聚能預(yù)裂爆破方法在高速公路路基邊坡開挖的關(guān)鍵技術(shù)研究

唐云峰，粟瓊林，李慶昌，唐睿哲

（廣西工程技術(shù)研究院有限公司，廣西南寧 530200）

0 引言

在高速公路路基邊坡施工過程中，爆破工藝不僅要破碎和崩落作用巖石，而且要保留設(shè)計保護的巖石［1］。預(yù)裂爆破可以減少開挖作業(yè)面超挖和欠挖，降低作業(yè)面破壞程度，形成光滑的開挖輪廓面［2］。因此，預(yù)裂爆破被廣泛使用于爆破工程中，但是在目前采用的預(yù)裂爆破裝藥技術(shù)通常在炮孔內(nèi)直接填裝藥包，一般使用不耦合裝藥［3］。藥卷無聚能裝置，無法實現(xiàn)炮孔連線處巖體裂紋的劈裂貫通，無法形成光滑的預(yù)裂面，實際爆破效果與預(yù)期效果不符［4］。目前，針對預(yù)裂爆破的裝藥結(jié)構(gòu)優(yōu)化，通常是在實際施工中進行多次試爆，然后根據(jù)試爆結(jié)果設(shè)計和調(diào)整裝藥結(jié)構(gòu)。該方式不僅耗費人力和財力且缺乏一定的科學性，還嚴重影響爆破工程進度［5］?；诖?，本文對聚能預(yù)裂爆破方法的關(guān)鍵技術(shù)進行研究，利用聚能槽裝藥在預(yù)裂面形成能量射流的集聚，實現(xiàn)孔壁連線處裂紋的貫通。

1 工程概況

天峨—北海公路巴馬至平果段（巴馬至羌圩）三分部K29+255～K29+400 路基爆破點，位于廣西大化瑤族自治縣乙圩鄉(xiāng)坡連正南方，設(shè)計路線大致呈北—南走向，屬深挖方路塹段，長度為150 m，開挖高度為32 m，設(shè)計公路采用整體式路基以全路塹的方式從山坡中上部通過。邊坡坡形采用臺階式，各級邊坡都按照1∶0.75 的比例進行放坡，每級坡高4～8 m。路基主線為北—南走向，北面為主線的巖灘水庫大橋。爆破點北面和西面都有民房，爆破點距離北面的那乙圩鄉(xiāng)坡連屯民房最近為70 m。爆破點南面為山地，植被以桉樹和雜草叢為主。項目1 000 m 范圍內(nèi)沒有設(shè)置鐵路，爆區(qū)周邊無地上和地下管線。預(yù)計爆破工程量約14萬m3。

邊坡區(qū)屬剝蝕丘陵地貌，地形起伏較大，自然斜坡坡度為10°～30°。根據(jù)地質(zhì)調(diào)繪揭示，邊坡表層多覆蓋第四系坡殘積粉質(zhì)黏土，硬塑狀，局部混碎石，層厚1.5～5.0 m；下伏基巖主要為三疊系中統(tǒng)百逢組（T2b）地層，邊坡巖性主要為泥質(zhì)粉砂巖，薄～中厚層狀構(gòu)造，強風化狀態(tài)為主，局部風化不均勻，節(jié)理發(fā)育，巖體破碎，層厚8.0～14.0 m；中風化巖層埋藏較深；邊坡巖層產(chǎn)狀為304°/SW∠35°（214°∠35°）。

2 聚能預(yù)裂爆破方法的機理及特點

2.1 聚能預(yù)裂爆破方法的機理

通過沿聚能槽方向的高能射流，加強切槽方向巖體的裂縫形成，降低非設(shè)定方向的應(yīng)力作用。爆炸時，由于在聚能槽處產(chǎn)生的應(yīng)力集中，高溫、高壓爆轟產(chǎn)物形成高能射流，對稱聚能槽連線上形成的裂隙不斷擴展，最終巖體的開裂方向符合設(shè)計方向［6］。爆炸產(chǎn)生的應(yīng)力波先從聚能槽處卸載，對爆炸過程中產(chǎn)生的巨大能量有一定的緩沖和抑制作用，使傳遞到孔壁上的應(yīng)力急劇降低，降低應(yīng)力對炮孔壁的破壞作用。相鄰炮孔產(chǎn)生的裂紋得以貫穿，最終形成較普通預(yù)裂爆破更為光滑的控制面。

