論高速公路石方路塹爆破開挖的工法

周炎林 中交二公局笫四工程有限公司

1 前言

縱觀我國高速公路建設歷程，我國高速公路經歷了“瓶頸制約”、“總體緩解”、“基本適應”、“適度超前”等多個發展歷程。截至2020年，我國高速公路達16.1萬公里，公路規模總量位居全球前列。在高速公路如火如荼建設過程中，建設基礎環境高度復雜，石方基礎開始出現，為爆破開挖工法的應用提供了良好的條件。但是，因爆破開挖工法需應用炸藥、雷管等爆破材料，安全風險極大，對操作者的專業技術水平具有較高要求。因此，探究高速公路石方路塹爆破開挖的工法具有非常重要的意義。

2 高速公路石方路塹操作項目

某高速公路項目主線起點為K0+000，終點為K112+450，通過互通連接已建成的高速公路，同時經下場、新井與擬改建高速公路相接，路線全長112.45km，輔道85.632km。該高速公路項目巖性上部主體為云母石英片巖+大理石斜長角閃片麻巖，局部分布薄層表土、硬亞黏土，平均挖方高度為8.62m，擬采用爆破法施工，設計爆破工程量為1450000m3。在爆破工程開展過程中，應保證爆破能量產生的地震波參數滿足GB 6722—2014《爆破安全規程》中關于質點峰值振動速度的要求。爆破后石方路塹堅硬巖石挖方坡比為1∶75，從上層到下層分級挖方，每級高度為6.00m，中間留設碎落平臺，碎落平臺寬度為2.00m。

3 高速公路石方路塹爆破開挖的工法

3.1 施爆區調查

在高速公路石方路塹爆破開挖前，操作者應對爆破區內是否存在空中纜線進行調查，若存在空中纜線，則對空中纜線的高度、平面位置進行調查[1]。同時操作者應對爆破區地下是否存在管線進行調查，若存在地下管線，則需要對管線的埋置深度、平面位置進行調查。在這個基礎上，操作者應對開挖邊界線以外的建筑物進行調查，初步了解建筑物類型，觀察建筑物的完好程度，并對建筑物距離開挖界面的距離進行測量。

在場地調查完畢后，測量放樣，劃定高速公路范圍以及第一道坡的開口線，結合路塹設計圖紙要求，放出截水溝位置，開始排水施工，保證排水通暢。進而利用挖掘機，將表面疏松、軟弱土層清除，暴露堅硬巖石，為鉆孔操作開展做好準備。同時面向路塹場地，進行標高的精準測量。根據所測量的數值，進行鉆孔深度的嚴格控制，規避超深爆破下道破的不利影響。

3.2 制定爆破方案

在高速公路石方路塹開挖工法選擇時，應綜合考慮巖石節理發育程度、風化程度、巖石類別等因素，進行開挖方式判定。對于強風化巖石，可以直接利用機械開挖與人工開挖配合的方式，對于中風化巖石，則需要運用中小型爆破法。對于高速公路石方路塹爆破開挖，根據工程特點，結合進度要求和資源配置等因素，藥壺法、光面法較為常用。主要目的：一是減少對路塹邊坡及路塹基床下部巖石的爆破松動，二是提高開挖邊坡的平順性，減少超挖或欠挖。前者是將炮眼底部進行擴大處理，促使其維持藥壺形狀，為炸藥集中裝填提供充足空間。藥壺炮炮眼具有較大的深度，適用于均勻致密硬質黏土或者次堅石，不適用于節理發育的軟石或者地下水較發育的路塹地質。一般藥壺炮的炮眼深度在5.0m～7.0m之間，需要遠離高速公路設計邊坡（與設計邊坡水平距離超過最小抵抗線）。

藥壺炮的用藥量與單位巖石硝銨炸藥消耗量、最小抵抗線（階梯高度0.5～0.8倍）具有一定關系，而單位巖石硝銨炸藥消耗量根據地質的差異也具有一定差異，單位次堅石硝銨炸藥消耗量為0.28kg/m3～0.34kg/m3，而單位堅石硝銨炸藥消耗量為0.34kg/m3～0.35kg/m3。若為單排群炮用電雷管起爆，則每排內炮眼之間的距離為相鄰兩炮之間最小抵抗線平均值的0.8倍或1.0倍；若為多排群炮，各群藥包之間的距離為相鄰兩炮之間最小抵抗線平均值的1.5倍。

