巖質(zhì)邊坡爆破開挖施工方法優(yōu)化研究

閆紅強(qiáng)

（中鐵十六局集團(tuán)第四工程有限公司 北京 101400）

1 引言

爆破是現(xiàn)代巖質(zhì)邊坡工程開挖最主要的施工方法之一，但爆破開挖必然會(huì)對(duì)邊坡保留巖體產(chǎn)生不利影響，如對(duì)巖質(zhì)邊坡設(shè)計(jì)坡面和平臺(tái)巖體造成較大的損傷，將會(huì)導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)。根據(jù)相關(guān)規(guī)范，在爆破開挖將到達(dá)巖質(zhì)邊坡設(shè)計(jì)坡面和平臺(tái)時(shí)，需要嚴(yán)格控制爆破作業(yè)參數(shù)，避免對(duì)巖質(zhì)邊坡設(shè)計(jì)坡面和平臺(tái)巖體造成較大損傷，從而影響巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性。魏星［1］等結(jié)合40 m高邊坡，通過試驗(yàn)得出預(yù)裂控制爆破可有效減小邊坡巖體振動(dòng)損壞的結(jié)論。吳燕開［2］等采用數(shù)值模擬，分析總結(jié)了爆破作用下巖質(zhì)高邊坡的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)衰減規(guī)律和位移規(guī)律。

本文結(jié)合關(guān)花大道巖質(zhì)高邊坡爆破開挖，建立有限元模型，分析不同深孔爆破方式下開挖臺(tái)階的穩(wěn)定性，并確定出相關(guān)施工參數(shù)。

2 工程概況

（1）設(shè)計(jì)情況

安順關(guān)花大道道路工程設(shè)計(jì)等級(jí)為城市主干路，設(shè)計(jì)速度60 km／h。一標(biāo)段起點(diǎn)樁號(hào)為K0＋015.902，終點(diǎn)樁號(hào)為K15＋300，主線長(zhǎng)度15.284 km。根據(jù)規(guī)劃及兩側(cè)用地條件，道路全線共設(shè)22 m、25 m及40 m三種寬度橫斷面。K6＋320～K6＋780段最大開挖深度59 m，共設(shè)四級(jí)平臺(tái)，挖方邊坡以10 m為一級(jí)邊坡進(jìn)行放坡，第一級(jí)及第二級(jí)邊坡坡率為1∶1，三級(jí)邊坡坡率為1∶1.25，第四級(jí)及以上邊坡坡率為1∶1.5，兩級(jí)邊坡之間設(shè)2 m寬平臺(tái)。

（2）工程地質(zhì)

沿線褶皺和斷層發(fā)育，受其切割強(qiáng)烈，溝谷、岸坡分布有較多崩坡積碎石土。

3 巖質(zhì)邊坡爆破開挖

3.1 開挖方法

巖質(zhì)邊坡周邊環(huán)境簡(jiǎn)單，地質(zhì)條件相對(duì)較好，適于采用爆破開挖。露天邊坡爆破開挖方式包括深孔爆破和淺孔爆破兩大類。深孔爆破一般指鉆孔直徑＞75 mm、孔深＞5 m的炮孔爆破技術(shù)；淺孔爆破俗稱“淺眼爆破”或者“露天淺孔爆破”，一般指炮孔直徑≤50 mm、深度≤5 m的爆破作業(yè)。

在實(shí)際爆破施工中，深孔爆破和淺孔爆破各有優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)。深孔爆破適合大方量、爆破環(huán)境好時(shí)的爆破開挖施工；淺孔爆破適用方量較小、爆破環(huán)境不好（如周邊有建筑物，對(duì)爆破振動(dòng)、爆破拋石距離等有要求）時(shí)的邊坡、基坑、巷道等爆破施工。本工程邊坡開挖施工擬選用深孔爆破開挖。

深孔爆破作業(yè)，根據(jù)鉆孔形式不同可分為垂直鉆孔和傾斜鉆孔兩種形式。傾斜鉆孔在爆破效果方面較垂直鉆孔有較多優(yōu)點(diǎn)，但在鉆鑿過程中操作比較復(fù)雜，在相同臺(tái)階高度情況下傾斜鉆孔比垂直鉆孔要長(zhǎng)，而且裝藥時(shí)易堵孔，給裝藥工作帶來一定困難。所以實(shí)際工程中，垂直鉆孔的應(yīng)用較傾斜鉆孔要廣泛得多［3－4］。

