正交臨近既有鐵路高邊坡的高鐵路塹爆破

李新繼,胡青松

(1.西成鐵路客運(yùn)專(zhuān)線四川有限公司,成都610036;2.四川路橋橋梁工程公司,成都610031)

近年來(lái)隨著高鐵建設(shè)的飛速發(fā)展,臨近既有鐵路新建高鐵線路的工程建設(shè)項(xiàng)目越來(lái)越多,特別是臨近既有鐵路的高鐵路塹、隧道的土石方開(kāi)挖爆破施工對(duì)既有鐵路的安全影響突顯。在保證新鐵路線工程建設(shè)穩(wěn)步推進(jìn)的同時(shí),如何確保既有鐵路的運(yùn)營(yíng)安全,日益受到重視。目前國(guó)內(nèi)在臨近既有鐵路的土石方工程、隧道工程施工對(duì)既有鐵路的安全影響及防護(hù)措施方面研究較多。林發(fā)展[1]對(duì)上跨既有鐵路的隧道爆破施工進(jìn)行了振動(dòng)測(cè)試與擬合分析,佐證了賦存臨空面對(duì)減小爆破振動(dòng)效應(yīng)的有利影響;葉宗毅[2]提出在繁忙的運(yùn)營(yíng)鐵路線復(fù)雜環(huán)境條件下如何采用安全防護(hù)措施,高效進(jìn)行施工作業(yè)。按照鐵路安全管理?xiàng)l例[3]、鐵路營(yíng)業(yè)線施工安全管理辦法[4]、爆破安全規(guī)程[5]的有關(guān)規(guī)定,在既有運(yùn)營(yíng)鐵路周邊進(jìn)行爆破作業(yè)時(shí),需對(duì)爆破施工方案進(jìn)行一系列審查和報(bào)批,分級(jí)進(jìn)行安全監(jiān)管,由鐵路部門(mén)配合施工和安全管理。臨近既有鐵路爆破施工效率高,但存在一定的危害效應(yīng),而石方靜態(tài)破碎配合機(jī)械開(kāi)挖對(duì)既有鐵路的安全影響小,但工效低下。如何解決或平衡這一工程建設(shè)過(guò)程中的實(shí)際問(wèn)題,成為燃眉之急。目前對(duì)臨近既有鐵路的爆破施工有害效應(yīng)和極限短距離優(yōu)化方案鮮有研究,本文介紹了基于西成高鐵劍門(mén)關(guān)車(chē)站路塹開(kāi)挖正交臨近既有寶成鐵路的工程實(shí)踐,從保證既有鐵路正常安全運(yùn)營(yíng)的角度出發(fā),對(duì)爆破方案設(shè)計(jì)、施工防護(hù)措施等方面進(jìn)行的研究和分析,闡述了對(duì)路塹施工方案進(jìn)一步優(yōu)化的設(shè)想和見(jiàn)解。

1 工程概況

新建西成高鐵劍門(mén)關(guān)車(chē)站,D3K424+649.9～+860段為深路塹土石方開(kāi)挖工程,全長(zhǎng)210.1 m,線路走向與既有寶成鐵路線垂直交叉(通過(guò)橋梁上跨正交),該段路塹臨近既有寶成鐵路沙溪壩至竹園壩區(qū)間ZK387+120-ZK387+320下行線區(qū)段,小里程處于既有鐵路左側(cè)山坡上接橋梁臺(tái)尾,開(kāi)挖邊界距既有鐵路最近水平距離為13.27 m,高差31.12 m。路塹開(kāi)挖與既有鐵路位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 路塹與既有鐵路關(guān)系Fig.1 Relation of road cutting and existing railway

1)地質(zhì)情況。地層從上至下分別為粉質(zhì)黏土、碎石土、泥巖夾砂巖。砂巖主要為細(xì)～中粒結(jié)構(gòu),中厚～厚層狀,鈣質(zhì)膠結(jié),巖質(zhì)堅(jiān)硬,節(jié)理發(fā)育,多屬Ⅳ級(jí)軟石。

2)施工分2個(gè)區(qū)。D3K424+649.9～+720段采用靜態(tài)破碎加機(jī)械開(kāi)挖,方量為4.9萬(wàn)m3;D3K424+720～+860段采用淺孔爆破開(kāi)挖,方量為9.5萬(wàn)m3。爆破距既有鐵路最近水平距離70 m,距附近民房133 m,距石油管道80 m(見(jiàn)圖2)。

