復(fù)雜條件下的路塹高邊坡石方路基控制爆破施工技術(shù)

智緒金

（中鐵五局集團第一工程有限責(zé)任公司，湖南 長沙 410007）

1 工程概況及周邊環(huán)境

貴州銅（仁）大（龍）高速公路位于銅仁市和玉屏縣境內(nèi)，起點向北連入杭瑞高速，終點向南連入滬昆高速。設(shè)計速度80km，按雙向六車道設(shè)置。K3+840～K4+340段路塹石方路基全長500m，路基寬度25.5m，邊坡3～6級，坡率1∶1～1∶0.25，開挖深度20.4～44.6m，石方開挖量約32.6萬m3。地質(zhì)及周邊環(huán)境相當復(fù)雜，爆破施工安全風(fēng)險極高。山體表層覆蓋植被薄，僅1～2m，石質(zhì)為中硬巖性的弱風(fēng)化花崗石閃長巖，無斷層，節(jié)理不發(fā)育；部分復(fù)合地層區(qū)域土夾石，上軟下硬。西側(cè)距路基開挖線20m外為村莊聚集區(qū)，多為磚混結(jié)構(gòu)和木質(zhì)磚混結(jié)構(gòu)結(jié)合的建筑物；東側(cè)距路基開挖線15m外為大型汞礦礦業(yè)公司廠區(qū)，生產(chǎn)用精密儀器主要為玻璃器質(zhì)，庫房內(nèi)存儲有大量易燃易爆易揮發(fā)的劇毒性生產(chǎn)原料液態(tài)氨和液態(tài)氯。路基周邊環(huán)境見圖1。

2 復(fù)雜條件下路塹高邊坡石方路基爆破原則

該段石方路基開挖長度大，拉槽深，石質(zhì)堅硬。爆破地震控制的重點是控制爆破震動最大速度或最大加速度[1]。針對爆破施工震動、環(huán)保控制敏感性高的特點，依風(fēng)險等級大小，合理分區(qū)制定不同的爆破方法和減震避損綜合防護措施，確定施工原則如下：（1）“安全第一”的原則。確保爆破施工萬無一失。（2）“預(yù)防為先”的原則。運用飛石阻擋排架，減震溝和應(yīng)力釋放孔等相結(jié)合的綜合防阻技術(shù)。（3）“控制爆破”的原則。低風(fēng)險主爆區(qū)采用中深孔相結(jié)合的臺階微差松動控制爆破技術(shù)。（4）“無聲爆破”的原則。對高風(fēng)險區(qū)域及永久路塹邊坡，采用“靜態(tài)爆破”與“弱爆破”相結(jié)合的技術(shù)。

3 施工方案

施工采用“預(yù)先防護+控制爆破+無聲爆破”等綜合施工技術(shù)。“預(yù)先防護”指施工前在開挖界外平行線路方向施作“飛石阻擋排架+減震溝+應(yīng)力釋放孔”；“控制爆破”指非高風(fēng)險的路基拉槽主爆區(qū)采用“φ90中深孔相結(jié)合的臺階微差松動控制爆破”；“無聲爆破”指開挖界臨近汞礦礦業(yè)公司廠區(qū)和村莊聚集區(qū)10～20m及路塹邊坡至拉槽主爆區(qū)1～5m的寬度范圍采用“靜態(tài)爆破+φ38淺孔松動爆破”。施工順序為先防護區(qū)，再主爆區(qū)，后高風(fēng)險區(qū)，依次循環(huán)交替施工。施工方案適用區(qū)域和斷面防護見圖2。

4 防護阻擋排架、減震溝和應(yīng)力釋放孔施工

圖1 K3+840～K4+340段路塹石質(zhì)路基周邊環(huán)境圖

圖2 施工方案適用區(qū)域和斷面防護示意圖

在路基和受保護的結(jié)構(gòu)物、物品之間縱向延伸各15m，分別施作“主動減震隔溝+防護排架+被動減震隔溝”，以阻擋飛石和降低爆破震動源向外輻射的能量。在距離路塹邊坡開挖線5m處挖主動減震隔溝；在路塹邊坡開挖線外側(cè)施作“雙排鋼管架+滿鋪竹跳板”的防護阻擋組合排架；在距受保護的結(jié)構(gòu)物、建筑物橫向5～8m處開挖被動減震隔溝。隔溝形式為矩形，寬度、深度均為2～3m。

在需要保護的建筑物一側(cè)和采用靜態(tài)爆破施工的路塹邊坡開挖線內(nèi)側(cè)1～2m范圍，設(shè)置應(yīng)力釋放孔[2]，孔徑φ80mm，間距1.2m，單排鉆孔深度根據(jù)路塹邊坡分級高度確定，加深0.5～1m，一般為6～10m，孔內(nèi)不填充，孔口設(shè)防雜物掉入封堵措施。主要機理是使巖層膨脹破碎過程產(chǎn)生的擴散擠壓力消散到應(yīng)力釋放孔內(nèi)，緩解土體的擠壓效應(yīng)，從而大幅減少巖層變形對周邊環(huán)境的影響。

