揚(yáng)州至績溪高速公路寧績段緊鄰既有鐵路線高邊坡路塹爆破施工及控制技術(shù)

董 磊 ，湯道義

(安徽省高速公路控股集團(tuán)有限公司，安徽合肥 2 30088)

0 引言

山嶺地區(qū)修建高速公路時，受線路平緩曲線線形和工程投資的影響，線路走向往往依山傍河進(jìn)行展線設(shè)計(jì)。因此，通常需要開挖多部(局部)山體，造成山體挖方量大、穩(wěn)定性差、路基開挖深度深及臨時支護(hù)工程量增加等問題。根據(jù)JTG D30—2004《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》［1］，當(dāng)路塹巖質(zhì)邊坡高度大于30 m時為深挖路塹。當(dāng)進(jìn)行深挖路塹施工時，應(yīng)著重考慮邊坡巖層傾向、危巖落石、臨近建(構(gòu))筑物等特殊因素對路塹支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及開挖方式選擇的影響。針對深挖路塹爆破施工技術(shù)控制，文獻(xiàn)［2］結(jié)合廣東陽江核電廠進(jìn)場道路路基工程設(shè)計(jì)和施工實(shí)踐，針對開挖深度達(dá)38 m的深挖路塹，采用淺孔梯段與深孔梯段爆破相結(jié)合的方式完成了石方開挖;文獻(xiàn)［3］針對邊坡開挖高度達(dá)50～120 m的路基工程，采用分段分層(分層厚5～6 m)露天深孔爆破開挖，先開挖中間巖體，兩邊預(yù)留光爆層，以減少圍巖擾動;文獻(xiàn)［4］結(jié)合浙江部分國省道工程，通過優(yōu)化鉆孔布置參數(shù)、裝藥結(jié)構(gòu)，重點(diǎn)闡述了光面爆破對于提高工程質(zhì)量、降低次生(滑坡、坍塌)災(zāi)害風(fēng)險的應(yīng)用情況。關(guān)于深挖路塹施工中邊坡穩(wěn)定性及滑坡治理，文獻(xiàn)［5］采用掛網(wǎng)噴混和主動柔性防護(hù)網(wǎng)治理京滬鐵路15～30 m路塹危巖落石;文獻(xiàn)［6］采用雙向滑動面搜索方式，考慮路塹邊坡多級平臺幾何特征和巖層產(chǎn)狀，實(shí)現(xiàn)了對順層巖質(zhì)邊坡安全系數(shù)的編程搜索。針對既有建(構(gòu))筑物對路塹工程的影響;文獻(xiàn)［7］從機(jī)械配置、施工方法和工程管理角度出發(fā)，選擇合理爆破參數(shù)、裝藥結(jié)構(gòu)和精確的起爆網(wǎng)路，完成了緊鄰既有線高邊坡路塹開挖;文獻(xiàn)［8］采用MⅠDAS有限元軟件，分析了路塹邊坡開挖過程中坡腳與既有鐵路隧道中線間距對襯砌內(nèi)力分布的影響規(guī)律。

然而，對于既有鐵路行車和山體危巖落石對設(shè)計(jì)施工的雙重影響，如何定量化分析飛石落距對安全防護(hù)距離的要求和控制的研究相對較少。而揚(yáng)州至績溪高速公路寧績段小嶺塘上跨皖贛鐵路大橋臺后路基受線形控制設(shè)計(jì)為臺后山體深挖路塹，山體最大挖深約34．5 m。因此，需重點(diǎn)考慮施工階段的防護(hù)體系構(gòu)建、危巖落石處理及山體爆破開挖控制技術(shù)。對此本文提出主、被動防護(hù)結(jié)合的防護(hù)體系及分區(qū)、分層破巖的施工技術(shù)，并通過位移、變形及裂縫控制檢驗(yàn)了設(shè)計(jì)的合理性。

1 工程地質(zhì)概況

本工程區(qū)域?qū)儆谇鹆陞^(qū)，山體表層植被發(fā)育，多為雜草及灌木，較陡(自然坡度50°～70°)，巖層走向?qū)τ诩扔需F路為逆向，巖體有明顯破碎，部分風(fēng)化。山體下方為既有皖贛鐵路，皖贛線路右側(cè)路塹以高邊坡形式通過，如圖1所示。