由于擬開挖邊坡鄰近省道，在爆破時(shí)不宜產(chǎn)生過多飛石，并綜合考慮邊坡圍巖情況確定最終采用深孔爆破方式。

3.2 深孔爆破技術(shù)分析

根據(jù)永久邊坡設(shè)計(jì)情況，深孔爆破采用高度為10 m一個(gè)平臺(tái)進(jìn)行爆破開挖，通過分析豎直深孔爆破和斜孔深孔爆破開挖邊坡穩(wěn)定性選取合理的開挖形式，在此基礎(chǔ)上確定深孔爆破施工參數(shù)。

（1）巖體力學(xué)參數(shù)確定

邊坡巖體強(qiáng)度參數(shù)的確定包括巖體地質(zhì)力學(xué)分類法（RMR體系）和地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)（GSI）法，本文采用 RMR 法［5－7］。

根據(jù)設(shè)計(jì)方提供的地質(zhì)資料，該邊坡表層為第四系松散堆積層，覆蓋于坡體表面，覆蓋層厚度為0.2～1 m。區(qū)內(nèi)地層巖性以碳酸鹽巖系為主，巖性主要為灰?guī)r，以強(qiáng)風(fēng)化為主。根據(jù)勘探設(shè)計(jì)方提供的資料，結(jié)合附近區(qū)域爆破后現(xiàn)場(chǎng)巖體露頭，將強(qiáng)風(fēng)化巖體分為兩類，采用RMR法估算爆破后巖體的參數(shù)。根據(jù)RMR方法得出現(xiàn)場(chǎng)兩類巖體RMR評(píng)分，如表1所示。

表1 各巖層RMR分值

通過RMR評(píng)分值，得到各個(gè)巖層的總分值，如表2所示。

表2 各巖層RMR總評(píng)分值

根據(jù) RMR法結(jié)合 Mohr-Coulomb強(qiáng)度理論、Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則進(jìn)行計(jì)算，并考慮爆破修正，確定出巖體的抗剪強(qiáng)度參數(shù)，如表3所示。

表3 各巖層抗剪強(qiáng)度

（2）爆破開挖臺(tái)階穩(wěn)定性

根據(jù)邊坡穩(wěn)定性規(guī)律，考慮到最不利情況，選取最下面兩層爆破開挖平臺(tái)為對(duì)象，分析爆破后平臺(tái)的安全性。采用3種工況，爆破后平臺(tái)邊坡坡率分別為 1∶0（豎直深孔爆破）、1∶0.25 和 1∶0.5。假設(shè)爆破平臺(tái)坡率與深孔爆破孔的斜率一致，則平臺(tái)邊坡坡率為 1∶0、1∶0.25和1∶0.5分別代表豎直深孔爆破、76°斜孔深孔爆破和63°斜孔深孔爆破。爆破開挖過程中平臺(tái)高度及寬度均為10 m。為了反映平臺(tái)在施工期間的穩(wěn)定性，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，在平臺(tái)上施加100 kPa均布載荷以代表平臺(tái)上的施工載荷。為保守起見，平臺(tái)范圍內(nèi)材料參數(shù)采用表1～表3提供的巖體強(qiáng)風(fēng)化I參數(shù)，從而得出不同深孔爆破方式下平臺(tái)穩(wěn)定性模型，如圖1～圖2所示。

圖1 爆破后平臺(tái)穩(wěn)定性分析模型（1∶0.25）

圖2 爆破后平臺(tái)穩(wěn)定分析有限元模型

根據(jù)表1～表3得出的爆破后巖體強(qiáng)度參數(shù)，采用有限元強(qiáng)度折減法進(jìn)行計(jì)算［8－9］，得出各種平臺(tái)下典型破壞形態(tài)，如圖3所示。

從圖1～圖3可以得出，深孔爆破后邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)隨斜孔角度變化規(guī)律如圖4所示。

