淺談高速鐵路高邊坡石方爆破設計

莫雪林

摘要：對鐵路高邊坡石方路塹爆破開挖提出了詳細的爆破設計，可為今后類似爆破施工提供借鑒。

關鍵詞：路塹 高邊坡 石方 爆破 設計

中圖分類號：S611文獻標識碼： A

一、工程概況及爆區(qū)周圍環(huán)境

工程位于新建貴陽至廣州鐵路GGTJ-6標段姜架山二號隧道進口，里程為DK383+607.87～DK383+660，其中DK383+607.87～DK383+641段為路基部分，DK383+641～DK383+660段為隧道部分，巖石為泥盆系下統(tǒng)蓮花山組砂巖夾頁巖。巖石呈紫紅、淺灰、灰褐色，中至厚層狀，泥質(zhì)、鈣質(zhì)膠結，粉細砂結構，部分具交錯層理。碎屑由石英組成，含部分硅質(zhì)巖、頁巖巖屑及微量長石，呈渾圓～次棱角狀，頁巖為灰綠、黃色、薄層狀、層理較清晰，底部為礫巖，節(jié)理裂隙較發(fā)育。

工程最大爆破開挖深度56m，爆破方量約5.6萬m3，路基設計邊坡坡度為1:0.75和1:1，隧道設計仰坡坡度為1:0.5。

爆區(qū)周圍環(huán)境復雜，主爆區(qū)離姜架山二號隧道現(xiàn)出洞口最近距離18m，離姜架山一號隧道出口約150m，離木洞大橋2#墩約70m。同時在爆區(qū)右側約120m處有一道為姜架山一號隧道提供施工用電高壓線路（現(xiàn)已斷電），爆破時要保證爆區(qū)周圍構筑物的安全。爆區(qū)周圍環(huán)境見圖1：

二、爆破方案選擇

根據(jù)爆區(qū)的設計資料、周邊環(huán)境、工程性質(zhì)和石方爆破工程量，確定采用深孔臺階爆破為主、淺孔爆破為輔的施工方案；為控制爆破對路塹高邊坡穩(wěn)定性的影響，臨近設計邊坡，采用緩沖爆破技術，邊坡采用光面爆破，通過控制孔網(wǎng)參數(shù)和單孔裝藥量，最大限度地減緩主炮孔爆破對路塹邊坡和隧道仰坡的直接破壞。

三、主爆區(qū)深孔爆破參數(shù)選擇

1、炮孔直徑D

采用潛孔鉆鉆孔，炮孔直徑φ = 90 mm。

2、臺階高度H

根據(jù)爆區(qū)地形和爆區(qū)周圍環(huán)境，取H=12m

3、超深h

超深h是指鉆孔超出臺階高度的那一段孔深，其作用是克服底盤巖石的夾制作用，使爆破后不留根底，可以按孔徑的8～12倍來確定超深值，本次設計取h=1.0m。

4、鉆孔形式

對于露天臺階爆破，鉆孔形式有垂直鉆孔和傾斜鉆孔，根據(jù)現(xiàn)場實際情況，參考類似工程設計為傾斜鉆孔，鉆孔傾角為75度，臺階要素及鉆孔形式如圖2所示：

5、鉆孔深度

L=H/sinα+h=12/sin75o+1=13.5m

6、孔距和排距

孔距a是指同排的相鄰兩個炮孔中心線間的距離；排距b是指多排孔爆破時，相鄰兩排炮孔間的距離，根據(jù)經(jīng)驗取a=3m，b=3m。

7、布孔方式

采用梅花形布置，每次布2～3排，炮孔布置如圖3所示：

8、炸藥品種的選擇

根據(jù)當?shù)氐臍庀髼l件，選取藥卷直徑為75mm的乳化炸藥。

9、單位耗藥量

在深孔爆破中，單位耗藥量q值一般根據(jù)巖石的堅固性，炸藥種類，施工技術和自由面數(shù)量等因素綜合確定，參考相關工程取q=0.4kg/m3。

10、單孔裝藥量

對于傾斜鉆孔，第一排炮孔的單孔裝藥量按下式計算：

Q1=qabH=0.4*3*3*12=43kg

當采用乳化炸藥時，應乘以一個換算系數(shù)，參考相關工程，取e=1.15，故單孔裝藥量調(diào)整Q11=1.15*43=49.5kg，為了現(xiàn)場容易操作，第一排單孔裝藥量調(diào)整為Q1=50kg。