圖2 施工區(qū)域環(huán)境Fig.2 Environmental of the construction area

2 爆破方案

2.1 深路塹開(kāi)挖

根據(jù)工程環(huán)境特點(diǎn)和巖石地質(zhì)情況,確定在距寶成線70 m范圍外路塹開(kāi)挖,采用露天淺孔小臺(tái)階延時(shí)松動(dòng)控制爆破方案;70 m范圍內(nèi)采用靜態(tài)破碎與機(jī)械配合開(kāi)挖。靜態(tài)破碎機(jī)械開(kāi)挖從緊鄰寶成鐵路邊坡頂部向大里程成都方向開(kāi)挖;淺孔爆破從遠(yuǎn)離寶成線的大里程向小里程方向開(kāi)挖,即爆破主臨空面朝向成都方向。為防止爆破飛石、爆破地震波等對(duì)既有鐵路電力、信號(hào)、通信網(wǎng)路等設(shè)施造成破壞,根據(jù)路塹橫向較寬的情況,采用分區(qū)爆破方式,即“中間縱向預(yù)留隔墻臺(tái)階爆破法”進(jìn)行開(kāi)挖。沿線路縱向中間預(yù)留隔墻3～6 m寬,隨著兩側(cè)爆破開(kāi)挖后臺(tái)階的降低再對(duì)隔墻進(jìn)行爆破,由兩側(cè)向中部采用排間延時(shí)起爆。路塹主爆破區(qū)臺(tái)階高度2～3 m,采用逐排延時(shí)起爆網(wǎng)路。為保證路塹基面巖石的完整性,開(kāi)挖臨近基面小于1.0 m時(shí),采用小孔徑密集鉆孔,小藥量延時(shí)爆破,遇到巖石比較破碎松軟時(shí),用人工撬挖或挖掘機(jī)振動(dòng)錘破碎等方法。路塹兩側(cè)邊坡進(jìn)行預(yù)裂爆破,保證路塹邊坡坡面平整,坡度一致。爆體頂部采用重型主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)或炮被覆蓋,在既有鐵路方向一側(cè)采用移動(dòng)式簡(jiǎn)易防護(hù)排架等防止爆破飛石。

2.2 爆破參數(shù)

1)爆破順序和臺(tái)階布設(shè)。由大里程向小里程,由上至下逐層爆破開(kāi)挖,邊坡采用預(yù)裂爆破技術(shù),沿邊坡線按設(shè)計(jì)坡度斜向鉆孔,預(yù)先爆破開(kāi)一條裂縫面,然后再爆破主爆體。主爆體采用分層和小臺(tái)階爆破開(kāi)挖,每層2～3 m,每次爆破時(shí)起爆6～8排孔,側(cè)向主臨空面指向大里程,采用方形布置炮孔(見(jiàn)圖3),臺(tái)階爆破橫斷面如圖4所示。

圖3 炮孔布置(平面)Fig.3 Layout of blast holes(plan)

圖4 臺(tái)階爆破橫斷面Fig.4 Bench blasting cross-section

2)孔網(wǎng)參數(shù)及單孔裝藥量。采取縱向多排延時(shí)爆破方法,具體孔網(wǎng)參數(shù)及實(shí)際單孔裝藥量如表1所示。隔墻孔孔網(wǎng)參數(shù)及裝藥量根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際隔墻厚度及臨空面等因素適當(dāng)調(diào)整。

表1 淺孔爆破參數(shù)及單孔裝藥量Table 1 Short-hole blasting parameters and amount of charge per hole

根據(jù)淺孔爆破經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)情況,炸藥單耗取0.28 kg/m3,主爆體單孔裝藥量按公式Q=Kab H計(jì)算[5],其中K為炸藥單耗,kg/m3;a、b為炮孔間距和排距,m;H為臺(tái)階高度,m。

邊坡預(yù)裂孔裝藥量按公式Q=q線h計(jì)算[6],其中q線為線裝藥量,現(xiàn)場(chǎng)取q線=0.26 kg/m;h為孔深,m。主爆孔采用底部連續(xù)裝藥,填塞長(zhǎng)度1.0～1.3 m;預(yù)裂孔采用間隔裝藥,填塞長(zhǎng)度0.6～0.8 m。