圖1 擬開挖高邊坡、危石與既有鐵路關(guān)系Fig．1 Relationship between high steep side slope，dangerous rock and existing railway line

高邊坡防護(hù)采用漿砌預(yù)制混凝土塊擋土墻，最高9．5 m，最低5．2 m。上部為石質(zhì)邊坡，未設(shè)防護(hù)，現(xiàn)場地質(zhì)表層為第四系硬塑狀殘坡積粉質(zhì)黏土或中密-密室狀碎石層，軟塑-硬塑狀沖洪積粉質(zhì)黏土、碎石層，下伏基巖為寒武奧陶紀(jì)西陽山祖-青灰色泥質(zhì)灰?guī)r等組成的韻律層，風(fēng)化程度較為嚴(yán)重，表層較為破碎。

2 防護(hù)工程及開挖方案設(shè)計(jì)

2．1 臨時防護(hù)工程設(shè)計(jì)

在其他防護(hù)均未施工前，首先要設(shè)置臨時防護(hù)網(wǎng)，臨時防護(hù)網(wǎng)在既有擋墻上部設(shè)置，主要是為了防止在施工3道防護(hù)過程中，小型落石、落物、小型設(shè)備和機(jī)具等的滑落而影響既有鐵路的運(yùn)行。

2．2 既有鐵路和危石防護(hù)工程設(shè)計(jì)

為保障既有鐵路行車安全，考慮設(shè)計(jì)柔性主動防護(hù)網(wǎng)、被動防護(hù)網(wǎng)和剛性擋渣墻3道防護(hù)措施相結(jié)合的防護(hù)體系，如圖2所示。每道防護(hù)設(shè)施位置及作用如下。

圖2 多層防護(hù)體系(單位:m)Fig．2 Multiple protection system(m)

第1道防護(hù)設(shè)施設(shè)置于危石周邊，緊貼危石，采用柔性主動防護(hù)網(wǎng)，使危石形成“整體”結(jié)構(gòu)。

第2道防護(hù)設(shè)施位于山體開挖施工影響范圍內(nèi)的坡面上，采用被動防護(hù)網(wǎng)，攔截可能墜落的落石、落物。

第3道防護(hù)設(shè)施位于既有鐵路擋墻上方(遠(yuǎn)離鐵路一側(cè)的山體背面，設(shè)置于山體坡腳上方)，采用剛性擋渣墻，公路用防撞護(hù)欄柱，中間采用波形護(hù)欄和鋼絲網(wǎng)進(jìn)行防護(hù)，主要攔截落石和落物。

2．3 深路塹邊坡開挖工程設(shè)計(jì)

2．3．1 危石部分山體開挖

危石部分山體位于標(biāo)高192．0 m以上，施工時采取機(jī)械破碎錘進(jìn)行開挖，山體逐漸開挖至設(shè)計(jì)高程，如圖3所示。

圖3 山體分層、分區(qū)開挖布置(單位:m)Fig．3 Layout of section-by-section and layer-by-layer cutting(m)

2．3．2 危石體下部山體開挖

危石體以下距離既有鐵路30 m范圍內(nèi)，采用高效無聲破碎劑進(jìn)行靜態(tài)破碎開挖;危石體以下距離既有鐵路30～50 m，采用淺孔爆破開挖;危石體以下距離既有鐵路超過50 m范圍，采用中深孔臺階控制爆破開挖。

上述4種開挖方式中除危石體部分必須最先完成開挖，其余部分根據(jù)施工進(jìn)展，交叉逐層順序進(jìn)行開挖。

3 控制爆破技術(shù)在高路塹橋臺開挖中的應(yīng)用

3．1 精細(xì)化控制爆破原則

危石體以下山體主要采用淺孔爆破和中深孔爆破開挖，根據(jù)爆破區(qū)段的實(shí)際情況，同時考慮爆破震動和爆破造成的后坐擠壓作用可能引起滾石、擋土墻坍塌等事故，擬確定采用“精細(xì)化控制爆破”方法進(jìn)行施工。

本著“多打眼、少裝藥”的控制爆破原則，根據(jù)爆破點(diǎn)距離鐵路線的遠(yuǎn)近不同，擬采用的爆破方法、臺階高度、孔網(wǎng)參數(shù)、裝藥量和網(wǎng)路設(shè)計(jì)等都處在不斷變化中。爆破方法以中深孔爆破為主，淺孔爆破為輔，即當(dāng)爆破工作面距離鐵路線和危石較近時，爆破方法由中深孔爆破轉(zhuǎn)換為淺孔爆破法。

