復(fù)雜山體削坡爆破控制飛石方向的工程實(shí)踐*

樊永強(qiáng)，馬俊斌，焦衛(wèi)寧，閆高文，拜曉亮

(中交第二公路工程局有限公司，西安 710065)

爆破是公路、水利、礦山、隧道等工程的重要施工方法，具有效率高、成本低的優(yōu)點(diǎn)。但是爆破本身也會(huì)產(chǎn)生一定的危害，如爆破振動(dòng)、爆破飛石、粉塵、噪聲、沖擊波等，會(huì)對(duì)周邊環(huán)境和人員造成負(fù)面影響，在爆破作業(yè)時(shí)需要加強(qiáng)控制和降低這些危害。對(duì)于靠近村莊或工廠(chǎng)附近的路塹山體爆破開(kāi)挖工程，特別需要控制爆破飛石以及爆破振動(dòng)的影響。從爆破技術(shù)和防護(hù)等方面對(duì)控制爆破振動(dòng)、爆破飛石及爆破沖擊波進(jìn)行爆破方案的設(shè)計(jì)和優(yōu)化[1]，高邊坡的削坡爆破施工，為改善爆破效果以及控制爆破有害效應(yīng)，相關(guān)的學(xué)者和技術(shù)人員做了大量的探索和實(shí)踐，如采取預(yù)裂爆破、調(diào)整爆破自由面方向、逐孔起爆技術(shù)、提高鉆孔精度等[2-8]，也有采取在炮孔上覆蓋防護(hù)、清理松動(dòng)石塊、采用柔性網(wǎng)加鋼排架的組合式防護(hù)等[9,10]，這些措施都能在一定程度上降低爆破有害效應(yīng)。爆破工程的方案設(shè)計(jì)需要結(jié)合施工環(huán)境、工期、施工對(duì)象等多種因素考慮，并在實(shí)際的施工中不斷改進(jìn)和優(yōu)化，才能總結(jié)出最合適的爆破方案。

1 工程概況

中交第二公路工程局有限公司在湖北恩施承接了209國(guó)道恩施龍鳳壩至譚家壩段改擴(kuò)建工程任務(wù)，其中K18+830～K19+380段設(shè)計(jì)石方開(kāi)挖量為24.1萬(wàn)m3，邊坡高度最高處約48.2 m，設(shè)置為六級(jí)邊坡，1～4級(jí)臺(tái)階10 m，坡率1∶0.50，5級(jí)及以上臺(tái)階根據(jù)具體地形高度6～8 m不等，坡率1∶0.75～1∶1.00。中樁右側(cè)最大開(kāi)挖寬度水平投影長(zhǎng)度58 m。該路段地形復(fù)雜、山高坡陡，原有公路寬約9 m，從山腳向上沿山腰修建，中樁左側(cè)有大量廠(chǎng)房和民宅，最近的民房不足10 m，爆破環(huán)境十分復(fù)雜。這條公路要往山體里拓展加寬，擴(kuò)建后寬度約為36 m，故需進(jìn)行大量的山體削坡爆破工程。爆區(qū)環(huán)境見(jiàn)圖1、圖2所示。

圖1 爆區(qū)環(huán)境示意圖Fig. 1 Surrounding environment of blasting area

圖2 爆區(qū)環(huán)境剖面示意簡(jiǎn)圖Fig. 2 Schematic diagram of the blasting area profile