2.3 起爆網(wǎng)路

按照邊坡孔先起爆,主爆區(qū)炮孔后起爆的起爆順序,主炮孔采用“逐排孔外毫秒延時(shí)起爆網(wǎng)路”方式(見(jiàn)圖5)。炮孔內(nèi)均用MS7段雷管。邊坡預(yù)裂孔及第1排孔采用MS1段毫秒雷管引爆;孔外排間用MS2段或MS3段毫秒雷管(延時(shí)25 ms或50 ms)逐排引爆,每次同時(shí)起爆5～8排炮孔,每排同段最多起爆6個(gè)炮孔,最大起爆藥量13.2 kg。

圖5 毫秒延時(shí)起爆網(wǎng)路Fig.5 Millsecond dealy initiation network

3 防護(hù)措施

臨近既有鐵路路塹爆破,首要考慮的問(wèn)題是如何控制爆破飛石危害。

3.1 爆破體覆蓋及移動(dòng)式排架防護(hù)

1)在爆破體上覆蓋膠皮炮被或布魯克網(wǎng)加土袋進(jìn)行防護(hù),且每一次爆破作業(yè)都要覆蓋炮被或布魯克網(wǎng)。當(dāng)網(wǎng)格在10 cm×10 cm以上時(shí),其內(nèi)側(cè)再增加柔性小規(guī)格鋼絲網(wǎng),土袋置于網(wǎng)上炮孔處(見(jiàn)圖6)。

圖6 覆蓋防護(hù)斷面Fig.6 Cover protection section

2)采用移動(dòng)式簡(jiǎn)易防護(hù)排架。用鋼管和柔性鋼絲網(wǎng)結(jié)合,加工成高5～6 m的排架,爆破時(shí)放置在較近的既有鐵路方向一側(cè),距爆區(qū)后排炮孔2.0 m的位置,作為第2道防線,防止爆破飛散物向鐵路方向飛出。

3.2 緊貼高邊坡柔性網(wǎng)加剛性排架組合防護(hù)

臨近既有鐵路兩側(cè)200 m安裝柵欄,左側(cè)坡面處設(shè)置柔性和剛性組合防護(hù),即坡面貼合式柔性網(wǎng)加雙層鋼管竹排架組合的防護(hù)措施。

1)貼合式柔性網(wǎng)。在坡面鉆孔安裝錨桿,從上向下鋪設(shè)主動(dòng)防護(hù)網(wǎng),先安裝縱橫方向的支撐繩,再安裝主網(wǎng),主網(wǎng)間搭接重疊寬度不小于5 cm,兩張網(wǎng)搭接以及網(wǎng)與支撐繩間用φ1.2 mm鐵絲按1 m間距進(jìn)行綁扎。

2)雙層鋼管竹排架。為防止石塊滾落、滑動(dòng)影響既有鐵路行車(chē)安全,路塹開(kāi)挖前,在既有鐵路高邊坡一側(cè)設(shè)雙層鋼管竹排架,對(duì)滾落、滑動(dòng)的石塊進(jìn)行攔截,作為最后一道防線,其兩側(cè)設(shè)置被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)。

鋼管竹排排架長(zhǎng)61.2 m,高31.17 m,由φ48 mm鋼管、φ22 mm錨桿、竹排等拼組而成。鋼管豎桿、橫桿間距1.5 m,交叉結(jié)點(diǎn)用錨桿(φ22 mm,長(zhǎng)3 m)錨固在邊坡巖體內(nèi),錨桿外露部分與排架鉸接,增加排架穩(wěn)定性,排架的頂部用鋼絲繩(φ12 mm)拉地錨固定。鋼管內(nèi)側(cè)綁扎竹排封閉,形成全封閉雙層鋼管竹排架防護(hù)體系。鋼管排架安設(shè)時(shí)頂部要超出原地面線2 m,隨著路塹開(kāi)挖高度的降低適時(shí)從上而下拆除(見(jiàn)圖7)。

圖7 坡面防護(hù)Fig.7 Slope protection

4 爆破安全校核及探討

由于本工程路塹開(kāi)挖臨近既有鐵路高邊坡,因此由鐵路部門(mén)和專(zhuān)家等對(duì)施工方案進(jìn)行評(píng)審和論證后,最終確定在距寶成線70 m范圍內(nèi)的路塹開(kāi)挖采用靜態(tài)破碎配合機(jī)械開(kāi)挖,70 m范圍外的路塹開(kāi)挖采用露天淺孔松動(dòng)控制爆破的方案。其目的是為了最大程度地降低爆破開(kāi)挖對(duì)既有寶成鐵路的安全影響。因此,為了對(duì)既有鐵路的保護(hù),進(jìn)行了爆破振動(dòng)與爆破飛石的驗(yàn)證。

