加 5％ 单位炸药消耗量。 监测点5 处的主频为48 Hz， 而本工程围岩固有 频率为 20 30 Hz， 为了避免产生共振， 优化爆破起 爆段别增加 2 段， 同时增加相邻段位时间间隔。 4 结论 （1） 实施爆破方案优化后， 现场多次爆破试验 获得了光滑平整的开挖洞形， 半炮眼痕迹达到 90％ 以上， 最大欠挖量小于 10 cm， 质点爆破振动速度均 未超过安全允许值， 洞室围岩完整性较好， 未出现掉 块或剥落现象， 取得了良好的特大断面洞室光面爆 破效果。 （2） 花岗岩类围岩光面爆破光爆层厚度易取最 小抵抗线最小值 （50 cm） ； 采用戈斯帕扬公式计算 获得的单位炸药消耗量小于实际值， 原因是此经验 公式适用于开挖断面小于 50 m2的洞室， 对于大于 50 m2的洞室需要适当增大， 本断面调整增加 5％。 （3） 为保证洞室围岩稳定性， 需严格控制质点 爆破振动速度和振动主频率， 可采取增加起爆段别 和增大相邻段位时间间隔予以优化。 参考文献 （References） ［1］ 吴 立， 闫天俊， 周传波. 凿岩爆破工程 ［M］ . 武汉 中 国地质大学出版社， 2005 167-176. ［2］ 姜德义， 李付胜， 滕宏伟， 等. 城市大跨度公路隧道光 面爆破设计与优化 ［J］ . 重庆大学学报， 2008， 31 （11） 1290-1295. ［2］ JIANG De-yi， LI Fu-sheng， TENG Hong-wei， et al. 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