巖溶區(qū)鄰近邊坡巖體爆破技術(shù)研究

李保文，陳文尹

(中鐵四局集團第七工程分公司，安徽 合肥 230031)

巖溶是指可溶性巖石(碳酸鹽巖、石膏、巖鹽等)受到含有CO2的流水的化學(xué)溶蝕作用以及沖蝕、潛蝕和崩塌等機械作用而形成的特殊地貌，往往呈奇特形狀，有洞穴、溶洞、峭壁、石溝等形態(tài)。在巖溶區(qū)鄰近邊坡巖體爆破開挖施工中，巖溶構(gòu)造的存在不僅會降低爆炸能量的利用率，產(chǎn)生較多的大塊及爆破根底[1-3]，也會誘發(fā)嚴(yán)重的爆破飛石[4-5]，不利于施工質(zhì)量、進度、安全與成本控制。針對巖溶發(fā)育情況下的鄰近邊坡輪廓巖體爆破開挖進行科學(xué)研究，對保障巖溶區(qū)巖體爆破開挖工作安全、高效、經(jīng)濟的開展及提高邊坡輪廓成型效果具有極為重要的意義。

眾多工程技術(shù)人員與科學(xué)研究人員針對巖溶區(qū)爆破技術(shù)開展了細致的研究工作。楊庭林等[6]分析了溶洞對爆破效果的影響，提出了“避、移、變、堵、托”五種處理方法。孫新禮等[7]發(fā)現(xiàn)采取優(yōu)化爆破孔網(wǎng)參數(shù)、使用空氣間隔和孔底起爆的方法，能有效減少根底和大塊。李春輝等[8]探討了溶洞的大小、與炮孔相對位置、洞內(nèi)填充物等對爆破拋擲方向、爆破方量及安全技術(shù)的影響，并提出了相應(yīng)的工程措施，較好地解決了巖溶發(fā)育地區(qū)爆破安全問題。近年來，數(shù)碼電子雷管因具有延時精度高、延期時間設(shè)置靈活、安全性好、操作簡單方便等優(yōu)點，受到了廣大工程技術(shù)人員和科學(xué)研究人員的關(guān)注[9-11]。任翔等[12]指出通過高精度雷管實現(xiàn)逐孔起爆能有效避免溶洞引起的拒爆事故，數(shù)碼電子雷管被逐漸應(yīng)用于巖溶區(qū)巖體爆破開挖中。這些研究工作為巖溶區(qū)巖體的爆破開挖提供了很好的參考，但多數(shù)只針對孔網(wǎng)參數(shù)、裝藥結(jié)構(gòu)、起爆方式及起爆網(wǎng)路中的一方面或幾方面作出了優(yōu)化和改進，沒有針對巖溶區(qū)巖體爆破整個開挖工作形成全面、系統(tǒng)的施工方案。除此之外，現(xiàn)有研究側(cè)重于提高巖溶區(qū)巖體破碎效果，對于巖溶區(qū)臨近邊坡巖體輪廓面成型質(zhì)量的控制技術(shù)關(guān)注較少。

綜上，目前關(guān)于巖溶區(qū)鄰近邊坡輪廓巖體爆破技術(shù)還需要開展更加深入的研究工作，本文針對巖溶區(qū)鄰近邊坡輪廓巖體爆破開挖過程中存在的問題，研究了集炮孔布置優(yōu)化、鉆孔質(zhì)量控制、溶洞位置及大小探測、裝藥結(jié)構(gòu)優(yōu)化、起爆網(wǎng)路優(yōu)化等方法于一體的爆破技術(shù)，工程應(yīng)用取得了良好的爆破效果。

1 巖溶區(qū)鄰近邊坡輪廓巖體爆破開挖問題

巖溶區(qū)鄰近邊坡輪廓巖體爆破開挖施工過程中，經(jīng)常遇到的巖溶類型地表以上的為溶穴或稱溶蝕漏斗，地表以下的為溶洞[12]。地表上的溶穴、地表下的溶洞、巖體節(jié)理面及裂隙面等相互連通情況十分復(fù)雜，精確定位所有溶洞的位置、走向和深度是困難的，需要花費大量的時間和成本，這對于實現(xiàn)巖溶區(qū)鄰近邊坡輪廓巖體安全高效、快速經(jīng)濟開挖是相當(dāng)不利的。溶洞的存在會對鉆孔爆破施工及爆破效果產(chǎn)生巨大影響，主要表現(xiàn)在：

