預裂爆破技術在公路復雜環境運用

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摘要:預裂爆破技術因技術新穎、效果理想和在施工中安全系數較大而被廣泛采用，近年來經過不斷創新，總結出了深孔臺階預裂爆破技術，介紹了該爆破技術機理，結合貴州省黔東南州某國省干線公路多處復雜環境的超高大邊坡深孔臺階預裂爆破技術的應用，通過其爆破方案、施工工藝和應用效果對公路復雜環境深孔臺階預裂爆破技術進行總結。

關鍵詞:深孔臺階;預裂爆破;公路;復雜環境

0引言

隨著公路建設提級改擴建和加快建設步伐，復雜環境下實施控制爆破越來越常見，在建設美麗新中國形勢下，人們對公路建設和生態環境建設要求協同發展的緊迫感、責任感和使命感也日益增強，因此，對復雜環境爆破開挖工程提出了更高的要求，即邊坡一次快速成型、邊坡順適美觀、爆堆集中、大塊率少可直接用于填方等，且爆破引起對爆區附近保護對象可能產生的振動、個別飛散物、空氣沖擊波、噪聲等有害效應控制非常嚴格［1］，預裂爆破技術新穎、效果理想和在施工中安全系數較大而最終被采用，采用該技術實施后的邊坡給圬工砌體防護或綠色生態防護等提供了更便于施工的工作面。預裂爆破作為一項控制爆破技術，已廣泛應用于煤礦、水利水電、道路開挖等各個建設領域［2］，深孔臺階預裂爆破技術是近年來不斷創新總結的預裂爆破技術中的一種，在公路爆區邊緣100m范圍內有居民集中區、高速公路或重要設施的復雜環境中，進行超高大邊坡的控制爆破開挖應用較廣泛。筆者結合貴州省黔東南州某國道改擴建工程多處復雜環境的超高大邊坡深孔臺階預裂爆破技術的應用，總結該技術在公路復雜環境實施控制爆破的關鍵施工工藝。

1深孔臺階預裂爆破技術及機理

預裂爆破是沿著邊坡開挖線就近施鉆按一定間距布設的預裂孔，裝少許的炸藥，施工中主要通過毫秒延時微差雷管分時段引爆，預爆破巖體在主沖擊波到達之前爆破，形成一條張開裂縫，能反射主沖擊波和散逸爆破產生的膨脹氣體，同時減弱主沖擊波對邊坡坡體的擾動破壞。深孔臺階預裂爆破技術，是采用自上而下分臺階進行深孔微差預裂控制爆破的技術，基本適合所有的高大邊坡開挖，臺階高度一般為8．0m～15m，可視地形地質情況進行調整，而炮孔直徑大于50mm，一般可取孔徑為90mm，并且孔深深度大于5m且不大于13．0m，單響藥量不大于40kg。微差爆破時，當第一排炮孔爆破形成爆破漏斗后，其漏斗側邊及漏斗體外的細微裂縫成為第二排炮孔的新自由面，相應減輕了第二排炮孔的爆破阻力，爆破能量可以充分用于破碎巖石，先起爆藥包爆破作用在巖石體內形成的應力場與后起爆藥包的應力場疊加，增強了應力波的破巖作用［3］。微差爆破減震作用在于相鄰炮孔(或兩排炮孔)之間有毫秒級的間隔時間，使得地震波相互干擾，地震效應降低［4］。大量觀測資料顯示，在總藥量相同的條件下，微差爆破產生的振動速度比齊發爆破大約降低1/3～1/2，降低程度視間隔時間、延發段數、爆破條件不同而有差異。預裂爆破預裂孔因是不耦合裝藥，藥包爆轟后作用于炮孔壁上的壓力降低且為準靜壓作用，不至于“壓碎”孔壁，爆轟波引起的應力波只能引起少量的徑向裂隙。基于這些機理，深孔臺階預裂爆破技術在高邊坡開挖應用中雖然鉆孔作業量大，但凸顯了邊坡坡面平整順適美觀、無浮石不掉塊、大塊率低、次生地質災害明顯降低等優點。另外，近年來新型的雙聚能預裂爆破施工技術較為先進，可以大量減少預裂孔鉆孔作業量，但由于平整度及殘孔率均不滿足要求等的限制，并不適合所有的高邊坡開挖［5］。