利用預(yù)先加工好的強約束聚能管制作聚能藥包，并將其放入炮孔內(nèi)，使兩孔連線方向與聚能槽開口方向一致。在雙向聚能槽切槽連線方向上，炸藥爆轟產(chǎn)物運動速度最大，炮孔內(nèi)沖擊波和應(yīng)力波沿著切槽方向優(yōu)先積聚釋放，射流作用于切槽方向的孔壁上，巖體沿炮孔連線開始破裂，徑向預(yù)裂縫與聚能槽開口方向一致。雙向切槽結(jié)構(gòu)的強約束和不耦合介質(zhì)的存在不僅能形成炮孔連線上的高能射流，而且弱化了爆轟產(chǎn)物對兩側(cè)孔壁的作用，側(cè)向孔壁裂紋不明顯，維持了圍巖的穩(wěn)定性。

目前，普通二號巖石乳化炸藥的殉爆距離一般不大于3 cm，通過在聚能藥卷尾部加裝聚能穴，將其殉爆距離提升至30～40 cm，從而擺脫預(yù)裂爆破在間隔裝藥時必須使用導爆索的困境，減少火工品的使用。

2.2 聚能預(yù)裂爆破方法的特點

2.2.1 聚能管參數(shù)

聚能管管壁形狀為“D”形，管長30 cm，管壁厚2 mm，采用抗靜電阻燃的特種塑料管［7］?！癉”形管壁截面寬度為24.18 mm，截面長度為28.35 mm?！癉”形管壁兩邊有對稱的凹槽，稱為“聚能槽”。聚能槽頂角為70°，聚能槽到聚能管頂部的距離為17.27 mm。

2.2.2 聚能藥卷制作

聚能預(yù)裂爆破裝藥前需要使用常規(guī)炸藥、聚能管、聚能罩制作聚能藥卷。聚能藥卷的制作步驟如下：①取1 節(jié)?32 mm 的藥卷，用小刀把藥卷從中間切成2 節(jié)。②把聚能管兩端分別插入切好的藥卷中。③用小刀把藥卷一端的金屬環(huán)切掉，裝上聚能罩。

2.2.3 聚能藥卷裝填

將聚能藥卷按照30 cm 的間隔綁扎在竹片上送入炮孔，竹片長度與炮孔深度相同，此外需要注意以下幾點：①采用反向起爆，通過聚能藥卷的聚能罩殉爆。②聚能藥卷的聚能罩需朝向孔口。③綁扎藥卷時保持同一條竹片上的聚能藥卷的聚能槽的方向一致，送入孔內(nèi)后，需調(diào)整好每個炮孔的聚能槽方向，保持其與邊坡線平行。

3 聚能預(yù)裂爆破方法的關(guān)鍵技術(shù)研究

3.1 方案設(shè)計

3.1.1 爆破參數(shù)設(shè)計

使用潛孔鉆鉆孔，孔徑為?90 mm。炮孔布置時沿平臺垂直鉆孔或傾斜鉆孔，炮孔朝向及最小抵抗線方向要避開民房等保護對象，臺階高度一般取5～10 m，最高不超過10 m；下文以臺階高度為6 m進行設(shè)計。裝滿結(jié)構(gòu)參照圖1，炮孔布置平面圖如圖2所示。

圖1 裝藥結(jié)構(gòu)