該地段山體主要為喀斯特地貌的石灰?guī)r，地表層巖體崎嶇不平、孤石溶洞很多。在喀斯特地區(qū)開(kāi)展爆破施工時(shí)會(huì)因?yàn)槿芏吹拇嬖诙a(chǎn)生較大的不確定性，使爆破施工的效果難以提升[11]。起初采用普通露天深孔爆破方法進(jìn)行削坡爆破，爆破參數(shù)和孔網(wǎng)布置主要以破巖為目的，采用松動(dòng)爆破、自由面即為山體坡面、各孔由外及里順序起爆的技術(shù)路線(xiàn)。在實(shí)際操作中，雖然采用以減小藥量的松動(dòng)爆破來(lái)控制飛石，但由于石灰?guī)r的特質(zhì)決定了表層巖體溝壑溶洞叢生，表面又多被浮土覆蓋，使得坡面邊緣孔的設(shè)計(jì)抵抗線(xiàn)和實(shí)際的抵抗線(xiàn)間存在很大差異，致使爆破飛石極難控制，爆破多次造成山腳下的廠(chǎng)房、民宅受到飛石的侵?jǐn)_(如圖3)，引發(fā)投訴和公司的大量賠付，嚴(yán)重延誤了工期。加之部分民房幾乎緊靠原有公路，與爆破山體邊坡最近水平距離不足50 m，且位于爆破山體下方，更易被飛石擊中，爆破難度極大。為此，必須解決這種陡幫削坡爆破的飛石危害問(wèn)題，同時(shí)這類(lèi)問(wèn)題在公路和鐵路路基開(kāi)挖的山體爆破中也較為常見(jiàn)。

圖3 坡底民宅屋頂被爆破飛石擊中Fig. 3 The roof of a house was hit by a flying stone by blasting

2 飛石產(chǎn)生原因與對(duì)策分析

在最初的方案設(shè)計(jì)中也提出爆破抵抗線(xiàn)方向應(yīng)平行山體坡面，但由于在削坡巖體上部的爆破工作面很窄，只能布1、2排孔，從有利破巖和操作方便方面，實(shí)際作業(yè)中采取了順著山體成排布孔，由外向里順序逐排爆破方式。正是這種操作，即使采用了松動(dòng)爆破方法，減小了用藥量，但由于坡面本身的凸凹不平，巖層又多被表層松土所覆蓋，肉眼無(wú)法看到山體的實(shí)際情況，因此依地表情況計(jì)量坡面邊緣孔負(fù)擔(dān)的破巖體積十分困難、難以準(zhǔn)確，尤其在坡面凹進(jìn)去的部位，其實(shí)際巖層厚度可能遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)估值，這就使得爆破的實(shí)際最小抵抗線(xiàn)遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)的估計(jì)取值，也就造成該部位的炸藥單耗遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)單耗，形成強(qiáng)拋擲爆破效果，則極易在該部位形成大的爆破飛石。

由于石灰?guī)r的特質(zhì)決定了其地表一定厚度巖層的凸凹不平和有表層浮土覆蓋，人工無(wú)法確定和判斷巖體的實(shí)際邊界，因此實(shí)際操作中爆破飛石極難控制。為此，正是這種巖性的表層爆破即使采用松動(dòng)爆破也可能出現(xiàn)較大爆破飛石的現(xiàn)實(shí)，采取按松動(dòng)爆破設(shè)計(jì)藥量、定向拋擲為預(yù)防的孔網(wǎng)布置，引導(dǎo)可能出現(xiàn)的爆破飛石向指定方向拋出，更易滿(mǎn)足爆破安全要求。此時(shí)，只要飛石拋出方向避開(kāi)了保護(hù)目標(biāo)，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)爆破飛石的安全控制，避免或減小削坡爆破對(duì)山下廠(chǎng)房和民宅的危害。本工程沿山體延伸方向，即原公路的延伸方向均為施工場(chǎng)地，沒(méi)有保護(hù)目標(biāo)物，因此該方向能安全容納有較大爆破飛石的產(chǎn)生。這樣就將爆破中可能產(chǎn)生飛石引向該方向，只要其朝平行山體坡面方向飛行，就不會(huì)對(duì)山下廠(chǎng)房和民宅造成危害。