2爆區工程概況及施工要求

2．1爆區工程概況

貴州省黔東南州某國道改擴建工程新建路線27余千米，位于云貴高原向湖南西部地區過渡的斜坡地帶，沿線海拔較低(最低處高程為272m;最高處高程為755m)，沿線地貌類型主要為中低山山間凹地，山地、溝谷斜坡及沖洪積地貌，挖方段表層為覆蓋層，厚度為30cm～150cm不等，其下為弱風化～中風化石灰巖地質為主。目前該工程開挖區域內土石方總方量約為150萬m3，涉及到復雜環境控制爆破的超高大邊坡4處，即K2+000右側4級邊坡、K11+780右側6級邊坡、K19+800左側8級邊坡、K25+900左側4級邊坡(坡高均為8m，且坡腳設3m～5m高路塹墻)，合計開挖石方量近70萬m3，均為爆區邊緣100m范圍內有村寨、既有黎洛高速、軍纜或高壓電纜、電力高壓塔等復雜環境中，同時要求須保通、不斷交施工。

2．2爆區施工要求

該項目涉及的4處復雜環境爆區施工要求較高，提出如下具體要求:1)不得或少擾民，減少爆破地震效應、空氣波和飛石對村寨居民正常生活的危害，沿線為苗族侗族聚居區有較多木質房屋，確保房屋墻體不開裂、玻璃不損壞。2)嚴禁爆破飛石擊中在建公路和既有高速公路通行安全、軍纜、電纜高壓線路、電力高壓塔設施事故發生。3)確保治理后邊坡巖體穩定且光滑平整，消除高邊幫和浮石，杜絕次生山體滑坡事故發生。4)K19+800處為臨崖段山體開挖土石方，應生態環保要求，不得滾落河道。5)利用爆破后石渣填方，為路基填筑及時提供料源，要求大塊率小且巖石塊度有85%控制在500mm以下便于裝車，減少或無大石解小設備投入，提高利用填方施工效率。

3總體爆破方案

影響預裂爆破有爆破參數、起爆網路、巖體結構、巖石物理力學性質等因素，這些因素相互關聯決定著預裂爆破效果。起爆網路是向多個起爆藥包傳遞起爆信息和能量的系統，大方量爆破作業的起爆網絡連接是關鍵，通過試驗炮確定理想的連接網絡，能夠產生理想的爆破效果［6］。隨著國家對爆破安全監管力度加大，本項目在逐步推廣使用數碼電子雷管起爆網路。因此，爆破作業前須預先編制系統的爆破施工方案，且在爆區內依據施工方案進行試驗炮試驗，通過總結試驗炮經驗調整爆破設計參數。為達到上述爆破施工要求，并綜合考慮該項目復雜環境山體地勢、巖性和爆破工程量，擬按設計所劃定的分級邊坡采用深孔臺階預裂爆破技術，即深孔逐孔微差預裂爆破輔以淺孔微差爆破、機械破碎相結合的施工方案，施工時應分臺階自上而下進行，按照總體面向在建公路方向推進。針對爆區周圍環境，將爆破垂直在建公路方向劃分為3個梯段，其中:第一梯段機械破碎區:因爆區有軍纜、電纜和高壓線桿屬重點保護對象，所以靠近需保護的建(構)筑物20m范圍采用機械破碎，可以通過修建馬道搭建工作面。第二梯段淺孔爆破區:離需保護的建(構)筑物21m～50m區域內采用淺孔微差控制爆破，并采用炮被覆蓋孔面，確保減少飛石，孔徑40mm，孔深L≤5m，單響藥量不大于2．7kg。第三梯段深孔爆破區:離需保護的建(構)筑物大于50m范圍以外采用深孔臺階微差控制爆破，孔徑90mm，孔深L≤13．0m，單響藥量不大于40kg。該項目涉及的4處復雜環境爆區施工要求較高，主要施工難點在于控制爆破飛石、空氣波沖擊及滾石，保障爆區附近村寨房屋、在建公路和既有高速公路通行安全以及軍纜電纜線路的安全，山高坡陡，鉆孔、裝藥及挖運施工不便，鉆機、挖機等設備到達山頂作業需修建馬道工程量較大。為此，采取了以下措施:1)修建馬道創造工作面，改變臨空面方向，盡量按設置臨空面背向高速公路，再朝向側面優先順序選擇，并采取弱松動臺階微差爆破改變爆破飛石的拋擲方向和減弱空氣波沖擊。2)開挖時注意持續修正爆破臨空面朝向，尤其木質房屋距離較近時應綜合考慮采取沙袋防護、剛性防護、炮被覆蓋等措施。3)在開挖層靠在建公路的最后2排炮孔，采用弱松動控制爆破，爆堆盡量集中不滾落，必要時設置剛性防護防止大方量滾落來不及清理影響保通保暢。4)K19+800處為臨崖段山體開挖土石方，爆破前必須嚴格按照方案修建剛性防護，不得有落石滾入河道，嚴重破壞河道行洪能力。5)采用鉆孔量大、少裝藥的微差弱松動深孔控制爆破，嚴格控制最大單響藥量，每響間隔不小于50ms，小爆破方量鉆爆、清方周期短，減少占路清方時間間隔，可以更好的做好保通和減小社會影響，根據孔徑選用支架式潛孔鉆或履帶式高風液壓露天潛孔鉆機完成鉆孔作業，鉆孔速度快、精度高。6)加強堵塞，保證堵塞質量與長度，可有效控制飛石和大塊滾石［7］。