3．2 中深孔臺階爆破

根據(jù)工程類比經(jīng)驗(yàn)并考慮施工便利，確定選用KQD100型潛孔鉆進(jìn)行中深孔爆破鉆孔;根據(jù)爆破點(diǎn)距離鐵路線的遠(yuǎn)近及地形條件，選擇采用分層臺階爆破。鉆孔深度L一般根據(jù)臺階高度H加上超深h確定;炮孔間距a和炮孔排距b等根據(jù)相關(guān)公式確定。中深孔臺階爆破參數(shù)如表1所示。

表1 中深孔臺階爆破參數(shù)Table 1 Parameters of medium-deep hole step blasting

表1中，對于控制爆破區(qū)盡量采用小抵抗進(jìn)行爆破，因?yàn)樵谖鳌⒈?個方向上均為荒山坡谷，無需要保護(hù)的人或物，故底盤抵抗線W1取3．0 m，與炮孔排距b的取值相同。當(dāng)臺階高度相等時，其單孔裝藥量裝藥量也相同，即:Q1=Q2;對于每延米炮孔裝藥量q'考慮卷裝炸藥存在間隙，取6．06 kg/m。

此外，對于堵塞長度，合理長度應(yīng)為(0．63～0．88)W1［9］，實(shí)際取 2．7 m，小于能夠供堵塞長度的理論值L2。

3．3 淺孔臺階爆破

淺孔爆破主要用于控制區(qū)的輔助爆破施工，其爆破參數(shù)如表2所示。

表2 淺孔臺階爆破參數(shù)Table 2 Parameters of shallow-hole step blasting

3．4 起爆方式及網(wǎng)路

3．4．1 中深孔爆破起爆方式及網(wǎng)路

1)起爆方法。炮孔內(nèi)采用非電導(dǎo)爆雷管進(jìn)行微差起爆，每個炮孔采用2發(fā)雷管組網(wǎng)起爆。

2)起爆規(guī)模。由于本區(qū)段爆破環(huán)境相當(dāng)復(fù)雜，因此要嚴(yán)格限制起爆規(guī)模，擬采用孔內(nèi)孔外共同延期的接力起爆網(wǎng)路，嚴(yán)格實(shí)現(xiàn)逐孔起爆。一般每次起爆2—3排炮孔，炮孔數(shù)約為15～18個/次，則最大段裝藥量為 44．1 kg，控制區(qū)為 29．4 kg。

3)網(wǎng)路連接。采用V形起爆網(wǎng)路，使用雷管段數(shù)為1—9段，控制區(qū)盡可能采用前5段起爆。采用“先簇聯(lián)后串聯(lián)”或采用“四通連接元件”連網(wǎng)，并-串聯(lián)起爆網(wǎng)路。

4)網(wǎng)路激發(fā)。采用“非電導(dǎo)爆管網(wǎng)路-導(dǎo)爆管-起爆針-發(fā)爆器”的混合激發(fā)網(wǎng)路。

3．4．2 淺孔爆破起爆方式及網(wǎng)路

淺孔爆破的裝藥量一般都比較小，采用非電導(dǎo)爆雷管進(jìn)行多排孔的微差起爆，單孔單響，則最大段裝藥量可控制在2．1 kg以下。使用雷管段數(shù)為1—9段，腳線長5 m。網(wǎng)路連接采用大串聯(lián)連接或分區(qū)接力起爆網(wǎng)路。

3．5 預(yù)裂爆破

為確保邊坡穩(wěn)定及平整度，施工時沿著邊坡開挖輪廓線布置1排預(yù)裂爆破孔，炮孔傾角與設(shè)計(jì)坡率傾角相一致，為56°。主要爆破參數(shù)設(shè)計(jì)如下:

1)炮眼直徑D。采用英格索蘭全液壓鉆機(jī)，鉆孔直徑D=89 mm，傾斜鉆孔。

2)炮眼深度。根據(jù)臺階高度及傾角，炮眼深度L=6．0 m。

3)每延米裝藥量q和裝藥不耦合系數(shù)k。根據(jù)現(xiàn)場試爆及多次調(diào)整，采用藥卷直徑32 mm，不耦合裝藥，q=1．0 kg/m。

