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爆破工程讲义

第一讲爆破在工程中的应用

学习的意义：

探索爆破机理，正确掌握各种爆破技术，对加快工程进度，保证工程质量，降低工程成本具有十分重要的意义。

学习的内容：

爆破是利用炸药的爆炸能量对周围的岩石、混凝土或土等介质进行破碎、抛掷或压缩，达到预定的开挖、填筑或处理等工程目的的技术。

学习的目的：

应用于水工建筑物基础、导流隧洞与地下厂房等的开挖、料场开采、定向爆破筑坝和建筑物拆除等。

第一节爆破器材与起爆方法

第二节爆破基本原理及药量计算

第三节爆破的基本方法

第四节水利水电工程中的岩石开挖爆破技术

第五节爆破公害及安全控制

附：

本章练习题

第一节爆破器材与起爆方法

一、炸药和起爆器材

炸药：

一般来说，凡能发生化学爆炸的物质均可称为炸药。

（1）炸药的性能指标：

1）威力；2）敏感度；3）氧平衡；4）安定性；5）殉爆距离；6）最佳密度

（2）常用的工业炸药：

1）TNT（三硝基甲苯）；2）胶质炸药（硝化甘油炸药）；3）铵梯炸药；4）铵油炸药；5）浆状炸药；6）乳化炸药

起爆器材：

常用的起爆器材包括各种雷管、用来引爆雷管或传递爆轰波的各种材料。

主要包括：

1）雷管；2）导火索；3）导爆索；4）导爆管

二、起爆方法和起爆网路

起爆方法：

分类：

1）火花起爆；2）电力起爆；3）导爆管起爆；4）导爆索起爆

起爆网路：

（1）含义：

无论对钻孔爆破还是洞室爆破，当采用群药包进行爆破时，为了达到增强爆破效果、控制爆破震动等目的，可能采用齐发、延迟，或组内齐发、组间延迟等起爆方式，这就要求用起爆材料将各药包联接成既可统一赋能起爆、又能控制各药包起爆延迟时间的网络。

（2）分类：

1）电力起爆网路；2）导爆管起爆网路；3）导爆索

第二节爆破基本原理及药量计算

一、爆破机理

爆破的机理：

岩土介质的爆破破碎是炸药爆轰产生的冲击波的动态作用和爆轰气体准静态作用的联合作用的结果。

爆破作用的最终影响范围划分为：

粉碎圈、破碎圈和震动圈（如图2－7所示）。

二、爆破漏斗

爆破漏斗：

当爆破在有临空面的半无限介质表面附近进行时，若药包的爆破作用具有使部分破碎介质具有抛向临空面的能量时，往往形成一个倒立圆锥形的爆破坑，形如漏斗，称为爆破漏斗（如图2-8所示）。

爆破漏斗的几何特征参数：

1）药包中心至临空面的最短距离，即最小抵抗线长度W；2）爆破漏斗底半径r；3）爆破破坏半径R；4）可见漏斗深度P；5）抛掷距离L。

（爆破漏斗的几何特征反映了药包重量和埋深的关系，反映了爆破作用的影响范围。

）

爆破作用指数：

系数n＝r/W，它反映了爆破漏斗的几何特征。

工程应用中，通常根据n值大小对爆破进行分类。

当n＝1即r=W时，称为标准抛掷爆破；

当n>1即r>W时，称为加强抛掷爆破；

当0.75≤n<1时，称为减弱抛掷爆破；

当n<0.75时，称为松动爆破。

有关爆破漏斗的计算：

其深度P称为可见漏斗深度，可按下式计算。

P＝CW（2n－1）　　（2-1）

式中，C为介质系数；对岩石C＝0.33，对粘土C=0.4。

抛掷堆积体距药包中心的最大距离L称为抛掷距离，可按式（2－2）计算。

L＝5nW（2-2）

三、药包种类和装药量计算基本方法

药包种类：

分为集中药包和延长药包。

若药包的长边和短边的长度分别为L和a，

当L/a≤4时，为集中药包；

当L／a＞4时，为延长药包。

装药量计算公式：

对单个集中药包，其装药量计算公式为：

（2-3）

式中，K—规定条件下的标准抛掷爆破的单位耗药量，kg/m3；

W—最小抵抗线长度，m；

f（n）—爆破作用指数函数。

（标准抛掷爆破：

f（n）=1；

加强抛掷爆破：

f（n）=0.4＋0.6n3；

减弱抛掷爆破：

f（n）=；

松动爆破：

f（n）=n3。

）

对钻孔爆破，一般采用延长药包，其药量计算公式为：

Q=qV（2-4）

式中:

q为钻孔爆破条件下的单位耗药量。

（必须指出，式中的q与单个集中药包中的K值是有区别的。

）

第三节爆破的基本方法

工程爆破的基本方法按照药室的形状不同主要可分为：

钻孔爆破、洞室爆破。

一、钻孔爆破

浅孔爆破：

孔径小于75mm，孔深小于4m。

（1）炮孔布置参数：

1）最小抵抗线W：

（2-7）

式中：

Kw—岩质系数，一般为15—30，坚硬岩石取小值，松软岩石取大值；d—钻孔直径。

2）台阶高度H：

台阶高度必须大于最小抵抗线，以防止冲天炮；同时炮孔深度也不能太大以防止炮孔药量分布不均。

兼顾到爆破效果和生产率两方面，台阶高度可按下式确定

（2-8）

3）炮孔深度L：

（2-9）

式中系数对坚硬岩石取大值，松软岩石取小值。

4）孔距a和排距b：

合理的孔距和排距是保证形成平整的新台阶面及爆后岩块均匀的前提。

一般有：

（2-10）

（2-11）

5）堵塞长度L1：

浅孔台阶爆破多采用连续装药，装药长度应控制在孔长的1/2～1/3范围，因此孔口堵塞长度一般不小于孔长的一半。

（2）装药量计算：

浅孔爆破药量按延长药包计算，单孔药量为

（2-12）

q—浅孔台阶爆破单耗，一般为0.2～0.6kg/m3，可按照岩性不同从有关表格中选取。

（3）起爆网路：

常用的微差间隔起爆方法包括排间微差和V型起爆。

深孔爆破：

孔径大于75mm，孔深超过4m。

深孔台阶爆破的钻孔分为垂直孔和倾斜孔。

深孔台阶爆破的炮孔布置与参数选择的原则与浅孔爆破类似：

（1）炮孔布置参数：

1）台阶高度H：

H值的选取应综合考虑地质与岩性，开挖强度与进度要求，钻孔、装碴和运输设备的性能及合理配套等条件来确定。

2）钻孔直径d：

在水工建筑物基础开挖中，钻孔直径一般不超过150mm；在临近建基面、设计边坡轮廓处，孔径一般不大于110mm。

3）底盘抵抗线W：

底盘抵抗线是指炮孔中心线至台阶坡脚的水平距离。

（2-13）

式中：

D—岩石硬度影响系数，一般取0.46～0.56，硬岩取小值，软岩取大值；

η-台阶高度影响系数

4）超钻深度ΔH：

超深可按下式确定：

（2-14）

式中的系数在台阶高度大、岩石坚硬时取大值。

5）孔长L：

（2-15）

式中：

α—钻孔倾斜角，一般与台阶坡面角相同；对垂直钻孔，α=900。

6）孔距a和排距b：

合理的孔距和排距是保证形成平整的新台阶面及爆后岩块均匀的前提。

一般有：

（2-16）

（2-17）

7）堵塞长度L1：

深孔台阶爆破的堵塞长度可参考以下公式综合确定:

（2-18）

（2-19）

（2-20）

（2）装药量计算：

前排炮孔的单孔药量为:

（2-21）

后排炮孔的单孔药量为：

（2-22）

q—深孔台阶爆破单耗，可按照岩性不同从有关表格中选取；

q的大体范围为：

软岩0.15～0.3kg/m3,中硬岩0.3～0.45kg/m3,硬岩0.45～0.6kg/m3。

（3）改善深孔爆破效果的技术措施：

l）合理利用或创造人工自由面

2）改善装药结构

3）优化起爆网路

4）采用微差挤压爆破

5）保证堵塞长度和堵塞质量

二、洞室爆破

洞室爆破又称大爆破，其药室是专门开挖的洞室。

药室用平洞或竖井相连，装药后按要求将平洞或竖井堵塞。

洞室爆破的特点及适用范围：

（1）特点：

1）洞室爆破一次爆落方量大，有利于加快施工进度；

2）需要的凿岩机械设备简单；

3）节省劳力，爆破效率高；

4）导洞、药室的开挖受气候影响小，但开挖条件差；

5）爆破后块度不均，大块率高，爆破震动、空气冲击波等爆破公害严重。

（2）适用范围：

1）挖方量大而集中并需在短期内发挥效益的工程；

2）山势陡峻，不利于钻孔爆破安全施工的场合；

3）定向爆破筑坝；

4）当地质、地形条件满足要求时，洞室爆破可用于定向爆破筑坝、面板堆石坝次堆料区料场开挖以及定向爆破截流。

药包布置与爆破参数确定：

（1）药包布置：

为达到良好的爆破效果，需要根据地形地质条件和工程要求，一般按照“排、列、层”的立体格局布置群药包。

（2）爆破参数：

洞室爆破中，最小抵抗线W和爆破作用指数n值共同决定了爆落方量与抛掷率、抛掷距离和爆堆分布状况。

W和n是决定爆破规模的两个最基本参数。

主要参数有：

1）最小抵抗线长度W：

当在双面临空布置单药包或单层药包时，应使两侧的最小抵抗线W1和W2满足以下关系：

集中药包

（2-23）

条形药包（2-24）

2）爆破作用指数n：

n的选择主要根据爆破类型（松动爆破还是抛掷爆破）和地形条件（多面临空、斜坡地形或平地等）确定，n值一般采用0.7～1.75。

若采用双排或双层布药，上层和前排药包应适当增大n值，同时后排和下层的n值应比前排和上层的n值大0.15～0.25。

3）药包的水平间距a和层或垂直间距b：

a和b应分别满足如下关系：

（2-25）

（2-26）

式中：

W—相邻药包最小抵抗线的平均值，m；

n—相邻药包爆破作用指数的平均值。

（3）装药量计算：

1）集中药包：

抛掷爆破：

（2-27）

松动爆破：

（2-28）

2）条形药包：

条形药包的装药量通常以线装药密度表示，其装药量计算基础为集中药包的药量计算公式，通常只是将药量均匀分布于用集中药包药量计算公式算出的相应药包间距上：

（2-29）

（4）施工要点：

1）药室与导洞布置：

集中药包的药室体积V按下式计算：

（2-30）

式中：

KV—药室扩大系数，当药室无支撑时，取1.1～1.25;散装取小值，袋装取大值；有支护时取1.5～1.8；

Δ—为炸药密实度，t/m3。

2）装药堵塞：

堵塞时，先用木板封闭药室，再用粘壤土填塞3～5m，最后用石碴料堵塞。

总的堵塞长度一般不应小于最小抵抗线长度的1.2～1.5倍。

对T型导洞可适当缩小堵塞长度。

3）起爆网路：

电爆网路和电爆与导爆索的复式网路被广泛使用，这是因为洞室爆破的起爆网路要求万无一失，而只有电爆网路能用仪表检查。

三、预裂爆破和光面爆破

定义：

所谓预裂爆破，就是首先起爆布置在设计轮廓线上的预裂爆破孔药包，形成一条沿设计轮廓线贯穿的裂缝，再在该人工裂缝的屏蔽下进行主体开挖部位的爆破，保证保留岩体免遭破坏；光面爆破是先爆除主体开挖部位的岩体，然后再起爆布置在设计轮廓线上的周边孔药包，将光爆层炸除，形成一个平整的开挖面。

成缝机理：

预裂爆破和光面爆破都要求沿设计轮廓产生规整的爆生裂缝面，两者成缝机理基本一致。

现以预裂缝为例论述它们的成缝机理：

预裂爆破采用不耦合装药结构，其特征是药包和孔壁间有环状空气间隔层，该空气间隔层的存在削减了作用在孔壁上的爆炸压力峰值。

因为岩石动抗压强度远大于抗拉强度，因此可以控制削减后的爆压不致使孔壁产生明显的压缩破坏，但切向拉应力能使炮孔四周产生径向裂纹。

加之孔与孔间彼此的聚能作用，使孔间连线产生应力集中，孔壁连线上的初始裂纹进一步发展，而滞后的高压气体的准静态作用，使沿缝产生气刃劈裂作用，使周边孔间连线上的裂纹全部贯通成缝。