4.1 爆破振動(dòng)效應(yīng)的安全距離驗(yàn)算

由于路塹爆破區(qū)域周邊有需要保護(hù)的民宅、鐵路、石油管道等,因此必須考慮路塹開(kāi)挖爆破振動(dòng)的危害效應(yīng),按照《爆破安全規(guī)程》(GB 6722-2014)[5]規(guī)定,采用薩道夫斯基爆破振動(dòng)速度公式:

式中:v為測(cè)點(diǎn)處的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度,cm/s;Q為裝藥量(齊發(fā)爆破時(shí)為總藥量,延時(shí)爆破時(shí)為單段最大裝藥量),kg;R為測(cè)點(diǎn)至爆破中心(藥包中心)的直線距離,m;K為與爆破場(chǎng)地條件有關(guān)的衰減系數(shù);α為與地質(zhì)條件有關(guān)的衰減指數(shù)。

根據(jù)爆破區(qū)域?yàn)橹械扔捕鹊纳皫r和村民住宅位于爆破區(qū)域東南方的情況,選取K=200,α=1.5。主爆區(qū)按排間順序延時(shí)起爆,同段最多起爆6個(gè)炮孔,其最大裝藥量為13.2 kg。將主爆破區(qū)與既有鐵路設(shè)定的最近距離,與民房、石油管道對(duì)應(yīng)的不同距離等分別代入式(1)計(jì)算,得到需要保護(hù)點(diǎn)的最大振動(dòng)速度值(見(jiàn)表2)。

表2 爆區(qū)不同距離對(duì)應(yīng)的爆破振動(dòng)速度Table 2 Blasting particle vibration velocity for different distance of blasting area

村民房屋、石油管道處的爆破振動(dòng)速度值均小于《爆破安全規(guī)程》[5]規(guī)定的安全值,經(jīng)綜合考慮確定的安全允許值為2.5、2 cm/s。對(duì)于既有鐵路爆破振動(dòng)速度值,規(guī)程未具體規(guī)定,加之淺孔爆破振動(dòng)的主頻率與鐵路運(yùn)行列車(chē)引起地面振動(dòng)的頻率[7](10～100 Hz)范圍基本一致,與重載列車(chē)通過(guò)時(shí)引起的地面振動(dòng)效應(yīng)相似,爆破振動(dòng)持續(xù)時(shí)間較短,因此綜合考慮,認(rèn)為振動(dòng)速度值取5 cm/s較為合適,其值以下不會(huì)對(duì)鐵路路基和設(shè)備、設(shè)施的安全造成影響。因而在爆區(qū)距既有鐵路最近距離至少為30 m時(shí),爆破振動(dòng)效應(yīng)對(duì)既有鐵路是安全的。由于同段裝藥量13.2 kg分別裝在長(zhǎng)度為8 m的6個(gè)炮孔內(nèi),其實(shí)際爆破地震波效應(yīng)比計(jì)算值要更小,因此路塹爆破不會(huì)對(duì)村民房屋、石油管道、既有鐵路等造成振動(dòng)危害。

4.2 爆破飛石最小安全距離驗(yàn)算

采用淺孔小臺(tái)階延時(shí)松動(dòng)爆破[6],按爆破飛石計(jì)算公式Rf=20Kfn2W計(jì)算,其中Rf為爆破飛石距離,m;Kf為與地形、風(fēng)力等有關(guān)的系數(shù)(無(wú)風(fēng)時(shí)1～1.5,有風(fēng)時(shí)1.5～2.0),本次爆破背向鐵路和民房,取小值Kf=1.2;n為爆破作用指數(shù),松動(dòng)爆破取n=0.7;W為抵抗線,取W=1.2 m。經(jīng)計(jì)算,在沒(méi)有炮被防護(hù)情況下Rf=14.11 m;在爆體上采用炮被及沙袋等防護(hù)措施時(shí),爆破飛石可控制在更小范圍內(nèi),因此爆破飛石最小的安全距離取Rf=14 m。保守認(rèn)為是距高邊坡防護(hù)排架的最小距離,由于邊坡頂部邊緣距既有鐵路邊線水平距離13.27 m,最小高差12.18 m,則爆破飛石最小安全距離為29.87 m,取30 m。由此判定爆區(qū)距既有鐵路最小距離為30 m時(shí),爆破飛石安全可控。