要控制爆破飛石方向應(yīng)遵循最小抵抗線(xiàn)原理、多向爆破作用控制原理和群藥包共同作用原理來(lái)進(jìn)行爆破設(shè)計(jì)，這些原理的核心思想：最小抵抗線(xiàn)方向是爆破破碎、拋擲和堆積的主導(dǎo)方向；在多自由面爆破時(shí)，最小抵抗線(xiàn)方向是爆破破碎、拋擲、堆積的主導(dǎo)方向；同時(shí)起爆的兩個(gè)以上相鄰的且能產(chǎn)生共同作用的藥包，其拋擲和堆積主要是沿藥包聯(lián)合作用所決定的方向拋出，即與炮孔連心線(xiàn)垂直方向是爆破聯(lián)合作用方向、是巖石拋出的主方向。為此，本次爆破要將爆破飛石方向引向山體延伸方向，即與山體坡面平行方向，首先應(yīng)在待爆巖體側(cè)面開(kāi)出一個(gè)自由面(可采用淺孔爆破方法先予形成，且側(cè)向自由面的高度要大于一個(gè)深孔爆破分層的高度)，使待爆巖體是處于兩個(gè)自由面狀態(tài)，且在側(cè)向有一個(gè)相對(duì)整齊的邊界，即使只能單排布孔也須如此。其次，布孔要確保爆破的最小抵抗線(xiàn)方向是指向側(cè)向自由面的，即山體橫向孔間距要明顯大于縱向的排間距，即使是單孔也要明顯使距側(cè)向自由面距離小于坡面自由面距離，以引導(dǎo)爆破拋擲指向側(cè)面、與坡面平行方向。同時(shí)，為減小飛石的飛行距離，采取小孔網(wǎng)參數(shù)、大間隔延時(shí)的逐孔起爆，這樣一方面避免了炮孔間的共同作用，又使得即使出現(xiàn)巖體嚴(yán)重內(nèi)凹，炮孔裝藥中心距坡面的實(shí)際巖層厚度相對(duì)側(cè)面自由面距離可能更小，但這種差異不會(huì)特別懸殊，此時(shí)雖然爆破體處于多自由面狀態(tài)，這種不特別懸殊側(cè)面自由面會(huì)削弱爆破飛石向坡面方向、相對(duì)抵抗線(xiàn)更小方向的拋出。此外，整體采用小炸藥單耗的松動(dòng)爆破、長(zhǎng)填塞(填塞長(zhǎng)度要達(dá)到該孔最小抵抗線(xiàn)的1.1倍以上)、逐孔預(yù)判最小抵抗線(xiàn)方向、由里向外的順序起爆設(shè)計(jì)。尤其在多排炮孔爆破時(shí)，采取先中間，再里邊，最后坡面邊緣孔的順序起爆，使最邊緣孔承擔(dān)的破巖體成為其他孔爆破的天然防護(hù)墻。

3 爆破方案設(shè)計(jì)

3.1 淺孔爆破

先進(jìn)行淺孔爆破，其主要任務(wù)是先為削坡主爆破創(chuàng)造出一個(gè)新的側(cè)向自由面。根據(jù)削坡深孔臺(tái)階爆破所取臺(tái)階高度8 m，淺孔一次爆破深度3 m，3次9 m，匹配深孔爆破一個(gè)臺(tái)階的側(cè)向自由面所需高度(見(jiàn)圖4所示)。采取40 mm的鉆頭，配φ32 mm藥卷，抵抗線(xiàn)和排距0.8～1.2 m，孔距1～1.5 m，炸藥單耗0.3～0.35 kg/m3。

圖4 爆破開(kāi)挖施工方法與順序Fig. 4 Construction method and sequence of blasting excavation

爆破參數(shù)計(jì)算如下：

(1)炮孔深度

L=H+Δh

(1)

式中：L為炮孔深度，m；H為臺(tái)階高度，m；Δh為超深，本工程取0.2 m。經(jīng)計(jì)算得L=3.2 m。

(2)底盤(pán)抵抗線(xiàn)

W1=kd

(2)

式中：W1為底盤(pán)抵抗線(xiàn)，m；k為系數(shù)，一般取32～38；d為炮孔直徑，mm。經(jīng)計(jì)算得W1=1.5 m。

(3)孔排距的計(jì)算

孔距是指同一排跑空中相鄰兩孔的中心線(xiàn)距離，孔距按下式計(jì)算

a=mW1

(3)