1)巖溶區(qū)鉆孔工作中，當(dāng)鉆孔通過溶洞時，易造成偏幫溜眼，使鉆孔傾斜，嚴(yán)重時會造成卡鉆，導(dǎo)致鉆桿、沖擊器及鉆頭的脫落。

2)改變抵抗線方向。當(dāng)炮孔距溶洞的距離小于設(shè)計最小抵抗線時，爆生氣體向鄰近的溶洞內(nèi)泄漏，改變了抵抗線方向，炮孔內(nèi)壓力迅速降低，從而導(dǎo)致其他方向的裂隙停止發(fā)展，爆破能量分布不均勻，降低了炸藥能量利用率，產(chǎn)生較多的大塊和飛石。

3)誘發(fā)爆破飛石。當(dāng)溶洞距離自由面較近，可能造成爆炸能量向此方向集中，誘發(fā)爆破飛石。

4)導(dǎo)致拒爆。被裂縫或溶洞連通的相鄰炮孔的裝藥產(chǎn)生殉爆時，如果采用導(dǎo)爆索微差起爆網(wǎng)絡(luò)，爆轟波就會反向傳遞，改變原設(shè)計的起爆順序，并可能導(dǎo)致成片拒爆。

5)增大邊坡局部保留巖體的損傷深度，影響邊坡輪廓成型效果。

針對以上情況，在巖溶區(qū)鄰近邊坡輪廓巖體爆破開挖中應(yīng)采取各項技術(shù)措施，消除溶洞產(chǎn)生的不利影響，提升爆破效果。

2 爆破技術(shù)研究

對于地表以上的溶穴，先進行工程地質(zhì)分析，當(dāng)表層巖體存有溶穴時，記錄溶穴的大小和位置，如果溶穴沿深度方向大于1.0 m，或溶穴最大截面最長邊大于1.0 m時，則優(yōu)化炮孔布置方案，避免在此較大溶穴處布置炮孔；對于有炮孔穿越的溶洞，依次采取鉆孔質(zhì)量控制、溶洞位置與尺寸探測、炮孔裝藥結(jié)構(gòu)優(yōu)化、起爆網(wǎng)路優(yōu)化等方法進行處理。

2.1 鉆孔質(zhì)量控制

利用圖1所示的孔位校準(zhǔn)裝置控制鉆進方位角。鉆孔時，移動吊線，將三角鐵錐懸停在需要鉆設(shè)的炮孔對應(yīng)的校驗孔正上方，鉆孔時保證鉆桿和吊線對齊重合，沒有偏差即可保證炮孔方位角的準(zhǔn)確性。鉆孔過程中記錄鉆桿鉆進速度，判斷是否出現(xiàn)溶洞，若有則記錄其具體位置。

圖1 炮孔孔位校準(zhǔn)裝置結(jié)構(gòu)與使用原理示意圖

2.2 溶洞位置與尺寸探測

當(dāng)炮孔穿越溶洞時，需要根據(jù)溶洞尺寸選擇合適的裝藥結(jié)構(gòu)。當(dāng)鉆設(shè)好炮孔后，通過溶洞位置及尺寸測量裝置，復(fù)測溶洞的尺寸位置，測量裝置如圖2所示。該測量裝置，基于溶洞的直徑要大于炮孔直徑的特點，當(dāng)預(yù)留一段處于松弛狀態(tài)的測線在下放過程中突然張緊，即到達溶洞頂端；當(dāng)橡膠輪被卡住，裝置無法繼續(xù)下降即達到溶洞下端，這樣就可以較為準(zhǔn)確地測量炮孔穿越區(qū)溶洞的尺寸及位置，并做好記錄，便于后續(xù)炮孔裝藥等操作。