從第二排起，各排孔的裝藥量按下式計算：

Q2=KqabH

式中K為考慮到受前面各排孔的巖碴阻力作用的裝藥量增加系數(shù)，一般取1.1～1.2,本次K取1.2。

當采用乳化炸藥時，Q2=60kg。

11、堵塞長度

堵塞長度與最小抵抗線、鉆孔直徑和爆區(qū)環(huán)境有關，當不允許有飛石時，堵塞長度取鉆孔直徑的30～35倍。經(jīng)計算，取最小堵塞L2min=3m。

12、裝藥結構

裝藥結構是影響爆破效果的主要因素之一，深孔爆破采用的裝藥結構主要有連續(xù)裝藥結構和間隔裝藥結構。本次工程爆破采用的炮孔直徑D=90mm，炸藥采用75mm直徑的乳化炸藥，其延米裝藥量約6.5kg/m，根據(jù)前面計算，第一排炮孔的單孔裝藥量為50kg，第二排及以后炮孔的單孔裝藥量為60kg，其裝藥長度分別為7.7m和9.2m。若采用連續(xù)裝藥，其堵塞長度分別為5.8m和4.3m，對第一排炮孔來說，堵塞長度過大，爆破效果不好，上面的大塊率較多，本次設計采用分段裝藥，先在底部裝4.5m乳化炸藥，中間回填2.5m巖碴，再裝3.2m乳化炸藥，最后堵塞3.3m。裝藥結構如圖4所示：

13、起爆網(wǎng)絡

采用毫秒延期非電導爆管起爆網(wǎng)絡，孔外采用四通進行復式連接，最后采用電雷管激發(fā)導爆管，高能起爆器起爆。

四、邊坡的光面爆破參數(shù)設計

為了保證爆破后邊坡的穩(wěn)定性，減少爆破對被保護巖體的破壞，邊坡采用光面爆破。影響光面爆破參數(shù)選擇的因素很多，參數(shù)的選擇很難用一個公式來完全表達。本次爆破設計在全面考慮各種影響因素的前提下，以理論計算為依據(jù)，以工程類比作參考來進行設計。

1、不耦合系數(shù)

合理的不耦合系數(shù)應使炮孔壓力低于孔壁巖石的動抗壓強度而高于動抗拉強度，一般取1.5～3.0。本次爆破設計鉆孔直徑D=90mm，藥卷直徑為32mm，不耦合系數(shù)為2.8。

2、炮孔直徑

炮孔直徑取D=90mm。

3、光面炮孔間距a

炮孔間距一般為炮孔直徑的10～14倍。在節(jié)理裂隙比較發(fā)育的巖石中應取小值，整體性好的巖石可取大值。本次設計取a=1.0m。

4、光爆層厚度

光爆層厚度是指周邊眼至相鄰輔助孔間的距離，一般應大于光面孔的間距，在爆破中，為了使保留區(qū)巖壁光滑而不致破壞，光爆層厚度不宜過大，通常取w=1～3m，本次爆破設計取w=1.2m。

5、單位裝藥量

單位裝藥量又叫線裝藥密度和裝藥集中度，指單位長度孔眼中裝藥量的多少。為了控制裂縫的發(fā)展，保持新壁面的完整穩(wěn)固，在保證沿孔眼連線破裂的前提下，應盡可能減少裝藥量。本次光面爆破采用φ32mm的乳化炸藥，每卷藥卷質(zhì)量為200g。參考相關工程，取單位裝藥量q=0.2kg/m（實際爆破時應根據(jù)現(xiàn)場爆破效果進行調(diào)整）。

6、起爆間隔時間

在光面爆破中，齊發(fā)起爆的裂縫表面最平整，毫秒延時起爆次之，齊發(fā)起爆時，孔眼貫通裂縫較長，可抑制其他方向裂縫的發(fā)展，有利于減少孔眼周圍裂縫的產(chǎn)生和形成平整的壁面。在實施光面爆破時，時間間隔越短，壁面平整的效果越有保證。

7、光面爆破的鉆孔深度

光面爆破應沿邊坡線進行鉆孔，鉆孔深度按邊坡設計的邊坡角和臺階高度選取。

8、堵塞長度

良好的堵塞不但能充分利用炸藥的爆炸能量，而且能減少爆破有害效應的產(chǎn)生。堵塞長度與炮孔直徑有關，通常取炮孔直徑的12～20倍。本次設計取L=1.5m。

9、裝藥結構

為了盡量實現(xiàn)炮孔的線性裝藥，采用φ32mm的乳化炸藥，每卷藥卷質(zhì)量200g，按設計的單位裝藥量將藥卷用膠布捆綁在導爆索上，同時在炮孔的底部進行加強裝藥，炮孔用黃土堵塞。裝藥結構如圖5所示：

