路塹邊坡光面爆破設(shè)計(jì)理論及應(yīng)用探討

瞿東明，喻江武，謝全敏，向明生，羅占業(yè)

（1.中交第二公路工程局有限公司海外事業(yè)部，陜西西安　710065；2.武漢理工大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，湖北武漢　430070）

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路塹邊坡光面爆破設(shè)計(jì)理論及應(yīng)用探討

瞿東明1，喻江武1，謝全敏2，向明生1，羅占業(yè)1

（1.中交第二公路工程局有限公司海外事業(yè)部，陜西西安710065；2.武漢理工大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，湖北武漢430070）

摘要光面爆破設(shè)計(jì)參數(shù)與炸藥特性和工程地質(zhì)條件密切相關(guān)，是保證光面爆破效果的關(guān)鍵。目前國內(nèi)外邊坡光面爆破設(shè)計(jì)主要采用經(jīng)驗(yàn)法，設(shè)計(jì)理論研究滯后于工程實(shí)踐。本文研究路塹邊坡光面爆破設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算方法，并引入巖石抗剪強(qiáng)度指標(biāo)——內(nèi)摩擦角和黏聚力以反映地質(zhì)條件的影響，給出了考慮巖石抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的炮孔間距、最小抵抗線、不耦合系數(shù)、線裝藥密度等設(shè)計(jì)參數(shù)的理論計(jì)算公式。所得公式應(yīng)用于一鐵路路塹邊坡光面爆破設(shè)計(jì)，獲得了良好的爆破效果。

關(guān)鍵詞路塹邊坡；光面爆破設(shè)計(jì)；計(jì)算方法；抗剪強(qiáng)度指標(biāo)

1　概述

光面爆破技術(shù)應(yīng)用于邊坡爆破開挖施工中。如果根據(jù)地形地質(zhì)條件設(shè)計(jì)合適的光面爆破參數(shù)，同時(shí)光爆孔施工工藝達(dá)到設(shè)計(jì)要求，就能保證開挖邊坡巖體的穩(wěn)定與光滑平整，使新開挖形成的石質(zhì)邊坡滿足設(shè)計(jì)要求。光面爆破設(shè)計(jì)參數(shù)的選取有3種方法：①給定一些假設(shè)條件，基于彈性理論、斷裂力學(xué)和損傷力學(xué)等推導(dǎo)出光面爆破設(shè)計(jì)參數(shù)的理論計(jì)算公式。②依據(jù)大量成功的工程案例的數(shù)據(jù)，采用概率統(tǒng)計(jì)理論回歸分析得到經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式。③采用工程類比法進(jìn)行光面爆破參數(shù)初步設(shè)計(jì)，然后按初步設(shè)計(jì)參數(shù)在待實(shí)施工程現(xiàn)場進(jìn)行多組光面爆破試驗(yàn)，根據(jù)爆破試驗(yàn)結(jié)果確定光面爆破參數(shù)［1-6］。目前國內(nèi)外邊坡光面爆破參數(shù)設(shè)計(jì)采用比較多的還是第③種方法［7-10］，但該方法依賴工程經(jīng)驗(yàn)，主觀性比較強(qiáng)。邊坡光面爆破參數(shù)設(shè)計(jì)理論滯后于工程實(shí)踐。

光面爆破設(shè)計(jì)參數(shù)除與炸藥等爆破器材特性有關(guān)外，還與邊坡巖石的抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、地質(zhì)條件等密切相關(guān)。因此，光面爆破設(shè)計(jì)參數(shù)理論計(jì)算不僅要考慮炸藥特性，而且要考慮巖石強(qiáng)度、地質(zhì)條件。本文考慮巖石抗剪強(qiáng)度指標(biāo)內(nèi)摩擦角φ和黏聚力c，推導(dǎo)光面爆破設(shè)計(jì)參數(shù)理論計(jì)算公式，并將之應(yīng)用于肯尼亞蒙內(nèi)鐵路某段路塹邊坡開挖光面爆破設(shè)計(jì)，取得了良好的效果。