式中：a為孔距，m；m為炮孔密集系數(shù)，對(duì)于露天淺孔臺(tái)階爆破，一般取1～1.25。實(shí)際孔距取值1.2～1.5 m，排距1.0～1.3 m。

(4)單孔裝藥量

根據(jù)該路段巖性，取淺孔松動(dòng)爆破的炸藥單耗q=0.3～0.35 kg/m3計(jì)算，炮孔的裝藥量可按下式計(jì)算

Q=qabH

(4)

式中：Q為單孔裝藥量，kg；a為孔距，b為排距，H為臺(tái)階高度，單位均為m。經(jīng)計(jì)算得Q=2.2～3 kg。

(5)炮孔堵塞

按照φ32 mm乳化炸藥密度，延米裝藥量為1 kg，采用連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)，堵塞長(zhǎng)度必須保證不小于炮孔最小抵抗線(xiàn)。實(shí)際堵塞長(zhǎng)度控制在1.5～2 m。

(6)炮孔布置

淺孔臺(tái)階松動(dòng)爆破采用梅花形布置方式，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地形地貌進(jìn)行局部調(diào)整。炮孔布置示意圖如圖5所示。

圖5 臺(tái)階炮孔布置示意圖Fig. 5 Schematic diagram of blasting hole layout of step blasting

(7)起爆網(wǎng)路

起爆網(wǎng)路采取非電導(dǎo)爆管毫秒微差起爆網(wǎng)路。為有效降低爆破振動(dòng)及飛石，采取逐孔起爆技術(shù)，孔內(nèi)采用高段位19段雷管，孔外采用3段延時(shí)。

3.2 深孔削坡爆破

山體削坡的主爆破，根據(jù)放坡設(shè)計(jì)要求分臺(tái)階自上而下逐級(jí)爆破，臺(tái)階高度控制在6～10 m范圍。孔徑為φ90 mm，配φ70 mm的乳化炸藥卷。確保炮孔裝藥中心距側(cè)向自由面距離小于距坡面自由面距離，炸藥單耗0.3～0.35 kg/m3。相關(guān)參數(shù)的計(jì)算方法與淺孔爆破類(lèi)似，具體的參數(shù)設(shè)計(jì)如表1所示。

表1 中深孔臺(tái)階爆破參數(shù)Table 1 The Parameters of middle-deep hole bench blasting

中深孔爆破采取寬孔距、適當(dāng)減小抵抗線(xiàn)(即增大炮孔密集系數(shù))、弱裝藥進(jìn)行布孔作業(yè)。在此總設(shè)計(jì)原則下，對(duì)不同布孔條件需采取不同孔網(wǎng)參數(shù)和起爆順序。主要分為了以下情況。

(1)單孔布置。需削坡的巖層較薄，只能沿設(shè)計(jì)輪廓線(xiàn)布置一個(gè)單孔。此時(shí)，需在現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)地形條件，逐孔量測(cè)設(shè)計(jì)布孔，其基本原則：每個(gè)炮孔距側(cè)向自由面的距離明顯小于距坡面自由面距離。再按各孔實(shí)際負(fù)擔(dān)的破巖體積計(jì)算該孔所用炸藥量；起爆順序從最靠近側(cè)向自由面的炮孔(1號(hào)孔)開(kāi)始，沿設(shè)計(jì)輪廓線(xiàn)逐孔順序起爆，見(jiàn)圖6所示。

圖6 單孔布置與起爆順序Fig. 6 Single hole arrangement and initiation sequence

(2)兩孔一排。此時(shí)，里面孔布置在開(kāi)挖設(shè)計(jì)輪廓線(xiàn)上，另一個(gè)孔則為坡面邊緣孔，按前述單孔布置要求布置。起爆順序：逐排先里面后外面，逐孔起爆，見(jiàn)圖7所示。

圖7 一排兩孔炮孔布置與起爆順序Fig. 7 Arrangement and initiation sequence of blast holes in a row with two holes

