復(fù)雜環(huán)境下鐵路復(fù)線路塹爆破開挖安全控制技術(shù)

孫崔源 郭云龍 孟海利 薛里 康永全 劉世波

（中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081）

工程爆破技術(shù)已在鐵路、交通、礦山、建筑、水利、國防等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。工程爆破高效又經(jīng)濟(jì)，但也存在爆破振動(dòng)等問題。國內(nèi)外學(xué)者從爆破振動(dòng)和爆破飛散物防護(hù)兩方面進(jìn)行了相關(guān)研究。黃昌富［1］在鐵路路塹爆破過程中采用大孔距、小抵抗線、逐孔起爆等技術(shù)控制爆破有害效應(yīng)；趙明生等［2］為了減小近距離保護(hù)物處的爆破振動(dòng)，采用孔內(nèi)微差與不耦合裝藥相結(jié)合方式，控制了爆破振動(dòng)的影響；王書兵，唐海等［3-4］在復(fù)雜環(huán)境下采用多層覆蓋防護(hù)措施對(duì)爆破飛散物進(jìn)行了主動(dòng)防護(hù)，有效控制了爆破飛散物對(duì)周邊民房等保護(hù)物的危害。

本文在前人研究的基礎(chǔ)上，根據(jù)渝懷二線漾頭車站站改工程的特點(diǎn)，從爆破技術(shù)、安全防護(hù)措施等方面探討爆破飛散物和爆破振動(dòng)的控制技術(shù)，為類似緊鄰既有線和民房復(fù)雜環(huán)境下爆破施工提供參考。

1 工程概況

渝懷二線漾頭車站站改工程位于貴州省與湖南省交界處，對(duì)應(yīng)既有渝懷鐵路里程為K554+832—K555+421，全長589 m。該站改工程需對(duì)既有渝懷線路基北側(cè)進(jìn)行路基填筑和路塹開挖，其中路基土石方填方量2.7×104m3，土方挖方量4.1×104m3，石方挖方量1.6×104m3。由于土石方開挖量較大，工期緊，故采用爆破開挖方式。爆區(qū)周邊環(huán)境見圖1。

圖1 爆區(qū)周邊環(huán)境

現(xiàn)場爆區(qū)西側(cè)緊鄰鐵路高壓輸電線路和車站站房，東側(cè)逐漸并入既有鐵路。現(xiàn)場地形呈斜坡狀，爆區(qū)在山坡頂部，坡面朝向既有鐵路和居民民房。根據(jù)地勘資料該區(qū)域地層中存在軟弱夾層。在復(fù)雜地質(zhì)和不利地形條件下爆破產(chǎn)生的振動(dòng)和飛石是本工程防控重點(diǎn)。爆破施工時(shí)需采用控制爆破技術(shù)和安全防護(hù)措施，以減小爆破振動(dòng)和控制爆破飛散物對(duì)周邊鐵路設(shè)備設(shè)施、民房和居民生活的影響。

2 總體開挖方案

從安全、高效、低成本的角度出發(fā)，根據(jù)本工程的地形地質(zhì)和周邊環(huán)境條件，GB 6722—2014《爆破安全規(guī)程》［5］以及TB 10313—2019《鐵路工程爆破振動(dòng)安全技術(shù)規(guī)程》［6］中對(duì)路基、接觸網(wǎng)、邊坡、涵洞、站房等設(shè)備設(shè)施振動(dòng)速度的要求，確定鐵路設(shè)備設(shè)施爆破振動(dòng)速度允許值在5.0 cm/s內(nèi)。

總體開挖方案如下：

1）整體采用預(yù)留巖墻精準(zhǔn)微振控制爆破技術(shù)。距既有鐵路較遠(yuǎn)處采用深孔爆破開挖，臺(tái)階高10 m；在預(yù)留巖墻外6 m范圍內(nèi)采用淺孔爆破，臺(tái)階高3 m，以此確保巖墻高度始終高于主爆區(qū)3 m，起到屏障的作用，見圖2。