圖2 溶洞位置及尺寸測量裝置

2.3 裝藥結(jié)構(gòu)優(yōu)化

根據(jù)炮孔類型(主爆孔、緩沖孔與輪廓孔)及溶洞的位置和尺寸，選擇合適的炮孔裝藥結(jié)構(gòu)。對于未穿越溶洞的主爆孔、緩沖孔及輪廓孔，按照爆破設(shè)計常規(guī)裝藥。當(dāng)炮孔穿越溶洞且溶洞尺寸較小(邊長小于1 m)，以溶洞為界將炮孔分為上段炮孔和下段炮孔，在上段炮孔中，自孔口至孔底依次為孔口堵塞段、溶洞上段炸藥和上段封堵段；在下段炮孔中，自溶洞底部依次為溶洞下段封堵段與下段炸藥；導(dǎo)爆索連通在上段炸藥和下段炸藥之間。實際施工中，首先根據(jù)溶洞的大小及分布信息，并結(jié)合炮孔參數(shù)，確定下段炸藥長度、下段封堵段長度、上段封堵段長度、上段炸藥長度及導(dǎo)爆索長度；然后把炸藥和導(dǎo)爆索綁扎在竹片上，導(dǎo)爆索底端伸入至一節(jié)下段炸藥的位置，待導(dǎo)爆索底端與下段炸藥頂部連接后裝入炮孔下部，完成溶洞下段裝藥，并在溶洞與下段炸藥之間用巖屑填充，形成下段封堵段；接著利用支撐桿斜撐在溶洞中，在支撐桿的上方設(shè)置間隔袋，支撐桿與間隔袋形成支撐結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)上段炸藥和下段炸藥的分隔；最后，溶洞與上段炸藥之間用巖屑進行填充，形成上段封堵段，并利用吊繩輔助進行上段裝藥，導(dǎo)爆索頂端伸入至一節(jié)上段炸藥中，起爆雷管設(shè)在上段炸藥的中部。穿越溶洞的主爆孔、緩沖孔典型裝藥結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。對于穿越溶洞的輪廓孔，實際施工中上段炸藥與下段炸藥均綁扎在竹片上，溶洞位置不綁扎炸藥，將一定長度的柔性間隔物分別綁扎在溶洞頂部與底部的竹片上，不設(shè)置封堵段。

圖3 穿越溶洞的主爆孔、緩沖孔典型裝藥結(jié)構(gòu)示意圖

2.4 起爆網(wǎng)路優(yōu)化

為了避免炸藥能量從溶洞處泄漏及溶洞對鄰近炮孔的起爆與破巖產(chǎn)生不利影響，同一排較大溶洞周邊炮孔同段起爆，穿越溶洞的炮孔與同一排鄰近的不含溶洞的炮孔同段起爆，采用高精度數(shù)碼電子雷管起爆網(wǎng)路，嚴(yán)格按照爆破設(shè)計中的起爆延時起爆。

3 工程應(yīng)用

3.1 概況

廣西麥嶺(湘桂界)至賀州高速公路賀州支線土建工程一標(biāo)段，路線經(jīng)過楊巖北、大清池北、百富農(nóng)場，于終點K10+100處設(shè)置望高互通立交與國道G323連接，路線全長9.34 km，總造價3.4億元。公路設(shè)計為雙向四車道，整體式路基寬度26 m，設(shè)計時速為100 km/h。路基挖方95.1萬m3，其中挖石方32.1萬m3。石方挖方段巖石為石灰?guī)r，表面呈中風(fēng)化狀態(tài)。巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，局部發(fā)育有小型溶穴。爆破區(qū)域距最近的民房約70 m，距施工廠房約130 m，爆破環(huán)境十分復(fù)雜。

3.2 爆破設(shè)計

麥賀支線石方開挖段自上而下分層開挖，根據(jù)開挖部位不同，又分為主爆破區(qū)和鄰近邊坡輪廓巖體開挖區(qū)，即分層、分區(qū)開挖，以麥賀支線K3+120路基橫斷面中高程162.78～169.45梯段鄰近邊坡輪廓巖體開挖為例，開挖坡比1∶0.5，實際梯段高度為8.0 m，自梯段前側(cè)臨空面至邊坡輪廓面依次布置主爆孔、緩沖孔和輪廓孔，主爆孔采用梅花形布孔，其鉆孔傾角為90°，采用預(yù)裂爆破技術(shù)，預(yù)裂孔與緩沖孔鉆孔傾角與邊坡開挖坡比一致。主爆孔間排距為3.0 m×2.5 m，單耗約0.45 kg/m3；緩沖孔距最后一排主爆孔2.0 m，緩沖孔間距為1.5 m，預(yù)裂孔間距為0.9 m，預(yù)裂孔距緩沖孔1.5 m，炮孔直徑均為90 mm，預(yù)裂孔線裝藥密度為500 g/m，主爆孔堵塞長度為1.5～2.5 m，緩沖孔堵塞長度約為2.0 m，預(yù)裂孔堵塞長度約為1.0 m。鉆孔過程中發(fā)現(xiàn)有2個主爆孔、2個預(yù)裂孔穿越溶洞，其中1個主爆孔內(nèi)溶洞較大，調(diào)整了此處炮孔布置，如圖4所示。