五、爆破網(wǎng)路設計

本次爆破設計采用毫秒延期非電導爆管起爆網(wǎng)路，為了保證周圍構筑物在爆破時不受破壞，需控制最大一段允許裝藥量。

1、最大一段允許裝藥量的計算

最大一段允許裝藥量按下式計算：

Qmax=R3（V/K）3/α

式中：Qmax—最大一段允許裝藥量（kg）；

R—爆破中心距被保護物的距離（m）；

V—保護對象所在地質(zhì)點的振動安全允許速度（cm/s）；

K，α—與爆破點至計算保護對象間的地形、地質(zhì)條件有關的系數(shù)和衰減系數(shù)，可查表確定。

根據(jù)現(xiàn)場實際情況，主爆區(qū)爆破時距離姜架山二號隧道最小距離為18m。交通隧道的安全允許振速為V=10～20cm/s，為安全起見，取V=10cm/s，參考相關工程，取K=150，α=1.8。則最大一段允許裝藥量Qmax=64kg，可以實現(xiàn)逐孔起爆。為了加快施工進度，當爆區(qū)離姜架山二號隧道較遠時，可以調(diào)整最大一段允許裝藥量，其參數(shù)見下表1所示：

表1 不同距離下的最大一段允許裝藥量

爆區(qū)至姜架山二號隧道的距離（m） 最大一段允許裝藥量

（kg）

18 64

20 88

25 172

30 297

35 472

40 704

2、起爆網(wǎng)路設計

當離姜架山二號隧道較近時，為保證隧道的安全，需進行逐孔微差起爆，孔內(nèi)裝17段毫秒延期導爆管雷管（延期時間為1200ms），孔外接3段毫秒延期導爆管雷管，延期時間50ms，最后用電雷管激發(fā)導爆管，高能起爆器起爆。爆破網(wǎng)路如圖6所示：

當爆區(qū)離隧道較遠時，可增加每段起爆的炮孔數(shù)目，條件允許時可以采用排間微差起爆。

六、爆破效果

經(jīng)統(tǒng)計，本次施工總共使用炸藥量為25.335噸，開挖方量約56300立方米，單位耗藥量為0.46kg/m3。經(jīng)檢測開挖坡面平整，局部凹凸差不大于15cm；開挖面穩(wěn)定無隱患，邊坡防護封閉無變形、開裂；通過檢測開挖坡度邊坡點位置、平臺位置及平臺寬度的偏差值都滿足《高速鐵路路基驗收標準》的要求。

七、結束語

由于受地形復雜、地勢陡峭等因素、等經(jīng)過將近四個月的爆破施工，在保證安全、質(zhì)量的前提下順利完成該路塹刷坡施工，施工效果很好。通過本次爆破設計及施工有以下幾點注意事項總結如下：

1、設計人員或?qū)徍巳藛T必須到現(xiàn)場指導施工，爆破前認真檢查爆破孔網(wǎng)參數(shù)（孔深、孔距、排距、最小抵抗線、傾角等）是否符合設計要求，如未達到要求應及時進行處理。裝藥時，應認真復核裝藥量、堵塞長度、堵塞質(zhì)量及安全防護措施的落實。爆破后認真檢查，發(fā)現(xiàn)盲炮及時處理，并認真填寫盲炮處理登記卡。

2、嚴格控制最小抵抗線大小，一般最小抵抗線取鉆孔直徑的30 倍; 改變最小抵抗線方向，使最小抵抗線方向避開被保護建( 構) 筑物。

3、建立信息反饋制度，做到每次爆破進行爆破地震監(jiān)測，不斷優(yōu)化爆破參數(shù)，通過試驗選取適當?shù)膯挝缓乃幜俊?/p>

4、認真做好安全警戒工作，起爆前，所有無關人員及機械施工設備等必須撤離安全警戒線以外，爆破要有明確的視、聽信號；在爆破時，負責警戒的人員必須提前20min到達各自的警戒點，保證通訊工具狀態(tài)正常，隨時聽從全面負責人的指揮，出現(xiàn)異常情況立即向負責人報告。