圖2 不同的爆破方式分布示意

2）預(yù)留巖墻采用淺孔松動(dòng)爆破和機(jī)械破碎相結(jié)合的方式逐層拆除。在遠(yuǎn)離既有線側(cè)采用淺孔松動(dòng)爆破，抵抗線長度為1.0～1.2 m，緊挨既有線側(cè)采用機(jī)械破碎的方式拆除。

3）依據(jù)現(xiàn)有地形和起爆順序，設(shè)置爆區(qū)拋擲方向背對(duì)既有鐵路。根據(jù)爆區(qū)的位置，嚴(yán)格控制爆破炸藥單耗藥量、最大單響藥量和一次爆破規(guī)模。深孔區(qū)和淺孔區(qū)爆破均采用逐孔起爆的方式，最大限度地減少爆破振動(dòng)對(duì)周邊環(huán)境的影響。

4）為提升預(yù)裂爆破質(zhì)量，減少爆破開挖對(duì)路塹的損傷，采用了新型同心不耦合護(hù)壁結(jié)構(gòu)，見圖3。在孔內(nèi)增加護(hù)壁裝置，使用半壁管作為裝藥載體，為偏心柔性材料不耦合護(hù)壁結(jié)構(gòu)連續(xù)裝藥。炮孔中一側(cè)充填泡沫材料，另一側(cè)裝填半卷乳化炸藥。

圖3 新型同心不耦合護(hù)壁結(jié)構(gòu)示意

5）爆破后大塊巖石采用機(jī)械破碎，既要保證施工安全，又要有利于挖裝作業(yè)的連續(xù)進(jìn)行，提高裝車出渣效率。

6）爆破施工在鐵路維修天窗內(nèi)進(jìn)行，根據(jù)位置的不同選取多元立體化綜合防護(hù)措施，對(duì)爆破分散物進(jìn)行防護(hù)，避免飛散物對(duì)既有鐵路運(yùn)營安全和鄰近居民生產(chǎn)生活產(chǎn)生影響。

3 爆破方案

3.1 爆破參數(shù)

秉承精細(xì)爆破設(shè)計(jì)理念，結(jié)合不同區(qū)域斷面特點(diǎn)及其與既有鐵路的位置關(guān)系，將爆破區(qū)域分為6個(gè)分區(qū)（圖4），以便針對(duì)性地采取爆破方法。

圖4 爆區(qū)精細(xì)劃分

各分區(qū)典型剖面如圖5所示。

圖5 各爆區(qū)典型剖面示意

深孔爆破炮孔直徑90 mm，經(jīng)現(xiàn)場試驗(yàn)確定炸藥單耗取0.35 kg/m3，炮孔深度8～10 m；淺孔松動(dòng)爆破和常規(guī)淺孔爆破的炮孔直徑均為42 mm，炸藥單耗分別為0.30，0.40 kg/m3，炮孔深度2.5～2.7 m。為減少爆破飛石，深孔爆破分層裝藥。路塹邊坡處采用預(yù)裂爆破，預(yù)裂炮孔直徑90 mm，采用新型同心不耦合護(hù)壁裝藥結(jié)構(gòu)。不同方式的爆破參數(shù)見表1。

表1 不同方式的爆破參數(shù)

3.2 起爆網(wǎng)絡(luò)

文獻(xiàn)［7-10］研究發(fā)現(xiàn)：多排孔爆破時(shí)炮孔內(nèi)采用高段雷管，孔外采用低段雷管，可有效控制爆破振動(dòng)波的疊加，進(jìn)而減小爆破振動(dòng)。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，淺孔爆破和深孔爆破孔內(nèi)均使用MS12段導(dǎo)爆管雷管連接，孔間使用MS3段導(dǎo)爆管雷管連接，排間使用MS5段導(dǎo)爆管雷管連接。預(yù)裂爆破采用導(dǎo)爆索串聯(lián)，預(yù)裂炮孔采用新型護(hù)壁裝藥結(jié)構(gòu)，以減弱爆破對(duì)預(yù)留巖體的影響。起爆網(wǎng)絡(luò)連接如圖6所示。