除藥壺法外，還可以運用光面爆破法。光面爆破法主要是以控制爆破作用的方向、范圍為對象，沿開挖線輪廓進行小間距炮孔的平行布置。利用不耦合裝藥+小藥卷空間間隔裝藥模式，進行少量低密度、低爆速、低猛度炸藥（如2#巖石乳化炸藥）裝填，控制炮眼裝藥高度為炮孔深度的1/3～1/2（特殊情況需小于2/3）后，進行封堵。進而利用電雷管+非電毫秒雷管在同一時刻引爆。爆破時，因爆破振動作用較少，沿炮孔中心連接線會破裂為光面，可為石方路塹開挖輪廓控制提供幫助。光面法爆破開挖時炮眼深度可根據巖石堅硬程度計算，眼間距則需綜合考慮巖石節理發育程度、巖石類別進行計算，一般采用電雷管起爆的眼間距為最小抵抗線的0.8倍或2.3倍。若選擇多排炮爆破，需要選擇梅花形布置方式，進行炮眼布置，并控制每一排炮之間的距離為同一排炮孔之間距離的0.86倍。

對于案述工程中開挖深度小、坡度平緩的路段K0+000～K111+435，沿著路塹邊坡橫斷面，逐層推進中小型爆破開挖。第一步，利用單排藥壺炮開挖階梯，階梯寬度為12.5m～14.5m，階梯深度為4.00m。同時將4個最小抵抗線為4.00m的孔裝入橫斷面，控制炮眼之間的距離為最小抵抗線的0.8倍，每一個炮眼用藥量為19.5kg。第二步，利用藥壺炮排炮爆破，形成階梯，階梯寬度為12.5m～14.5m。同時將4個最小抵抗線為3.12m的孔裝入橫斷面，控制炮眼之間的距離為每孔最小抵抗線的0.8倍。為保障爆破效果并控制個別飛石的飛散，每一排藥包之間的距離為3.00m，每一個炮眼用藥量為9.5kg。第三步，利用光面炮，沿著邊坡爆破，形成開挖邊坡。

對于案述工程中開挖深度小、坡度陡峭的路段K111+435～K112+450，沿著路塹橫斷面，逐層推進爆破。即橫斷面上部采用藥壺炮，將4個最小抵抗線為3.12m的孔裝入橫斷面，炮眼之間的距離為3.00m，每孔裝入9.50kg的炸藥；橫斷面下部采用光面炮，將2個最小抵抗線為6.00m的孔裝入橫斷面，炮眼之間的距離為7.60m，每個孔內需要裝入52.1kg的炸藥，促使橫斷面形成階梯，階梯寬度為14.0m～15.5m。

4 高速公路石方路塹爆破開挖的質量控制要點

4.1 平整場地鉆孔

爆破作業在施工前，進行詳細設計并進行爆破試驗，通過試驗進一步修正爆破設計。根據本標段實際情況選擇淺孔爆破法，臺階高度3m～4m，由風動鑿巖機鉆孔，炮孔方向大致與臺階壁面垂直或平行，采用塑料導爆管非電復式起爆網路，孔內和孔外相結合的微差爆破網路，起爆網路布置方式為大孔徑、小排距梅花形，可以在提高破碎效果、降低大塊率的同時，降低爆破振動效果對周邊構筑物、植被的沖擊。同時嚴格控制用藥量，確保爆破后基床、邊坡和塹頂山體的穩定、不松動，爆出的坡面平順，底板平整。

根據設計圖可知，案述高速公路石方路塹爆破方量為102.58萬立方米，零點標高左右下挖7.25m。根據現場勘測爆破作業區，結合給定零點標高，可以進行布孔平面圖的繪制。進而依據坡高6.00m的標準，進行兩排孔眼打設，第一排孔與開口線相距3.00m，第二排孔與開口線相距6.00m。同時確定鉆孔深度，孔與孔之間的距離為3.00m，每一排孔之間的距離為3.00m[2]。鉆孔應盡量具有一定傾斜度，孔傾斜方向與坡面相同。一般可利用多排垂直孔布置工法，沿著與石方路塹面呈90°（或80°）的方向，鉆設直徑為90.00m的孔，為巖石粉狀乳化炸藥裝填做好準備。

在確定工法操作方案后，操作者可以利用挖掘機與推土機配合，將現場區域內路塹覆蓋層、強風化巖石完全清除后，進行現場便道平整修理，恢復路基中線，并將邊線放出，牢固釘上邊樁。在平整場地后，放出孔位樣點，根據表1要求，利用沖擊式鉆孔機械，依據先邊緣后中間、先前方再后方的順序，進行鉆機對位[3]。鉆機對位后，依據硬質巖體快速鉆設、軟質巖體緩慢鉆設的原則，進行機械鉆孔操作，保證孔洞口完整、孔壁光滑。

表1 鉆孔參數計算

鉆孔階段需要進行孔位偏差、傾角的嚴格管控，在確定兩者均與規范要求相符后，可以移開鉆機。鉆孔完成后，需要將炮孔內廢棄渣土清出孔洞，并根據設計值，進行孔與孔之間的距離、每一排孔之間的距離、孔傾斜度、孔深度等檢查。成孔后，操作者應將保護鉆孔作為首要任務，嚴格禁止設備碾壓以及碎石堵塞。

