淺談高速鐵路高邊坡石方爆破設計

莫雪林

摘要：對鐵路高邊坡石方路塹爆破開挖提出了詳細的爆破設計，可為今后類似爆破施工提供借鑒。

關鍵詞：路塹 高邊坡 石方 爆破 設計

中圖分類號：S611文獻標識碼： A

一、工程概況及爆區周圍環境

工程位于新建貴陽至廣州鐵路GGTJ-6標段姜架山二號隧道進口，里程為DK383+607.87～DK383+660，其中DK383+607.87～DK383+641段為路基部分，DK383+641～DK383+660段為隧道部分，巖石為泥盆系下統蓮花山組砂巖夾頁巖。巖石呈紫紅、淺灰、灰褐色，中至厚層狀，泥質、鈣質膠結，粉細砂結構，部分具交錯層理。碎屑由石英組成，含部分硅質巖、頁巖巖屑及微量長石，呈渾圓～次棱角狀，頁巖為灰綠、黃色、薄層狀、層理較清晰，底部為礫巖，節理裂隙較發育。

工程最大爆破開挖深度56m，爆破方量約5.6萬m3，路基設計邊坡坡度為1:0.75和1:1，隧道設計仰坡坡度為1:0.5。

爆區周圍環境復雜，主爆區離姜架山二號隧道現出洞口最近距離18m，離姜架山一號隧道出口約150m，離木洞大橋2#墩約70m。同時在爆區右側約120m處有一道為姜架山一號隧道提供施工用電高壓線路（現已斷電），爆破時要保證爆區周圍構筑物的安全。爆區周圍環境見圖1：

二、爆破方案選擇

根據爆區的設計資料、周邊環境、工程性質和石方爆破工程量，確定采用深孔臺階爆破為主、淺孔爆破為輔的施工方案；為控制爆破對路塹高邊坡穩定性的影響，臨近設計邊坡，采用緩沖爆破技術，邊坡采用光面爆破，通過控制孔網參數和單孔裝藥量，最大限度地減緩主炮孔爆破對路塹邊坡和隧道仰坡的直接破壞。

三、主爆區深孔爆破參數選擇

1、炮孔直徑D

采用潛孔鉆鉆孔，炮孔直徑φ = 90 mm。

2、臺階高度H

根據爆區地形和爆區周圍環境，取H=12m

3、超深h

超深h是指鉆孔超出臺階高度的那一段孔深，其作用是克服底盤巖石的夾制作用，使爆破后不留根底，可以按孔徑的8～12倍來確定超深值，本次設計取h=1.0m。

4、鉆孔形式

對于露天臺階爆破，鉆孔形式有垂直鉆孔和傾斜鉆孔，根據現場實際情況，參考類似工程設計為傾斜鉆孔，鉆孔傾角為75度，臺階要素及鉆孔形式如圖2所示：

5、鉆孔深度

L=H/sinα+h=12/sin75o+1=13.5m

6、孔距和排距

孔距a是指同排的相鄰兩個炮孔中心線間的距離；排距b是指多排孔爆破時，相鄰兩排炮孔間的距離，根據經驗取a=3m，b=3m。

7、布孔方式

采用梅花形布置，每次布2～3排，炮孔布置如圖3所示：

8、炸藥品種的選擇

根據當地的氣象條件，選取藥卷直徑為75mm的乳化炸藥。

9、單位耗藥量

在深孔爆破中，單位耗藥量q值一般根據巖石的堅固性，炸藥種類，施工技術和自由面數量等因素綜合確定，參考相關工程取q=0.4kg/m3。

10、單孔裝藥量

對于傾斜鉆孔，第一排炮孔的單孔裝藥量按下式計算：

Q1=qabH=0.4*3*3*12=43kg

當采用乳化炸藥時，應乘以一個換算系數，參考相關工程，取e=1.15，故單孔裝藥量調整Q11=1.15*43=49.5kg，為了現場容易操作，第一排單孔裝藥量調整為Q1=50kg。