圖6 起爆網(wǎng)絡(luò)連接示意

4 爆破有害效應(yīng)控制

4.1 爆破振動(dòng)驗(yàn)算

對(duì)爆破振動(dòng)進(jìn)行安全距離計(jì)算，校核爆破設(shè)計(jì)的裝藥量，控制一次最大單響藥量，盡量減弱振動(dòng)效應(yīng)，確保爆區(qū)四周建（構(gòu)）筑物和設(shè)施的安全。

按照GB 6722—2014中薩道夫斯基經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算。

式中：V為最大安全振動(dòng)速度，cm/s；Q為允許最大單響藥量，kg；R為爆區(qū)到保護(hù)物的距離，m；K，α均為與地質(zhì)條件有關(guān)的系數(shù)。

根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)條件，中硬巖石按K=150，α=1.7取值，計(jì)算振動(dòng)速度5.0 cm/s時(shí)不同距離允許最大單響藥量，計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 爆區(qū)距既有線不同距離的允許最大單響藥量

根據(jù)爆破方案，距既有鐵路近的區(qū)段采用淺孔松動(dòng)爆破，最大單孔藥量為0.7 kg；次近區(qū)為常規(guī)淺孔爆破，最大單孔藥量為1.3 kg；遠(yuǎn)區(qū)為深孔爆破，最大單孔藥量為27.6 kg。通過優(yōu)化起爆網(wǎng)絡(luò)，調(diào)整單響藥量，孔內(nèi)分層裝藥，可以滿足振動(dòng)速度限值的要求。

4.2 飛石飛散距離驗(yàn)算

根據(jù)Lundborg的統(tǒng)計(jì)規(guī)律法，結(jié)合工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，炮孔爆破飛石飛散距離可采用下式［11］計(jì)算。

式中：Kf為與爆破方式、填塞長度、地形和地質(zhì)條件有關(guān)的系數(shù)，取值范圍 1.0～1.5；q為炸藥單耗，kg/m3；d為炮孔直徑，mm。

不同爆破方式下炮孔爆破飛石飛散距離計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 不同爆破方式下飛石飛散距離計(jì)算結(jié)果

爆區(qū)處于既有鐵路旁，附近還有重要公共設(shè)施，必須把飛石控制在安全范圍。在爆破設(shè)計(jì)及施工過程中，采取的主要措施包括：①合理確定抵抗線大小，避免臨空面指向鐵路；②嚴(yán)格控制炸藥單耗和裝藥結(jié)構(gòu)；③選擇黃黏土和石粉作為填塞材料，保證堵塞長度；④爆區(qū)表面覆蓋防護(hù)，覆蓋材料一般選擇強(qiáng)度高、質(zhì)量大、韌性好的材料；⑤在爆區(qū)和鐵路之間搭設(shè)鋼管排架和防護(hù)網(wǎng)，高度不得低于6 m。

5 爆破安全與防護(hù)

5.1 飛散物防護(hù)

1）被動(dòng)防護(hù)網(wǎng)

保證填塞長度和質(zhì)量的同時(shí)，在鄰近既有鐵路一側(cè)布設(shè)密目布魯克防護(hù)網(wǎng)，防止飛散物侵入既有鐵路，影響既有鐵路運(yùn)營安全。

2）孔口炮被

爆區(qū)炮孔表面覆蓋炮被和鋼絲網(wǎng)（圖7），可大大減小飛石的初始速度和飛散距離，避免跳躍現(xiàn)象。

圖7 爆區(qū)炮孔表面覆蓋防護(hù)

5.2 滾石防護(hù)

本段石方開挖均在既有鐵路的路塹邊坡旁進(jìn)行。由于既有鐵路的邊坡受到以前爆破開挖的影響已有一定損傷，為了防止爆破振動(dòng)引起鐵路側(cè)邊坡巖石開裂滑落，采用柔性和剛性相結(jié)合的防護(hù)方式。