2　基于點(diǎn)荷載強(qiáng)度指標(biāo)的光面爆破設(shè)計(jì)理論

2. 1巖石強(qiáng)度

根據(jù)莫爾-庫侖強(qiáng)度理論，巖石單軸抗壓強(qiáng)度Rc表示為

巖石的抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)大于抗拉強(qiáng)度，Rc約為巖石單軸抗拉強(qiáng)度Rt的10倍，即

2. 2光面爆破設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算公式

光面爆破設(shè)計(jì)參數(shù)主要有炮孔直徑、炮孔間距、炮孔深度、最小抵抗線、不耦合系數(shù)、線裝藥密度、裝藥結(jié)構(gòu)、堵塞長度、起爆網(wǎng)絡(luò)等。光面爆破目的是最大限度地保護(hù)邊坡巖體不被破壞，同時(shí)要使光面爆破孔開裂形成光滑平整的邊坡面。本文推導(dǎo)炮孔間距、最小抵抗線、不耦合系數(shù)和線裝藥密度的計(jì)算公式［3］。

2. 2. 1炮孔間距

光面爆破2炮孔之間裂紋貫通的條件是2炮孔間距a必須滿足

式中：b為切向應(yīng)力與徑向應(yīng)力比值，b =μ/（1 -μ），μ為巖石泊松比；P2為沖擊波在巖體的最大初始沖擊壓力為巖石的密度，D1為爆速，k為等墑指數(shù)，k = 3；db為炮孔直徑；α為應(yīng)力波衰減指數(shù)，α=（2 -μ）/（1 -μ）。

將式（2）代入式（3）得

2. 2. 2最小抵抗線

光面爆破最小抵抗線W直接影響光面爆破效果和邊坡巖體穩(wěn)定性，公式為

式中：qb為炮孔裝藥量；l為炮孔深度；c為爆破系數(shù)，類似于藥量單耗，普氏系數(shù)f = 4～10時(shí)，c = 0. 2～0. 5 kg/m3。

將式（4）代入式（5）可得光面爆破最小抵抗線W的計(jì)算公式為

2. 2. 3不耦合系數(shù)

光面爆破采用不耦合裝藥結(jié)構(gòu)形式。不耦合系數(shù)kc為炮孔直徑db與藥卷直徑dc的比值，即

為保證光面爆破時(shí)孔壁不產(chǎn)生壓縮性破壞，不耦合系數(shù)kc應(yīng)滿足

式中：ρ0為炸藥單耗；lc為空氣柱長度；la為裝藥長度；Kb為體積應(yīng)力狀態(tài)下巖石抗壓強(qiáng)度增大系數(shù)，Kb= 10；n為氣體與炮孔壁碰撞時(shí)壓力增大系數(shù)，一般n = 8 ～11。

將式（1）代入式（8）可得

2. 2. 4線裝藥密度

光面爆破采用空氣間隔裝藥結(jié)構(gòu)形式。每1 m炮孔的裝藥長度L要滿足

光面爆破裝藥量Q為

光面爆破線裝藥密度q線為

將式（1）代入式（12）可得

3　應(yīng)用實(shí)例

3. 1工程概況

新建肯尼亞蒙巴薩至內(nèi)羅畢標(biāo)軌鐵路（下稱“蒙內(nèi)鐵路”）正線全長472. 253 km，站線136. 258 km，港區(qū)聯(lián)絡(luò)線7. 25 km。全線采用中華人民共和國國鐵Ⅰ級標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，1 435 mm標(biāo)準(zhǔn)軌距，單線（預(yù)留雙線），客貨共用，設(shè)計(jì)速度客車120 km/h、貨車80 km/h。全線涉及大量的深挖巖質(zhì)路塹邊坡，最高處開挖深度在30 m左右，路塹巖體主要為全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化片麻巖，節(jié)理裂隙發(fā)育，有松散的軟弱夾層，對路塹邊坡穩(wěn)定十分不利。路塹邊坡施工必須采取光面爆破技術(shù)，以保障路塹邊坡穩(wěn)定、巖體不被破壞和坡面的光滑平整。

選取蒙內(nèi)鐵路DK399 + 430—DK399 + 750段路塹邊坡開挖工程作為本文光面爆破參數(shù)設(shè)計(jì)理論的應(yīng)用實(shí)例。該段路塹邊坡線路屬于低中山地貌，地形起伏較大，山頂剝蝕呈平頂狀，山坡多為凸形坡，地表荊棘，樹木發(fā)育。線路以挖方為主，路塹中心最大開挖深度13. 38 m，路塹邊坡最大高度13. 51 m。