從第二排起，各排孔的裝藥量按下式計算：

Q2=KqabH

式中K為考慮到受前面各排孔的巖碴阻力作用的裝藥量增加系數，一般取1.1～1.2,本次K取1.2。

當采用乳化炸藥時，Q2=60kg。

11、堵塞長度

堵塞長度與最小抵抗線、鉆孔直徑和爆區環境有關，當不允許有飛石時，堵塞長度取鉆孔直徑的30～35倍。經計算，取最小堵塞L2min=3m。

12、裝藥結構

裝藥結構是影響爆破效果的主要因素之一，深孔爆破采用的裝藥結構主要有連續裝藥結構和間隔裝藥結構。本次工程爆破采用的炮孔直徑D=90mm，炸藥采用75mm直徑的乳化炸藥，其延米裝藥量約6.5kg/m，根據前面計算，第一排炮孔的單孔裝藥量為50kg，第二排及以后炮孔的單孔裝藥量為60kg，其裝藥長度分別為7.7m和9.2m。若采用連續裝藥，其堵塞長度分別為5.8m和4.3m，對第一排炮孔來說，堵塞長度過大，爆破效果不好，上面的大塊率較多，本次設計采用分段裝藥，先在底部裝4.5m乳化炸藥，中間回填2.5m巖碴，再裝3.2m乳化炸藥，最后堵塞3.3m。裝藥結構如圖4所示：

13、起爆網絡

采用毫秒延期非電導爆管起爆網絡，孔外采用四通進行復式連接，最后采用電雷管激發導爆管，高能起爆器起爆。

四、邊坡的光面爆破參數設計

為了保證爆破后邊坡的穩定性，減少爆破對被保護巖體的破壞，邊坡采用光面爆破。影響光面爆破參數選擇的因素很多，參數的選擇很難用一個公式來完全表達。本次爆破設計在全面考慮各種影響因素的前提下，以理論計算為依據，以工程類比作參考來進行設計。

1、不耦合系數

合理的不耦合系數應使炮孔壓力低于孔壁巖石的動抗壓強度而高于動抗拉強度，一般取1.5～3.0。本次爆破設計鉆孔直徑D=90mm，藥卷直徑為32mm，不耦合系數為2.8。

2、炮孔直徑

炮孔直徑取D=90mm。

3、光面炮孔間距a

炮孔間距一般為炮孔直徑的10～14倍。在節理裂隙比較發育的巖石中應取小值，整體性好的巖石可取大值。本次設計取a=1.0m。

4、光爆層厚度

光爆層厚度是指周邊眼至相鄰輔助孔間的距離，一般應大于光面孔的間距，在爆破中，為了使保留區巖壁光滑而不致破壞，光爆層厚度不宜過大，通常取w=1～3m，本次爆破設計取w=1.2m。

5、單位裝藥量

單位裝藥量又叫線裝藥密度和裝藥集中度，指單位長度孔眼中裝藥量的多少。為了控制裂縫的發展，保持新壁面的完整穩固，在保證沿孔眼連線破裂的前提下，應盡可能減少裝藥量。本次光面爆破采用φ32mm的乳化炸藥，每卷藥卷質量為200g。參考相關工程，取單位裝藥量q=0.2kg/m（實際爆破時應根據現場爆破效果進行調整）。

6、起爆間隔時間

在光面爆破中，齊發起爆的裂縫表面最平整，毫秒延時起爆次之，齊發起爆時，孔眼貫通裂縫較長，可抑制其他方向裂縫的發展，有利于減少孔眼周圍裂縫的產生和形成平整的壁面。在實施光面爆破時，時間間隔越短，壁面平整的效果越有保證。