1）密目主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)［12］。用錨桿將密目主動(dòng)防護(hù)網(wǎng)固定在所需防護(hù)坡面，以限制坡面巖石滾動(dòng)，并將滾石控制于一定范圍內(nèi)。該措施屬于柔性防護(hù)，能使局部集中荷載向四周均勻傳遞，發(fā)揮整個(gè)系統(tǒng)的防護(hù)能力，即局部受載、整體作用，從而能承受較大的荷載并降低單根錨桿錨固力。

2）攔石排架［13］。在預(yù)留巖墻坡腳處架設(shè)攔石排架（圖8），每隔10 m用鋼管架和地錨將竹排固定在坡腳邊的巖體上，地錨深度不小于1.5 m。鋼管采用φ50 mm無縫鋼管，豎向鋼管間距1.0 m，橫向鋼管間距1.0 m。縱橫鋼管交叉采用扣件聯(lián)接，在鋼管靠線路側(cè)滿鋪竹排封閉。豎向鋼管植入巖層厚度不小于1 m，整個(gè)排架每隔1.5 m加設(shè)1根斜撐，以保證排架的穩(wěn)定性。

圖8 攔石排架

3）考慮到鐵路上可能存在薄弱設(shè)備，如接觸網(wǎng)支柱，需要對(duì)其專項(xiàng)防護(hù)。接觸網(wǎng)支柱一旦破壞，整個(gè)線路將處于斷電癱瘓狀態(tài)。其防護(hù)方法：首先在接觸網(wǎng)支柱臨近爆區(qū)側(cè)埋設(shè)工字鋼墻，墻寬為2.0 m，高為3.5 m，底部埋深1.0 m，中間焊接橫撐和斜撐；然后在正對(duì)爆區(qū)側(cè)碼設(shè)砂包，起緩沖作用；工字鋼墻與接觸網(wǎng)支柱之間加掛廢舊輪胎，預(yù)防工字鋼墻傾倒直接撞擊接觸網(wǎng)支柱。

6 結(jié)論

渝懷二線漾頭車站站改工程環(huán)境復(fù)雜，安全標(biāo)準(zhǔn)要求嚴(yán)格。爆破施工時(shí)既要保證既有鐵路安全運(yùn)營和周邊居民安全，又要保證施工進(jìn)度。主要采取以下爆破和防護(hù)措施：

1）通過精細(xì)化爆破設(shè)計(jì)，將爆區(qū)精細(xì)劃分為6個(gè)分區(qū)，根據(jù)每個(gè)分區(qū)與保護(hù)對(duì)象的位置關(guān)系，采用了不同的爆破方式，有效控制了爆破振動(dòng)對(duì)保護(hù)對(duì)象的影響。

2）在鄰近既有線側(cè)，預(yù)留一定高度的巖墻，起到一定安全防護(hù)效果。預(yù)留巖墻采用淺孔松動(dòng)爆破結(jié)合機(jī)械開挖的方式快速拆除。

3）路塹邊坡側(cè)采用了新型護(hù)壁裝藥結(jié)構(gòu)，有效減小了炸藥爆炸對(duì)邊坡巖石的損傷，邊坡一次成型效果良好。

4）通過優(yōu)化爆破網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了逐孔起爆，控制了最大單響藥量，降低了爆破振動(dòng)。

5）針對(duì)不利地形地質(zhì)條件，采用小規(guī)模淺孔爆破和機(jī)械作業(yè)的方式改變臨空面方向，使其背離保護(hù)對(duì)象。對(duì)炮孔采用專用細(xì)沙進(jìn)行填塞，同時(shí)采用多元立體防護(hù)措施，有效控制了爆破飛石對(duì)既有鐵路和周邊居民的影響。

經(jīng)實(shí)施，高效安全完成施工計(jì)劃，爆破振動(dòng)速度未超過限值，鐵路設(shè)備正常運(yùn)行，未出現(xiàn)損壞現(xiàn)象。爆破飛石未侵入鐵路界限內(nèi)，同時(shí)保證了爆破開挖進(jìn)度。本工程措施可為類似緊鄰既有鐵路和居民區(qū)的復(fù)雜環(huán)境爆破施工提供參考。