圖4 穿越溶洞炮孔在爆區(qū)平面位置圖

不含溶洞主爆孔裝藥段采用φ70藥卷連續(xù)裝藥，含溶洞主爆孔裝藥結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。緩沖孔未穿越溶洞，緩沖孔裝藥段采用φ50藥卷連續(xù)裝藥。含溶洞預(yù)裂孔裝藥結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。炮孔的起爆順序為：預(yù)裂孔→主爆孔→緩沖孔。主爆孔2～3孔一段起爆，緩沖孔3～5孔一段起爆，為控制最大單段藥量，預(yù)裂孔分兩段起爆。穿越溶洞的炮孔內(nèi)炸藥起爆時，炸藥能量容易從溶洞處泄漏，且會對鄰近炮孔的起爆與破巖產(chǎn)生不利影響，此時，穿越溶洞的炮孔需與同一排鄰近的不含溶洞的炮孔同段起爆，若采用導(dǎo)爆管雷管，因高段位導(dǎo)爆管雷管起爆延時誤差較大，難以滿足工程需求，為了嚴(yán)格控制起爆延時，本工程采用高精度數(shù)碼電子雷管起爆網(wǎng)路，數(shù)碼電子雷管型號為ED-GX1/16000P-B8，延期時間≤150 ms時，誤差≤±1.5 ms；延期時間≥150 ms時，相對誤差≤±1%。

圖5 含溶洞預(yù)裂孔典型裝藥結(jié)構(gòu)示意圖

3.3 爆破效果

根據(jù)爆破過程的高速攝影資料可以發(fā)現(xiàn)，各炮孔按照設(shè)計的爆破延時依序起爆，未發(fā)生拒爆。爆破效果如圖6所示，爆后塊度不大且比較均勻，未見明顯大塊，爆后輪廓面比較平整，半孔率較高，邊坡保留巖體也未產(chǎn)生明顯裂痕，爆破效果良好，保障了巖溶區(qū)巖體爆破開挖工作安全、高效、經(jīng)濟的開展。從多次爆后的現(xiàn)場情況可以看出，主爆孔排數(shù)以3排為宜，第4排主爆孔因距離臨空面較遠，巖石塊度較大，增加了二次破碎的成本。

圖6 爆破效果圖

4 結(jié) 語

針對巖溶區(qū)鄰近邊坡輪廓巖體爆破開挖過程中存在的問題，提出了巖溶區(qū)鄰近邊坡輪廓巖體爆破技術(shù)，首先根據(jù)工程地質(zhì)條件分析得到表層巖體溶腔分布和

大小，并優(yōu)化炮孔布置方案；然后利用研發(fā)的炮孔孔位校準(zhǔn)裝置嚴(yán)格控制鉆進方位角，并根據(jù)鉆桿鉆進速度變化初步判斷溶腔位置；接著利用研發(fā)的溶洞位置及尺寸測量裝置復(fù)測溶洞的尺寸及炮孔溶洞位置，并依據(jù)測量結(jié)果優(yōu)化炮孔裝藥結(jié)構(gòu)；最后根據(jù)炮孔是否穿越溶洞，優(yōu)化起爆網(wǎng)路，采用電子雷管起爆網(wǎng)路，嚴(yán)格控制起爆延時。將提出的爆破技術(shù)應(yīng)用于廣西麥賀支線巖溶區(qū)巖體爆破開挖施工，巖體破碎效果與輪廓面成型效果較好，爆破飛石得到有效控制，工程設(shè)計及結(jié)果可為同類爆破施工提供參考。