地層自上而下依次為：

①粉質(zhì)黏土，棕紅色，硬塑～堅(jiān)硬，土質(zhì)較均勻，局部含細(xì)角礫，含量約10％，表層含植物根系，河床岸坡段廣泛分布，一般層厚1. 0～7. 0 m，Ⅱ級普通土。

②片麻巖，棕紅色、灰黃色，分布廣泛。全風(fēng)化片麻巖，巖體結(jié)構(gòu)已破壞，巖芯呈砂土狀，局部碎塊狀，粒徑2～7 cm，手掰易碎，Ⅲ級硬土；強(qiáng)風(fēng)化片麻巖，粒狀變晶結(jié)構(gòu)，片麻狀構(gòu)造，巖芯呈短柱狀，節(jié)長5～20 cm，部分呈碎塊狀，粒徑2～9 cm，巖石礦物成分主要為石英、長石、黑云母、角閃石等，節(jié)理裂隙發(fā)育，錘擊易碎，Ⅳ級軟石；弱風(fēng)化片麻巖、節(jié)理裂隙發(fā)育，裂隙面呈銹黃色，巖芯以柱狀為主，單節(jié)長5～25 cm，局部碎塊狀，碎塊粒徑2～9 cm，錘擊聲脆，不易碎，Ⅴ級次堅(jiān)石。

各巖層主要物理力學(xué)指標(biāo)見表1。

表1　巖層主要物理力學(xué)指標(biāo)

路塹邊坡設(shè)計(jì)有2級坡，一級坡主要為強(qiáng)風(fēng)化和弱風(fēng)化片麻巖，設(shè)計(jì)坡率為1∶1. 0；二級坡主要為粉質(zhì)黏土和全風(fēng)化片麻巖，設(shè)計(jì)坡率為1∶1. 5。分級處設(shè)臺階，平臺寬2. 0 m，平臺設(shè)向外4％的排水橫坡，一級坡最大臺階高度約為10. 0 m。典型設(shè)計(jì)斷面見圖1。一級坡施工主要采用機(jī)械挖掘施工。二級坡主要采用爆破開挖施工，主爆破區(qū)采用深孔爆破，臨近坡面采用預(yù)留保護(hù)層的光面爆破。爆破鉆孔直徑為110 mm。

圖1　典型設(shè)計(jì)斷面（單位：m）

3. 2光面爆破參數(shù)設(shè)計(jì)

在工地具備的鉆孔設(shè)備和爆破器材種類基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)，炮孔直徑為110 mm，臺階高度為10 m，爆孔深度為15 m。爆破鉆孔布置見圖2?，F(xiàn)場爆破器材為φ25×270乳化炸藥、導(dǎo)爆索和毫秒延時(shí)電雷管。

圖2　爆破鉆孔布置（單位：cm）

1）光面爆破炮孔間距

根據(jù)試驗(yàn)，片麻巖的密度ρ= 2. 28～2. 48 kg/m3，μ=0. 1～0. 2，2#巖石炸藥密度ρ0= 0. 85×103kg/m3，D1= 3 400～3 600 m/s，k = 3，db= 0. 1 m。取ρ= 2. 38 kg/m3，μ= 0. 15，D1= 3 500 m/s，由此可以計(jì)算得α= 2. 176，b = 0. 176，P2= 3. 644×109Pa。由式（4）得a = 1. 015 m，設(shè)計(jì)取1. 0 m。

2）光面爆破最小抵抗線

根據(jù)試驗(yàn)，對片麻巖f = 4～10，這里取f = 7，則c = 0. 35 kg/m3；l = 15 m，qb= 9. 0 kg。由式（6）得W = 1. 226 m，設(shè)計(jì)取1. 3 m。

3）光面爆破不耦合系數(shù)

由于炮孔直徑db= 100≥65 mm，所以式（13）不能用于計(jì)算光面爆破不耦合系數(shù)，只能用式（9）計(jì)算。取n = 10，Kb= 10。已知lc= 9. 5 m，la= 5. 5 m，dc= 0. 032 m，db= 0. 1 m，ρ0= 0. 85×103kg/m3。由式（9）得kc= 3. 448，設(shè)計(jì)取3. 5。