质量控制标准：

（详细内容）

参数设计：

预裂爆破和光面爆破的参数设计一般采用工程类比法，并通过现场试验最终确定。

（1）预裂爆破参数：

1）孔径：

明挖为70～165mm，隧洞开挖40～90mm；大型地下厂房为50～110mm。

2）孔距：

与岩石特性、炸药性质、装药情况、开挖壁面平整度要求和孔径大小有关。

孔距一般为孔径的7～12倍。

质量要求高、岩质软弱、裂隙发育者取小值。

3）装药不偶合系数：

不偶合系数指炮孔半径与药卷半径的比值，为防止炮孔壁的破坏，该值一般取2～5。

4）线装药密度：

目前以经验公式为主,目前国内较常用公式的基本形式为：

（2-31）

式中：

QX—预裂爆破的线装药密度,kg/m；

σC—岩石的极限抗压强度，Gpa；

a—炮孔间距，m

d—钻孔直径，m

K、α、β和γ—经验系数。

随岩性不同，预裂爆破的线装药密度一般为200～500g/m。

为克服岩石对孔底的夹制作用，孔底段应加大线装药密度到2～5倍。

（2）光面爆破参数：

1）光面爆破层厚度：

即最小抵抗线的大小，一般为炮孔直径的10～20倍，岩质软弱、裂隙发育者取小值。

2）孔距：

一般为光面爆破层厚度的0.75～0.90倍，岩质软弱、裂隙发育者取小值。

3）钻孔直径及装药不偶合系数：

参照预裂爆破选用。

4）线装药密度Qx：

一般按照松动爆破药量计算公式确定：

（2-32）

式中：

q—松动爆破单耗，kg/m3；

W—光面爆破层厚度。

装药结构与起爆：

（1）装药结构分为三段：

1）堵塞段；2）孔底加强段；3）均匀装药段

（2）起爆：

为保证同时起爆，预裂爆破和光面爆破一般都用导爆索起爆，并通常采用分段并联法。

第四节水利水电工程中的岩石开挖爆破技术

本节将从岩石坝基和高边坡的开挖、定向爆破筑坝、岩塞爆破、面板堆石坝填筑料开采、围堰和岩坎的爆破拆除等方面，介绍岩石爆破技术在水利水电工程中的应用。

一、坝基开挖

常规坝基开挖:

对坝基保护层以上的岩体开挖，国内广泛运用以毫秒爆破技术为主的深孔台阶爆破方法。

常用的爆破方式有:

齐发爆破、微差爆破、微差顺序爆破、微差挤压爆破和小抵抗线宽孔距爆破技术等。

常用的深孔台阶爆破参数见表2-2。

表2-2主体建筑物部位的深孔台阶爆破参数

炮孔

类型

孔径

（mm）

装药直径（mm）

台阶高度（m）

孔深

（m）

超钻深度（m）

底盘抵

抗线（m）

排拒

（m）

孔间距（m）

堵塞长度（m）

炸药单耗（kg/m3）

主爆孔

80-100

70-80

8.0-12

8.5-13.0

0.5-1.0

3.0-5.0

2.0-3.5

2.5-6.5

2.0-3.0

0.35-0.80

缓冲孔

80-100

32-70

8.0-12

8.5-13.0

0.5-1.0

1.5-2.5

1.0-2.0

0.30-0.70

坝基保护层开挖:

坝基保护层的开挖是控制坝基质量的关键。

只有不具备现场试验的条件下，才允许使用工程类比法确定。

用工程类比法确定保护层厚度时的参考值见表2-3。

表2-3保护层厚度

岩体特性

节理裂隙不发育和坚硬的岩体

节理裂隙较发育、发育和中等坚硬的岩体

节理裂隙极发育和软弱的岩体

H/D

注：

H是保护层厚度，D是梯段炮孔底部的装药直径。

对岩体保护层的开挖，按照现有规定，一般分三层开挖：

1）炮孔不等穿入建基面1.5m的范围，装药直径不得大于40mm，控制单响药量不超过300kg；

2）对节理裂隙极发育和软弱岩体，炮孔不得穿入建基面0.7m的范围，其余岩体不得超过0.5m范围，且炮孔与水平建基面的夹角不应大于60o，装药直径不应大于32mm，须采用单孔起爆方法；