4)裝藥長度L1和填塞段長度L2。裝藥長度L1=L-L2=6-1．5=4．5 m;填塞段長度 L2=1．5 m。

5)計(jì)算單孔裝藥量Q=4．5 kg。

6)炮眼間距 a=2．0 m，排距 b=1．4 m。

3．6 爆破施工效果

目前，公路行業(yè)對于邊坡爆破的質(zhì)量評定尚未列入JTG F10—2006《公路路基施工技術(shù)規(guī)范》評測要求。而本工程爆破后所留下的半孔孔壁上沒有明顯的爆破裂紋，巖面平整、規(guī)則，超欠挖引起的避免凹凸起伏差小于10 cm，部分邊坡單級高度采用12 m，節(jié)約了大量的錨固工程量，且邊坡穩(wěn)定性良好。預(yù)裂爆破效果如圖4所示。

圖4 預(yù)裂爆破效果Fig．4 Effect of pre-split blasting

本工程采用V型起爆網(wǎng)路，爆堆集中度高，被爆巖石受到擠壓且碰撞作用強(qiáng)烈，大塊巖石產(chǎn)出率明顯下降。由于爆破拋堆方向指向爆區(qū)中心，克服了根底，拋距小，爆堆集中加快了裝車速度。爆堆及巖石塊度如圖5所示。

圖5 爆堆及巖石塊度Fig．5 Blasted muck pile and rock fragmentation

3．7 控制爆破效果校核及區(qū)域劃分

3．7．1 地震效應(yīng)

通過公式(1)驗(yàn)證本工程爆破裝藥量的合理性。根據(jù) GB 6722—2003《爆破安全規(guī)程》［10］，地震波的傳播速度

式中:擋土墻允許的振動速度按毛石墻對待為1．5 cm/s［10］;K，α 為與地震波傳播介質(zhì)和爆破區(qū)地形地質(zhì)條件有關(guān)的衰減系數(shù)，根據(jù)《爆破安全規(guī)程》、巖石軟硬程度及振動頻率綜合考慮，取K=150，α=1．67;Q為最大段裝藥量，參見表1和表2分別為29．4 kg和2．1 kg;R為爆破中心距離被保護(hù)建(構(gòu))筑物的距離，為 35 m 和 26．5 m［10］。

將以上參數(shù)值代入公式(1)得:v深孔=2．6 cm/s;v淺孔=1．0 cm/s。

可見，淺孔爆破可以滿足爆破震動效應(yīng)的安全需求，而中深孔爆破震動效應(yīng)則有可能對擋土墻造成損壞，因此必須采取相應(yīng)的安全技術(shù)措施來降低爆破的地震效應(yīng)。

根據(jù)公式(1)來反推地震波的安全距離和最大段裝藥量，即:

將以上數(shù)據(jù)分別代入公式(2)和公式(3)得:R安全=49 m;Qmax=10．8 kg。參考 R安全和 Qmax調(diào)整爆破設(shè)計(jì)方案并采取以下措施:

1)在距離既有鐵路49 m內(nèi)，必須采用分段裝藥結(jié)構(gòu)或小臺階爆破。采用小臺階爆破時，臺階高度H≤5．0 m，孔網(wǎng)參數(shù) a×b=3．0 m ×2．5 m;采用孔內(nèi)分段裝藥結(jié)構(gòu)時，最大段裝藥量控制在10．8 kg以內(nèi)。二者相比，采用分段裝藥結(jié)構(gòu)較為合理。

2)當(dāng)30 m＜R＜50 m時，采用淺孔爆破，自下而上分層進(jìn)行小臺階爆破，當(dāng)R≥50 m時，采用深孔爆破。

3．7．2 爆破振速監(jiān)測

為尋找爆破地震波衰減規(guī)律，按照預(yù)定的監(jiān)測方案進(jìn)行了鐵路擋墻深孔爆破振動測試。通過對波形圖進(jìn)行時域和頻譜分析，得出各測點(diǎn)的實(shí)測振動數(shù)據(jù)，如表3所示。

由表3可知，質(zhì)點(diǎn)峰值振速隨距離變化比較明顯。隨著距離的增大，質(zhì)點(diǎn)峰值振動速度減小，且隨爆心距的逐步增大，質(zhì)點(diǎn)峰值振速的衰減速率逐步降低。這說明在同段最大藥量相同時，質(zhì)點(diǎn)峰值振動速度有逐步衰減趨勢。