7、光面爆破的鉆孔深度

光面爆破應沿邊坡線進行鉆孔，鉆孔深度按邊坡設計的邊坡角和臺階高度選取。

8、堵塞長度

良好的堵塞不但能充分利用炸藥的爆炸能量，而且能減少爆破有害效應的產生。堵塞長度與炮孔直徑有關，通常取炮孔直徑的12～20倍。本次設計取L=1.5m。

9、裝藥結構

為了盡量實現炮孔的線性裝藥，采用φ32mm的乳化炸藥，每卷藥卷質量200g，按設計的單位裝藥量將藥卷用膠布捆綁在導爆索上，同時在炮孔的底部進行加強裝藥，炮孔用黃土堵塞。裝藥結構如圖5所示：

五、爆破網路設計

本次爆破設計采用毫秒延期非電導爆管起爆網路，為了保證周圍構筑物在爆破時不受破壞，需控制最大一段允許裝藥量。

1、最大一段允許裝藥量的計算

最大一段允許裝藥量按下式計算：

Qmax=R3（V/K）3/α

式中：Qmax—最大一段允許裝藥量（kg）；

R—爆破中心距被保護物的距離（m）；

V—保護對象所在地質點的振動安全允許速度（cm/s）；

K，α—與爆破點至計算保護對象間的地形、地質條件有關的系數和衰減系數，可查表確定。

根據現場實際情況，主爆區爆破時距離姜架山二號隧道最小距離為18m。交通隧道的安全允許振速為V=10～20cm/s，為安全起見，取V=10cm/s，參考相關工程，取K=150，α=1.8。則最大一段允許裝藥量Qmax=64kg，可以實現逐孔起爆。為了加快施工進度，當爆區離姜架山二號隧道較遠時，可以調整最大一段允許裝藥量，其參數見下表1所示：

表1 不同距離下的最大一段允許裝藥量

爆區至姜架山二號隧道的距離（m） 最大一段允許裝藥量

（kg）

18 64

20 88

25 172

30 297

35 472

40 704

2、起爆網路設計

當離姜架山二號隧道較近時，為保證隧道的安全，需進行逐孔微差起爆，孔內裝17段毫秒延期導爆管雷管（延期時間為1200ms），孔外接3段毫秒延期導爆管雷管，延期時間50ms，最后用電雷管激發導爆管，高能起爆器起爆。爆破網路如圖6所示：

當爆區離隧道較遠時，可增加每段起爆的炮孔數目，條件允許時可以采用排間微差起爆。

六、爆破效果

經統計，本次施工總共使用炸藥量為25.335噸，開挖方量約56300立方米，單位耗藥量為0.46kg/m3。經檢測開挖坡面平整，局部凹凸差不大于15cm；開挖面穩定無隱患，邊坡防護封閉無變形、開裂；通過檢測開挖坡度邊坡點位置、平臺位置及平臺寬度的偏差值都滿足《高速鐵路路基驗收標準》的要求。

七、結束語

由于受地形復雜、地勢陡峭等因素、等經過將近四個月的爆破施工，在保證安全、質量的前提下順利完成該路塹刷坡施工，施工效果很好。通過本次爆破設計及施工有以下幾點注意事項總結如下：

1、設計人員或審核人員必須到現場指導施工，爆破前認真檢查爆破孔網參數（孔深、孔距、排距、最小抵抗線、傾角等）是否符合設計要求，如未達到要求應及時進行處理。裝藥時，應認真復核裝藥量、堵塞長度、堵塞質量及安全防護措施的落實。爆破后認真檢查，發現盲炮及時處理，并認真填寫盲炮處理登記卡。

2、嚴格控制最小抵抗線大小，一般最小抵抗線取鉆孔直徑的30 倍; 改變最小抵抗線方向，使最小抵抗線方向避開被保護建( 構) 筑物。

3、建立信息反饋制度，做到每次爆破進行爆破地震監測，不斷優化爆破參數，通過試驗選取適當的單位耗藥量。

4、認真做好安全警戒工作，起爆前，所有無關人員及機械施工設備等必須撤離安全警戒線以外，爆破要有明確的視、聽信號；在爆破時，負責警戒的人員必須提前20min到達各自的警戒點，保證通訊工具狀態正常，隨時聽從全面負責人的指揮，出現異常情況立即向負責人報告。