綜上所述,實(shí)際的路塹開(kāi)挖方案還有較大的優(yōu)化空間,理想爆破區(qū)邊界距既有鐵路的最小距離為30 m,爆區(qū)縱向長(zhǎng)度范圍還可擴(kuò)大40 m。采用優(yōu)化的爆破方案其石方量增加2.29萬(wàn)m3,靜態(tài)破碎配合機(jī)械開(kāi)挖的石方量相應(yīng)減少2.29萬(wàn)m3,工效上將會(huì)有極大的提高。按相關(guān)預(yù)算定額計(jì)算分析,優(yōu)化方案有望使施工成本節(jié)約500萬(wàn)元以上。

然而從爆破工程安全驗(yàn)算的結(jié)果來(lái)看,70 m的范圍界線并沒(méi)有什么理論依據(jù),只是現(xiàn)階段人們較普遍認(rèn)為爆破距離越近就越不安全,爆破距離遠(yuǎn)則相對(duì)安全。由此如何找距離最近和安全的平衡點(diǎn),或者說(shuō)進(jìn)行方案比選以求得爆破方案最優(yōu)化是應(yīng)加以深思和探討的。

基于本方案的施工環(huán)境,在爆破方式采用淺孔小臺(tái)階松動(dòng)控制爆破、爆破體進(jìn)行覆蓋防護(hù)及在既有鐵路高邊坡進(jìn)行組合式防護(hù)措施等均不變的條件下,路塹開(kāi)挖方案的優(yōu)劣即是采取淺孔臺(tái)階爆破的范圍大小差別,在安全的前提下,爆破范圍越大、爆破開(kāi)挖方量越大、距離既有鐵路越近,則認(rèn)為方案越優(yōu)。而爆破施工對(duì)既有鐵路的安全影響應(yīng)主要考慮爆破振動(dòng)、爆破飛石等的危害效應(yīng)。

5 結(jié)語(yǔ)

西成高鐵劍門(mén)關(guān)站深路塹石方爆破開(kāi)挖歷時(shí)4個(gè)月順利完工,施工中未出現(xiàn)安全事故,路塹邊坡順直平整,保證了臨近寶成鐵路的正常安全運(yùn)行。爆破施工的成功表明,在臨近既有鐵路進(jìn)行路塹石方開(kāi)挖時(shí),根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境、地形地質(zhì)條件,距既有鐵路遠(yuǎn)近不同,應(yīng)采用針對(duì)性的施工方案,區(qū)別不同開(kāi)挖方向,如橫向分區(qū)、縱向分臺(tái)階、豎向分層等。進(jìn)行合理的爆破參數(shù)設(shè)計(jì)和選擇,利用縱向隔墻分區(qū)、采用淺孔小臺(tái)階爆破、延時(shí)起爆網(wǎng)路等技術(shù),是確保施工效率和既有鐵路運(yùn)營(yíng)安全的基礎(chǔ)。

采用安全防護(hù)措施是臨近既有鐵路高邊坡路塹開(kāi)挖爆破施工安全管理的重點(diǎn)。施工時(shí)除建立爆破安全組織機(jī)構(gòu),配備相應(yīng)的安全防護(hù)人員,在既有鐵路外設(shè)置24小時(shí)人員值班防守外,還應(yīng)采取在爆破體上覆蓋、高邊坡處設(shè)置柔性網(wǎng)加鋼排架等組合式防護(hù)措施,每一次爆破均應(yīng)在列車(chē)通過(guò)的間隙進(jìn)行,并且在有效的安全監(jiān)管和現(xiàn)場(chǎng)指揮下進(jìn)行鉆孔、裝藥、填塞、聯(lián)線、覆蓋、警戒和起爆,繼而巡查、排險(xiǎn)、解除警戒,這些均是路塹開(kāi)挖爆破施工中保證既有鐵路安全運(yùn)行的有效手段。

臨近既有鐵路路塹爆破施工方式多樣,地形、地質(zhì)、環(huán)境等條件各異,具體施工方案的提出和確定,需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況,鐵路營(yíng)業(yè)線施工安全管理的有關(guān)規(guī)定[3-4]等不斷比較和完善,文中闡述的爆破開(kāi)挖方案仍有進(jìn)一步優(yōu)化的空間,供同行在類(lèi)似工程實(shí)踐、安全管理等方面予以借鑒和參考。