4）光面爆破線裝藥密度

對于強(qiáng)風(fēng)化片麻巖炸藥單耗ρ0= 0. 2 kg/m3。由式（13）得q線= 0. 321 kg/m，設(shè)計(jì)取0. 320 kg/m。

5）裝藥結(jié)構(gòu)

根據(jù)炮孔直徑以及滿足不耦合系數(shù)為3. 5的要求選擇藥卷直徑，采用藥卷直徑25 mm的乳化炸藥。采用不耦合間隔裝藥法，藥卷間距30 cm，靠近炮孔底部1 m為加強(qiáng)段，其裝藥量為正常裝藥量的3倍。光面爆破孔口填塞長度為1. 5 m。

6）起爆網(wǎng)絡(luò)

起爆網(wǎng)路設(shè)計(jì)采用導(dǎo)爆索連接和毫秒延時(shí)電雷管引爆組成的起爆網(wǎng)路（圖3）。

圖3　起爆網(wǎng)路

3. 3光面爆破效果分析

路塹邊坡分6次爆破完成，左右兩側(cè)邊坡光爆孔共612個(gè)，主爆孔共1 326個(gè)，爆破石方約6. 5萬m3。光面爆破結(jié)果表明，強(qiáng)風(fēng)化片麻巖段炮眼痕率達(dá)51％，弱風(fēng)化片麻巖段炮眼痕率達(dá)86％，超欠挖量在20 cm內(nèi)，炮眼痕率與超欠挖量均滿足設(shè)計(jì)要求。巖石表面和半孔孔壁沒有出現(xiàn)明顯爆破裂紋。路塹坡面上基本無浮石與危石，路塹邊坡穩(wěn)定、光滑平整。爆破未對施工周圍環(huán)境造成任何影響，光面爆破效果良好。

4　結(jié)語

本文引入巖石抗剪強(qiáng)度指標(biāo)內(nèi)摩擦角和黏聚力，推導(dǎo)了炮孔間距、最小抵抗線、不耦合系數(shù)和線裝藥密度的理論計(jì)算公式，并將之應(yīng)用于肯尼亞蒙內(nèi)鐵路路塹邊坡開挖光面爆破設(shè)計(jì)，減少了路塹邊坡的超欠挖量，提高了路塹邊坡面的平整光滑度，保障了路塹邊坡的穩(wěn)定。與普通爆破相比，減少了爆破次數(shù)，既降低了爆破開挖成本，又提高了爆破的安全性。

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（責(zé)任審編李付軍）

Exploration on Design Theory and Application of Smooth Blasting to Cut Slope Construction

QU Dongming1，YU Jiangwu1，XIE Quanmin2，XIANG Mingsheng1，LUO Zhanye1
（1. CCCC Second Highway Engineering Co.，Ltd.，Xi'an Shaanxi 710065，China；2. School of Civil Engineering and Architecture，Wuhan University of Technology，Wuhan Hubei 430070，China）

AbstractSmooth blasting design parameters are closely related to explosive characteristics and engineering geological condition，which is the key factor of smooth blasting. Currently，the domestic and foreign countries mainly adopt the empirical method for slope smooth blasting design，and the theory is relatively lagging of the engineering practice. T his paper developed the calculation method of smooth blasting design parameters for cutting slope，rock shear strength index such as internal frictional angle and cohesion was introduced to reflect the effects from geological condition. Based on shear strength index of rock，this study deduced the theoretical formula of hole spacing，the minimum resistance line，decouple coefficient and the linear charge density of smooth blasting parameter. T he formulas were applied to design the smooth blasting for certain railway cutting slope，and the smooth blasting effect was good.

Key wordsCutting slope；Smooth blasting design；Calculation method；Shear strength index

中圖分類號U213. 1+2；U213. 1+3

文獻(xiàn)標(biāo)識碼A

DOI：10. 3969 /j. issn. 1003-1995. 2016. 05. 32

文章編號：1003-1995（2016）05-0144-04

收稿日期：2015-10-26；修回日期：2015-12-13

作者簡介：瞿東明（1973—），男，高級工程師。