圖2 炮孔布置平面圖

（1）孔徑d=90 mm；臺階高度H=6 m（具體根據(jù)邊坡高度而定）；W=（25～40）d=（25～40）×0.09=2.25～3.6 m，取W=2.5 m；炮孔間距：孔距a=2.6 m；炮孔排距b=2.5 m；炮孔超深h=0.6 m；炮孔長度L=H+h=6+0.6=6.6 m；炸藥單耗要結(jié)合爆破點巖石硬度及施工經(jīng)驗，取q=0.35 kg/m3；單孔裝藥量Q1=qawH=0.35×2.6×2.5×6=13.65 kg ，取14 kg（邊坡上第1 排）；Q2=kqabH=1.1×0.35×2.6×2.5×6=15.02 kg ，取15 kg（邊坡上第2排及以后）；其中：Q為單孔裝藥量（kg），q為炸藥單位巖石體積消耗量，取q=0.35kg/m3（根據(jù)爆破實驗適當調(diào)整）。

（2）布孔方式采用梅花形布孔，填塞長度根據(jù)《爆破安全規(guī)程》中“應(yīng)大于裝藥頂部抵抗線與底盤抵抗線平均值的1.2 倍”的規(guī)定，即h=1.2×（W+b）/2=3.6 m，實際取≥3.6 m；深孔控制爆破最大單段藥量根據(jù)爆破點與保護目標的距離確定。深孔控制爆破在不同臺階高度下的爆破參數(shù)值見表1。

表1 深孔控制爆破參數(shù)表

3.1.2 聚能預(yù)裂爆破參數(shù)設(shè)計

孔徑d取90 mm；孔間距S=（8～12）d，取S=0.8 m。預(yù)裂孔采用傾斜孔，炮孔傾角為最終臺階坡面角，預(yù)裂炮孔一般不超深，則炮孔深度L=6.5 m；線裝藥密度范圍為L線=250～500 g/m，取L線=300 g/m；填塞長度Lt=（10～20）d，取15d=0.5 m；裝藥長度LC=LLt=6.5-0.5=6.0 m；單孔裝藥量Q=LC×L線=6.0×300=1.8 kg；采用不耦合裝藥，聚能藥卷按照30 cm 的間隔綁扎在與炮孔深度相同的竹片上送入孔內(nèi)，每節(jié)聚能藥卷重量為0.3 kg。

3.1.3 起爆網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

根據(jù)公安部門的監(jiān)管要求，普通的露天爆破使用數(shù)碼電子雷管起爆網(wǎng)路［8］。數(shù)碼電子雷管實現(xiàn)精確控制的關(guān)鍵在于其微型電子芯片，它不僅能控制通往引火頭的電源，還極大地提高了延時精度。在爆破開始之前，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場試爆情況適當調(diào)整爆破網(wǎng)路分段段位。

項目采用電子數(shù)碼雷管起爆網(wǎng)絡(luò)，主爆區(qū)炮孔采用逐排起爆方式，每排設(shè)置10 個炮孔，每次起爆3排，一次爆破單段藥量控制在0.25 t 以內(nèi)，排間的延時間隔為50 ms；預(yù)裂炮孔先于主爆區(qū)炮孔100 ms 起爆。為保證預(yù)裂爆破效果，預(yù)裂孔之間不設(shè)置延時，同時起爆，每次超前主爆區(qū)炮孔4～5個炮孔。

3.1.4 爆破有害效應(yīng)分析計算

爆破振動、爆破飛散物是主要的危險因素，在臨近民房時爆破項目中，爆破沖擊波及爆破有害氣體有可能引發(fā)安全事故［9］。爆破振動安全距離公式如下：

在公式（1）和公式（2）中：R為爆破振動安全距離，m；K為與爆破地在地形有關(guān)的系數(shù)；V為爆破安全振動速度，cm/s；α為衰減指數(shù)；Q為最大單段藥量，kg。

爆破地震安全速度根據(jù)《爆破安全規(guī)程》（GB 6722—2014）的規(guī)定，取V=2 cm/s，考慮民房的使用年限及其他影響因素，實際取V=0.9 cm/s。根據(jù)《爆破安全規(guī)程》（GB 6722—2014）中的規(guī)定，取K=200，α=1.6，Q=R3×（0.9/200）1.875。