(3)三孔一排及多孔多排爆破。仍按前述要求先布置最里面的輪廓孔和最外面的坡面邊緣孔，其他孔則布置這兩孔之間。此時(shí)已趨普通正常臺(tái)階爆破，為了確保預(yù)設(shè)拋擲向側(cè)面飛行，且坡面邊緣孔承擔(dān)的破巖體成為其他主炮孔爆破的擋墻，起爆順序采取先中間、再里邊，后坡面邊緣孔，再回到后一排的中間，再次重復(fù)。即最后起爆坡面邊緣孔的逐孔逐排順序起爆，見(jiàn)圖8所示。尤其當(dāng)側(cè)面工作平臺(tái)寬度較大時(shí)，就和普通臺(tái)階爆破一致，但仍應(yīng)堅(jiān)守最邊緣孔單獨(dú)設(shè)計(jì)，確保其朝向側(cè)向自由面的距離明顯小于坡面方向的自由面距離，且最后起爆，使該部分巖體未爆前成為其他主爆破的飛石擋墻。

圖8 一排三孔或多孔炮孔布置與起爆順序Fig. 8 Arrangement and initiation sequence of a row of three-hole or multi-hole blastholes

4 爆破效果

根據(jù)優(yōu)化的控制飛石方向爆破設(shè)計(jì)方案，現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員對(duì)削坡爆破的炮孔布置與工人提前交底，依實(shí)際地形做相應(yīng)變化，并在連接起爆網(wǎng)路時(shí)嚴(yán)格按照方案執(zhí)行。

采取了上述措施有效地控制了209國(guó)道恩施龍鳳壩至譚家壩段公路擴(kuò)寬山體削坡爆破飛石對(duì)坡面山下廠(chǎng)房和民宅的危害，大大減少了工程的賠付，有效地杜絕了民事糾紛。此外，為加快施工進(jìn)度，在邊坡沿線(xiàn)布置多個(gè)工作面，使得鉆孔、裝藥、爆破、出渣等作業(yè)可相互交叉、互不干擾，工程得以順利加速進(jìn)行，并提前完成了全部削坡爆破工程。

5 結(jié)論

通過(guò)本工程的實(shí)踐探索發(fā)現(xiàn)，對(duì)山體削坡巖層較薄的爆破，存在爆破飛石的危害，采取相應(yīng)的措施可以有效的控制爆破飛石向坡面正向的飛行，主要結(jié)論如下：

(1)喀斯特地貌的石灰?guī)r山體削坡爆破僅采用松動(dòng)爆破方法來(lái)完全控制爆破飛石很難做到，而預(yù)估爆破可能出現(xiàn)飛石，采取措施將可能的飛石引導(dǎo)向安全地點(diǎn)的方法，更加安全可靠和易于實(shí)現(xiàn)。

(2)遵循最小抵抗線(xiàn)原理，在相對(duì)安全方向開(kāi)辟出新的自由面，布孔中使該方向的最小抵抗線(xiàn)相較其他方向更小一些，可將可能出現(xiàn)爆破飛石導(dǎo)向指定方向拋出，以實(shí)現(xiàn)對(duì)保護(hù)目標(biāo)的保護(hù)。

(3)多孔爆破應(yīng)逐孔考慮各孔在爆破中的實(shí)際最小抵抗線(xiàn)方向，使其或指向預(yù)設(shè)方向，或設(shè)置能阻斷其向保護(hù)目標(biāo)的飛行的屏障。

(4)逐孔起爆有利于減小可能出現(xiàn)爆破飛石的飛行距離。

(5)坡面邊緣孔應(yīng)依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況做獨(dú)立設(shè)計(jì)，嚴(yán)格執(zhí)行側(cè)向最小抵抗線(xiàn)明顯小于坡面最小抵抗線(xiàn)。

(6)坡面邊緣孔在同排中最后起爆，所負(fù)擔(dān)爆破巖體在未爆前就是其他孔爆破的安全屏障。