3）对节理裂隙极发育和软弱岩体，须留0.2m厚岩体进行撬挖，其余岩体炮孔不得穿过建基面。

二、岩石高边坡爆破开挖

为控制爆破对岩石高边坡的影响，在水电工程建设中广泛采用了预裂爆破、光面爆破、缓冲爆破和深孔梯段微差爆破技术，图2-9是典型的边坡开挖炮孔布置示意图。

图2-9边坡开挖炮孔布置示图

三、定向爆破筑坝

定向爆破筑坝是利用陡峻的岸坡布药，定向松动崩塌或抛掷爆落岩石至预定位置，拦断河道，然后通过人工修整达到坝的设计轮廓的筑坝技术。

适用条件：

（1）地形上要求河谷狭窄，岸坡陡峻（通常在40o以上），山高山厚应为设计坝高的两倍以上；

（2）地质上要求爆区岩性均匀、强度高、风化弱、构造简单、覆盖层薄、地下水位低、渗水量小；

（3）水工上对坝体有严格防渗要求的多采用斜墙防渗；

（4）泄水和导流建筑物的进出口应在堆积范围以外并满足防止爆破震动影响的安全要求。

药包布置：

图2－10定向爆破筑坝药包布置示意图

四、岩塞爆破

岩塞爆破是一种水下控制爆破。

在已建水库或天然湖泊中取水、发电、灌溉、供水和泄洪时，为修建隧洞的取水口，避免在深水中建造围堰，采用岩塞爆破是一种经济而有效的方法。

岩塞布置及爆落石碴处理：

（1）岩塞布置：

岩塞厚度一般为岩塞底部直径的1～1.5倍，太厚则难以一次爆通，太薄则不安全。

岩塞的布置见图2－11。

（2）石碴处理：

1）集碴处理；2）泄碴处理

装药量计算、装药及起爆：

（1）装药量计算：

岩塞爆破为水下爆破，装药量计算应考虑静水压力的作用，比常规抛掷爆破药量增大20％～30％，即

（2-33）

式中：

Qs—岩塞爆破的装药量；

n—爆破作用指数，一般取1～1.5。

（2）装药：

采用洞室与钻孔相结合的爆破方案时，在岩塞中心线居中稍微偏上的位置布置一个集中药包，而在其外圈则布置扩大爆破钻孔。

该方案集中了前两种方案的优点而克服了两者的缺点，适合于任意断面岩塞的爆破。

（3）起爆：

起爆顺序依次为周边预裂孔、中间集中药包（或掏槽爆破孔）和扩大药包。

起爆网路采用复式并-串-并联电爆或电爆加导爆索复式网路。

五、面板堆石坝填筑石料开采

面板堆石坝填筑石料的开采除须满足常规开挖爆破的出渣块度要求外，还必须保证开挖石料具有较好的颗粒级配结构。

六、围堰和岩坎的拆除爆破

围堰拆除爆破按照岩渣的处理方式，可分为泄渣爆破和留渣（聚渣）爆破两类。

围堰和岩坎爆破施工一般是利用其顶面、非临水面及围堰内部廊道等无水区进行钻爆作业。

第五节爆破公害及安全控制

在完成岩石爆破破碎的同时，爆破作业必然会带来爆破飞石、地震波、空气冲击波和噪音等负面效应即爆破公害。

因此，在爆破作业中，需研究爆破公害的产生原因、公害强度的分布与衰减规律，通过科学的爆破设计、采用有效的施工工艺措施，以确保保护对象（包括人员、设备及邻近的建筑物或构筑物等）的安全。

一、爆破地震

含义：

岩石爆破过程中，除对临近炮孔的岩石产生破碎、抛掷，爆炸能量的很大一部分将以地震波的形式向四周传播，导致地面振动。

这种振动即为爆破地震。

衡量参数：

衡量爆破地震强度的参数包括位移、速度和加速度等。

实践表明质点峰值震动速度与建筑物的破坏程度具有较好的相关性，因此国内外普遍采用质点峰值震动速度安全判据。

我国《爆破安全规程》（GB6722-86）对某些建（构）筑物的允许质点峰值震动速度作了如表2-4规定。

表2-4建（构）筑物地面质点的安全震动速度

对象描述

安全震动速度（cm/s）

土窑洞、土坯房、毛石房屋

1.0

一般砖房、非抗震的大型砌块建筑物

2.0～3.0

钢筋混凝土框架房屋

水工隧洞

交通隧洞

矿山巷道

围岩不稳定有良好支护

围岩中等稳定有良好支护

围岩稳定无支护