表3 爆破振動測試數(shù)據(jù)Table 3 Blasting vibration monitoring data

從實(shí)測數(shù)據(jù)可知，深孔爆破引起的鐵路擋墻最大振動速度為1．441 6 cm/s。小于《爆破安全規(guī)程》規(guī)定的一般磚房、非抗震大型砌塊構(gòu)筑物主頻在50～100 Hz時的質(zhì)點(diǎn)安全振動速度2．7～3．0 cm/s，控制在毛石房屋主頻在50～100 Hz時的質(zhì)點(diǎn)安全振動速度1．1～1．5 cm/s范圍內(nèi)。故本次爆破引起的振動效應(yīng)不會對既有鐵路擋墻造成破壞。

3．7．3 爆破飛石落距

目前，關(guān)于爆破飛石安全距離的計(jì)算，《爆破安全規(guī)程》尚無具體的計(jì)算公式，常用的距離估算公式有:前蘇聯(lián)硐室爆破飛石計(jì)算公式，程康、章昌順等總結(jié)的深孔梯段爆破公式和日本火炸藥保安協(xié)安公式等。這些公式一般基于經(jīng)驗(yàn)判斷、試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)或(彈道)理論推導(dǎo)，不同公式計(jì)算得到的飛石飛散距離如表4所示。

表4 不同公式計(jì)算得到的飛石飛散距離［11］Table 4 Rock flying distance calculated by different formulas

對于爆破飛石落距的計(jì)算，表4中為常用計(jì)算公式。但受應(yīng)用條件限制，前蘇聯(lián)經(jīng)驗(yàn)公式、彈道公式和深孔梯段公式都不適用，而Lundborg公式考慮了裝藥集中度、爆孔直徑、填塞長度等綜合因素，故取該公式計(jì)算結(jié)果作為本次爆破設(shè)計(jì)的飛石安全距離。

同時應(yīng)注意:爆破時間一定要選在無行車時段;另外，爆破區(qū)四周多為灌木草叢，爆破時應(yīng)注意提醒游人和放牧者及時躲避。爆破的安全警戒距離為200 m。

3．7．4 飛石遮擋效果

由圖6可見，深孔爆破區(qū)產(chǎn)生的飛石被坡下柔性防護(hù)網(wǎng)攔截，最大飛石塊度平均直徑約20 cm，距離爆破中心直線距離45 m，比Lundborg公式計(jì)算結(jié)果偏大，這是因?yàn)樵摴綗o法考慮自然地面坡型、風(fēng)速等客觀因素。故本工程被動防護(hù)網(wǎng)離深孔爆破中心距離實(shí)際為45 m，保障了施工安全，防護(hù)效果良好。

圖6 防護(hù)網(wǎng)攔截飛石效果Fig．6 Effect of flying rock interception by means of protection net

4 結(jié)論與建議

基于概念(經(jīng)驗(yàn))設(shè)計(jì)及爆破理論分析，考慮危巖落石對既有鐵路影響范圍，針對臺后深挖路塹施工，采用分層控制爆破開挖技術(shù)，得到以下結(jié)論并提出建議。

1)考慮既有鐵路行車影響，有必要依據(jù)爆破振速控制安全距離，將爆破影響范圍劃分為0～30 m，30～50 m，大于50 m等不同段落，并相應(yīng)采用不同開挖形式和防護(hù)體系。

2)爆破飛石落距計(jì)算尚無統(tǒng)一公式，建議采用反映裝藥集中度、爆孔直徑、填塞長度等因素影響的Lundborg公式，深孔和淺孔爆破飛石理論距離分別為38 m和17 m，施工中應(yīng)考慮風(fēng)向、自然地形坡率等因素的影響，適當(dāng)放大安全距離。

3)建議根據(jù)《爆破安全規(guī)程》爆破效果校核方法，合理地確定精細(xì)化控制爆破的設(shè)計(jì)邊界，真正做到經(jīng)濟(jì)有效、安全可靠。

4)深孔爆破振動安全距離應(yīng)控制在大于50 m范圍，結(jié)合分段裝藥和小臺階爆破，既有鐵路擋墻最大振速為1．441 6 cm/s，控制在1．1 ～1．5 cm/s，符合規(guī)程要求。

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