5 爆破設(shè)計及參數(shù)選擇

“φ38淺眼爆破”適用于埋設(shè)有地下管線，局部孤石、土夾石，石質(zhì)裂縫發(fā)育、狹窄以及潛孔鉆機無法到達的路基陡坡、邊角區(qū)域。“φ90中深孔結(jié)合爆破”適用于路基拉槽主爆區(qū)。

5.1 φ38淺眼、φ90中深孔臺階微差松動控制爆破

（1）炮孔布置及基本參數(shù)。①φ38淺眼松動爆破。鉆孔直徑為38mm，垂直梅花型布設(shè)，采用小臺階爆破法。臺階高度1.5m;；深度1.5～3.0m；前排孔抵抗線W：0.9～1.1m。孔距a：1.0～1.4m。排距b：0.9～1.3m。根據(jù)臺階高度及巖性、完整性不同選擇不同的孔深、孔距、排距取值，臺階高度大時取大值，反之取小值。裝藥結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

表1 38mm炮孔裝藥結(jié)構(gòu)參數(shù)表

②φ90中深炮孔松動爆破。鉆孔直徑為90mm，垂直正三角形布設(shè)孔，采用中深孔臺階爆破法。臺階高度5～7m，深0.5～1m；底板抵抗線W為2.5～3m；孔距為a=3m。排距為b=3m；填塞長度為2.8～3m。根據(jù)臺階高度及巖性、完整性不同選擇不同的孔深、孔距、排距取值，臺階高度大時取大值，反之取小值。裝藥結(jié)構(gòu)參數(shù)見表2。

表2 90mm炮孔裝藥結(jié)構(gòu)參數(shù)表

（2）炸藥單耗q的選取。本工程選用二號巖石乳化炸藥。單耗初選分別為φ38mm淺眼時q1=0.25kg/m3；φ90mm中深孔時q1按0.25～0.3kg/m3計算，先試爆，再根據(jù)巖性及爆破效果調(diào)整爆破參數(shù)。

（3）單孔裝藥量Q的確定。單孔爆破體積計算公式如下：

單孔裝藥量計算公式如下：

對均質(zhì)邊坡而言，爆破地震波傳播主要受不同坡度的坡面的影響[3]。因前排鉆孔緊貼碴堆，會產(chǎn)生較大的透射波而損失爆能，且需推壓碴堆為后續(xù)的爆破創(chuàng)造空間；最后一排孔的爆破響應(yīng)需考慮下一循環(huán)爆破的碴堆松散系數(shù)，且受前幾排孔的制約，需要克服壓制作用，故這兩排孔均需加大5%～10%的裝藥量，以達到更好的爆破效果。

（4）裝藥結(jié)構(gòu)及炮孔堵塞。采用連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)，藥卷直徑φ32mm、φ70mm二號巖石乳化炸藥。孔口炮泥堵塞，電子雷管聚能穴指向孔口的反向裝藥結(jié)構(gòu)。

（5）起爆網(wǎng)絡(luò)。為降低單響震動和確保網(wǎng)絡(luò)的可靠，根據(jù)現(xiàn)場炮區(qū)形狀，各炮孔均采用電子雷管孔內(nèi)延時，采用專用起爆器起爆。

（6）爆破安全控制。①爆破震動安全控制。對爆破震動影響的控制，具體到施工中關(guān)鍵是確定允許的單段藥量或爆破規(guī)模[4]。根據(jù)本工程所處地理位置和保護對象性質(zhì)，進行震動驗算以確定同段起爆最大藥量。

根據(jù)《爆破安全規(guī)程》爆破震動安全允許距離公式：

式中：由于巖石為中硬巖性，因此K為與地質(zhì)條件有關(guān)的系數(shù)，介質(zhì)特性、爆破方式及其他因素有關(guān)系數(shù)，取220；V為非抗震性鋼筋混凝土框架房屋允許震速，取2cm/s，α為地震衰減指數(shù)，取1.8。