該項目的保護對象主要是民房，取V=0.9 cm/s計算，爆破時保護對象的安全距離及允許的最大單段藥量表見表2。控制爆破最大單段藥量不得超過20.4 kg。因民房和爆破點存在一定的高度差，因此開展監(jiān)測時候應(yīng)該將高度差考慮進去［10］。在靠近民房地段的路基開展爆破施工時，應(yīng)先進行爆破振動監(jiān)測，對實測數(shù)據(jù)進行整理和回歸分析，求出K和α值，使爆破振速控制在《爆破安全規(guī)程》（GB 6722—2014）規(guī)定的范圍內(nèi)。

表2 爆破時保護對象的安全距離及允許的最大單段藥量表

3.2 施工工藝

聚能預(yù)裂爆破施工主要包括爆破設(shè)計、測量放線、鉆孔、鉆孔質(zhì)量檢查、裝藥與堵塞、連接起爆網(wǎng)絡(luò)、起爆、通風、爆破效果檢驗與安全檢查等，具體流程如圖3所示。

4 聚能預(yù)裂爆破方法的應(yīng)用效果

4.1 技術(shù)效果

采用聚能預(yù)裂爆破方法，符合《土方與爆破工程施工及驗收規(guī)范》（GB 50201—2012）規(guī)定的正常尺寸標準。預(yù)裂縫寬度為10 mm 左右，預(yù)裂縫沿炮孔中心線貫穿。當邊坡開挖后，未出現(xiàn)邊坡垮落、溜肩現(xiàn)象，聚能預(yù)裂爆破對預(yù)留巖體破壞作用小，有利于保護高速公路邊坡。從邊坡坡面平整度來看，其平整度均小于15 cm，符合驗收規(guī)范要求；對比傳統(tǒng)爆破邊坡，聚能預(yù)裂爆破邊坡坡面更平順，可活動碎石較少。坡面半孔率計算如公式（3）所示：

其中：η為坡面半孔率；l0為檢驗區(qū)域殘留炮孔長度，m；L0為檢驗區(qū)域預(yù)裂炮孔長度，m。

通過計算，聚能預(yù)裂爆破后的邊坡η2=85%，傳統(tǒng)爆破后的邊坡半孔率η1=10%，聚能管的預(yù)裂爆破邊坡半孔率遠高于傳統(tǒng)預(yù)裂爆破。邊坡平整度和半孔率成果見表3所示。

表3 邊坡平整度和半孔率成果

4.2 經(jīng)濟效果

在經(jīng)濟效益方面，聚能預(yù)裂爆破具有較大的優(yōu)勢，主要體現(xiàn)在提高生產(chǎn)效率、節(jié)約爆破器材、降低邊坡人工機械施工成本等方面，與傳統(tǒng)爆破的經(jīng)濟效益對比見表4。

表4 經(jīng)濟效益對比

5 結(jié)論

本文以天峨—北海公路巴馬至平果段路基邊坡開挖項目為例，總結(jié)聚能預(yù)裂爆破方法的應(yīng)用優(yōu)勢。

（1）聚能預(yù)裂爆破方法解決了高速公路邊坡爆破施工容易出現(xiàn)的超欠挖問題，提升爆破后的半壁孔率，降低邊坡不平整度，提高路基邊坡爆破一次成型率。

（2）在相同邊坡長度的前提下，采用聚能預(yù)裂爆破，能夠降低單孔藥量，增大邊坡預(yù)裂孔孔距，取得優(yōu)于傳統(tǒng)爆破方式的爆破效果。

（3）在聚能藥卷尾部安裝聚能穴，實現(xiàn)在間隔裝藥的情況下，能夠不依賴導爆索進行殉爆，減少爆破器材的使用。相比傳統(tǒng)爆破，聚能預(yù)裂炮孔裝藥量極少。