圖3 不同深孔爆破方式下平臺(tái)穩(wěn)定性分析結(jié)果

圖4 深孔爆破方式平臺(tái)穩(wěn)定安全系數(shù)與斜孔角度變化關(guān)系

從圖4可以看出，該工程在深孔爆破開挖時(shí)，平臺(tái)坡率越大，平臺(tái)穩(wěn)定性越好，這符合一般規(guī)律。從計(jì)算結(jié)果看，采用豎直深孔爆破開挖，在考慮施工載荷作用下，一次起爆開挖10 m高度后，形成的爆破平臺(tái)安全系數(shù)為1.37，滿足安全要求。所以在本工程中采用豎直深孔爆破、一次開挖10 m滿足安全要求。

同時(shí)，從計(jì)算結(jié)果可以看出，當(dāng)兩個(gè)平臺(tái)之間預(yù)留寬度超過10 m時(shí)，可以考慮兩個(gè)臺(tái)階同時(shí)開挖，同樣滿足安全要求。所以在工期緊張時(shí)，可以考慮增加開挖工作面，但為了安全起見，兩個(gè)平臺(tái)之間要預(yù)留足夠的寬度。

3.3 強(qiáng)風(fēng)化灰?guī)r深孔爆破參數(shù)確定

根據(jù)以上分析結(jié)果，設(shè)計(jì)主體采用深孔臺(tái)階爆破，臺(tái)階形成前剝離及爆后零星孤石用淺眼爆破處理［10－12］。深孔爆破方案為：采用豎直深孔臺(tái)階爆破，臺(tái)階高度約為10 m，鉆孔直徑為90 mm。

（1）裝藥量一般按單位體積控制，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)巖石硬度情況，宜選用的裝藥量為0.2～0.45 kg／m3，最終藥用參數(shù)經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試爆后確定。

（2）填塞長(zhǎng)度：L2＝W1＝2.0～4.5 m。

（3）最小抵抗線：底盤最小抵抗線 Wd＝3～4.5 m。

（4）炮眼間距 a和行距 b：a＝3～5.5 m；b＝3～4.5 m（根據(jù)爆破后的塊度進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整）。

（5）炮眼深度：L＝Ht＋（0.15 ～0.35）Wd（根據(jù)爆破后留根底情況進(jìn)行調(diào)整）。

（6）單孔藥量計(jì)算（最大）：Q ＝q×a×b×H ＝0.3×3.5×3×10＝31.5 kg。

3.4 爆破施工

（1）采用分集間斷柱裝藥，可以使巖石破碎塊度更加均勻，炮孔除裝藥段和孔口保留段，必須滿堵以保證堵塞質(zhì)量。

（2）深孔控制爆破堵塞采用鉆孔渣回填，回填至孔口段時(shí)，采用軟粘泥封口，并用竹桿搗實(shí)，防止孔口段注水時(shí)漏水。孔口段必須保留50 cm深的空孔段，采取環(huán)保注水回填，以起到爆破防塵降噪作用。

（3）深孔爆破起爆網(wǎng)絡(luò)采用塑料導(dǎo)爆管接力復(fù)式網(wǎng)絡(luò)，先傳后爆：主爆孔從爆破作業(yè)面一端向另一端逐個(gè)炮孔起爆，每排復(fù)始。為保障控制爆破效果，采用微差爆破技術(shù)。

4 結(jié)束語

安順關(guān)花大道道路工程采用RMR方法確定爆破后巖體強(qiáng)度參數(shù)，基于有限元強(qiáng)度折減法分析了不同深孔爆破方式下開挖臺(tái)階的穩(wěn)定性，對(duì)爆破施工參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，減小了爆破對(duì)設(shè)計(jì)邊坡巖體的破壞和損傷程度，降低了施工風(fēng)險(xiǎn)，減少了人工刷坡工作量，共節(jié)約工期45 d，節(jié)約成本112.5萬元。

（1）采用豎直深孔爆破，一次爆破臺(tái)階高為10 m所形成的邊坡滿足穩(wěn)定和施工要求。

（2）深孔爆破過程，若工期較緊張，可以采用上、下兩個(gè)平臺(tái)同時(shí)開挖，但建議平臺(tái)預(yù)留安全寬度不小于10 m。