由式3可得出Qmax=R3（V/K）3/α。不同距離的單次同段起爆最大裝藥量值對照見表3。

在實際施工中，根據(jù)不同爆破區(qū)域保護距離控制同段起爆最大裝藥量，使爆破震動可控。由于綜合防護措施的運用和采用靜態(tài)爆破施工高風(fēng)險區(qū)域，主爆區(qū)的爆破震動速度會明顯減弱。在初期以安全距離參考值對應(yīng)的裝藥量的一半作為最大單次同段裝藥量進行爆破試驗，開展爆破震動監(jiān)測，以求取主爆區(qū)真實可靠的K、a值，和調(diào)整單次最大裝藥量。②爆破網(wǎng)絡(luò)安全控制。爆破前的爆破網(wǎng)絡(luò)模擬實驗，重點檢查爆破網(wǎng)絡(luò)的可行性、正確性和穩(wěn)定性，檢查爆破炮孔的起爆藥包，堵塞和網(wǎng)絡(luò)敷設(shè)情況。③爆破飛石控制。爆破飛石控制主要依靠施作9m高的“雙排鋼管架+滿鋪竹跳板”防護阻擋組合排架和“孔口上壓沙包，爆區(qū)表面覆蓋由土工格柵和廢舊輪胎制作的雙層重型炮被防護網(wǎng)并再壓沙包”的表層防護。石方爆破孔口和表層防護見圖3。

表3 不同距離的單次同段起爆最大裝藥量值對照表

圖3 石方爆破孔口和表層防護圖

5.2 靜態(tài)控制爆破

根據(jù)工程實際選用由東科建材研制的大孔徑無聲“靜態(tài)破碎劑”（簡稱“SCA”的化學(xué)堿性材料），是一種以特殊的硅酸鹽或氧化鈣為主體，無機化合物和復(fù)合有機化合物制成的粉末狀物質(zhì)，在水化反應(yīng)過程中形成固體膨脹，產(chǎn)生膨脹壓力，造成介質(zhì)破裂，是一種靜力作用，破裂過程無飛石、無震動、無音響、也無有毒氣體產(chǎn)生[5]。

（1）藥劑選型。SCA藥劑依使用溫度范圍-5～40℃的要求有4種型號。根據(jù)本工程夏季施工的情況，選擇使用溫度為25～40℃的SCA（I型）藥劑。膨脹壓力在1～2d內(nèi)可達到35～40Mpa，測試溫度為30±2℃，水灰比控制在0.2～0.32，流動度控制在160～200mm，初凝時間不早于30min，終凝不遲于4h。

（2）施工參數(shù)設(shè)計。SCA藥劑對強風(fēng)化石質(zhì)和土石結(jié)合區(qū)域不適用。根據(jù)石質(zhì)巖性及現(xiàn)場情況，進行施工參數(shù)設(shè)計見表4。根據(jù)靜態(tài)爆破范圍，巖層、巖性的實際情況，合理劃分單次爆破區(qū)域及布孔數(shù)量。按梅花形布置，一次裝填不大于6排，與孔平行的方向保證至少有一個自由面。孔距：a=（10-13）d，d為孔徑。排距：b=（0.7-1.0）a。根據(jù)分層開挖厚度，確定中風(fēng)化巖層單次孔深在1～2.5m，弱風(fēng)化巖層單次孔深在1～4m，裂隙發(fā)育的取小值，反之取大值。

表4 鉆孔及SCA設(shè)計參數(shù)

（3）施工方法。①根據(jù)氣溫、石質(zhì)條件，正確選擇破碎劑的類型。②剝離表層覆蓋植被土，露出基巖。③按巖石的巖性、分層、發(fā)育情況，做靜態(tài)破碎工藝性試驗，驗證優(yōu)化孔徑、孔網(wǎng)參數(shù)、孔深、水灰比設(shè)計，鉆孔較設(shè)計超深5%。④按設(shè)計水灰比值（0.2～0.32）計算用水量和破碎劑用量，拌和均勻成砂漿狀，時間為1.5～3min。拌和好的破碎劑漿體15min以內(nèi)充填完畢。環(huán)境溫度高時，宜早晚施工。⑤往炮眼中灌注拌和好的漿，填緊，木棍搗固密實。充填完畢后，用快凝水泥砂漿或袋裝炮泥迅速封口，確保密閉性良好。⑥養(yǎng)生。觀察破碎情況，當裂縫出現(xiàn)時，往裂縫澆水以加速膨脹壓力的發(fā)生和裂縫的擴大。

6 爆破安全管理

爆破施工必須嚴格執(zhí)行《爆破安全規(guī)程》（GB 6722—2014）、《民用爆炸物品安全管理條例》和地方政府、建設(shè)和設(shè)計單位的管理要求。及時編制施工方案和優(yōu)化爆破設(shè)計參數(shù)，按規(guī)定程序?qū)徟螅夹g(shù)交底并組織實施[6]。

7 結(jié)束語

經(jīng)采用復(fù)雜條件下的路塹高邊坡石方路基控制爆破施工技術(shù)，成功實施了對銅大高速K3+840～K4+340段石方路基的安全爆破和開挖施工。路基周邊受保護范圍的結(jié)構(gòu)物和物品等均安全，未出現(xiàn)擾民、飛石傷害和震動破壞，取得了良好的經(jīng)濟和社會效益，可為復(fù)雜條件下類似工程的實施提供參考與借鑒。