4.2 爆破器材檢查與裝藥

在確定鉆設孔洞與要求相符后，專業施爆人員可對爆破區管線進行復核。確認無誤后，對現場爆破器材進行檢查。同時檢查孔位、孔深是否與設計要求相符，若發現卡孔現象，可以利用炮棍或重錘進行孔洞疏通。疏通完畢后，裝填炸藥及雷管。

基于壓渣效果提升要求，選擇連續裝藥法，線性裝藥密度為5.0kg/m，裝藥高度為5.00m。裝藥結構如圖1所示。

圖1 裝藥結構

圖1中，引爆炸藥處于藥柱中間位置，基雷管聚能穴則處于炮眼底部。為控制石方路塹爆破開挖效果，操作者可以選擇炮眼底部設置一段不裝填炸藥的空心炮孔，或者在底部或者中間部位進行石子、木棍（長度大于6.00cm、小于10.00cm，直徑為炮孔直徑的1/3）裝填。全程操作需貫徹輕填輕壓的原則，設置完備的引爆線路保護裝置。為了保證最佳炸藥爆炸效果，在裝藥完畢并清除炮孔內水分后，操作者可以利用砂黏土混合物、砂，進行炮孔堵塞。

4.3 敷設起爆網路并起爆

根據圖2敷設起爆孔后，操作者可以依據爆破設計方案，根據爆破負責人指揮，由藥室出發，逐步向主線、電源方向接近，完成起爆網絡敷設任務。

圖2 起爆孔敷設平面圖

順利起爆后，操作者可以將邊坡危石清除，利用推土機配合鏟運機，沿縱向出土填方。同時觀察開挖斷面，適當清理暴露孤石、整修邊坡，規避超爆現象。在路塹開挖至設計標高后，可以對斷面尺寸進行復核，適時開挖排水溝槽，達成一次標準成型驗收目標。若爆破后存在瞎炮情況，則需要操作者沿著導洞將塞填物、爆體逐次取出。進而利用水灌的方法完全浸沒藥室，在促使炸藥徹底失去效果后，迅速投入自卸式汽車或挖掘機挖除、運走石方。在石方挖除的同時，修整邊坡，保證路塹邊坡平順度。

在運走松散石料邊坡成型后，可以開始下一道路塹邊坡的爆破挖開。一般需要在距離瞎炮一定距離內另外搭設炮眼爆破，或者直接利用裸露藥包爆破的方法（炮眼較淺時）。由上層到下層依據路塹邊坡逐級爆破開挖，直至路塹邊坡面層開口線、路基處于同一平面內。此時，利用同時起爆開挖路塹邊坡，若開挖深度處于較大的數值，可以依據每層12.00m的標準，分層起爆開挖。而在雨季操作時，除了保證開挖現場排水設施完善良好外，操作者還可以進行每層底部縱坡的設置，預先進行路塹邊坡厚度的設置，避免雨水沖刷造成路塹邊坡失穩。

需要注意的是，在開挖過程中，操作者應時刻關注巖石巖層質地變化，結合前期勘測圖紙，判定兩者是否存在偏差。對于爆破后高處松動、失穩邊坡，應盡早利用挖掘機或自卸汽車清除，或者采取加固措施，確保路塹操作過程穩定安全。

4.4 零星孤石的爆破

在石方路塹向下開挖過程中，隨著操作空間變窄，零星孤石成為干擾操作的主要因素。零星孤石一般具有兩個以上的臨空面，臨空面越多，爆破單位體積石塊所消耗的炸藥量就越少，爆破效果也越好。對同樣體積的巖石，每增加一個臨空面，單位炸藥消耗量可減少10%～20%。因此，在實際施工中，盡可能增加需要爆破石塊的臨空面，如清除石塊周圍的堆積物，上次爆破為下次爆破創造臨空面等。對于存在裂紋大塊零星孤石，操作者可以選擇鑿巖機鑿碎，經自卸式汽車或挖掘機運走，避免零星孤石對后續操作造成干擾。對于堅硬一體的零星孤石，操作者可以選擇推土機、裝載機逐一推走，避免選擇炸藥炸碎的方式，這主要是由于炸藥炸碎零星孤石過程中會形成“天女散花”似的飛石，造成500.00m以外的挖掘機風擋玻璃擊穿效果，具有較大風險。

5 結束語

綜上所述，開挖是我國高速公路石方路塹項目建設操作中至關重要的一環，而石方路塹的開挖勢必伴隨著爆破操作。為了保證爆破作業安全、平穩進行，爆破開挖工應根據高速公路石方路塹特點，制定爆破方案，選擇恰當的爆破器材與鑿巖機具。進而在起爆網路中，計算爆破振動、爆破飛石的安全距離，針對性制定、開展安全管理措施以及警戒策略。