4施工工藝要點

4．1爆破施工流程

爆破施工一般流程為:工程準備、總體爆破方案設計及編制(方案編制及審批完成后優先試驗炮施工)→清理植被、表土→施工測量、標定炮孔、鉆孔→炮孔檢查、爆破器材準備→裝藥及炮孔堵塞→聯結爆破網絡→爆破覆蓋或設置剛性防護，布設安全崗哨→起爆信號→起爆→消除瞎炮、處理危石→解除警戒→爆破效果總結分析(做好資料記錄)→調整爆破參數繼續下一爆區作業。

4．2深孔臺階預裂爆破參數

現場應根據巖體及物理力學性質等地質情況進行優化調整，采用履帶式中或高風液壓露天潛孔鉆機鉆孔。1)預裂孔爆破參數。a．鉆孔孔徑D=90mm。b．孔距a:70cm～100cm。c．孔深L:臺階按邊坡高度8m控制，超鉆深度根據經驗結合臺階高度為1m，孔深為9m，個別臺階可根據現場稍作調整，孔深控制在9m～13m之內。d．堵塞長度L2:1．0m～1．5m。e．不耦合系數:鉆孔孔徑/藥卷直徑不小于2．8。f．裝藥結構:采用不耦合裝藥和間隔裝藥［8］，標準藥卷按設計藥量連續或間隔裝藥(見圖1，圖2)，底部1．0m范圍藥量加強，孔口2m藥量減弱，堵塞長度1．5m，采用φ32mm藥卷間隔裝藥。g．線裝藥密度:標準段為170g/m～450g/m(除去底部加強和孔口減弱段)，堵塞長度1．5m，用黃土或黏土堵塞，堵塞段底部與藥卷頂端用編織帶間隔，編織帶距藥卷頂端5cm。2)緩沖孔爆破參數。緩沖孔孔徑采用90mm，設計原則:距預裂孔排距1．5m～2．0m、間距2．0m，距前排主爆破孔排距2．5m，堵塞長度為2．5m。3)主爆孔孔徑為90mm、間距a=3．0m～3．5m，排距b=2．5m～3．0m，堵塞長度取2．5m～3．0m;采用φ70mm藥卷連續裝藥。

4．3其他注意事項

1)為方便觀察山體和個別懸石的具體情況，施工前進行測量放線，將施工區植被全部清除，以便仔細觀察巖石結構和確定爆破參數，并做好記錄。2)最小抵抗線W一般按藥包中心或重心到最近自由面的最短距離，在深孔臺階預裂爆破中，為避免留根底，一般以底盤抵抗線代替，因此本項目選用底盤抵抗線代替最小抵抗線。3)鉆孔須嚴格按照設計位置、方向和角度進行作業，以保證爆破效果和爆破安全，鉆孔完成后將孔內巖粉吹干凈，個別孔深較大的地方適當增加超鉆深度，鉆孔后要做好保護，防止雜物和雨水進入孔內。4)裝藥前應對炮孔、硐室、爆炸處理構件逐個進行測量驗收，作好記錄并保存，爆破作業單位應在一項爆破工程結束或告一段落時，進行爆破總結，組織人員對爆破后巖石地質、坡面平整度、殘孔率等進行分析，確定合理的爆破參數，優化爆破設計。5)復雜環境深孔爆破工程應設立指揮部，嚴格遵守“統一指揮、統一信號、統一警戒”，統籌安排爆破設計施工及善后工作，應對爆區周圍人員、地面和地下建(構)筑物及各種設備、設施分布情況等進行詳細的調查和復核，同時總體爆破方案必須包括詳細可行的爆破應急救援預案。為確保各爆破作業面的安全，在整個工地劃定距各爆區200m范圍的爆破警戒區，在警戒區范圍內的各施工通道口設立醒目的爆破警戒牌，并在工地設置爆破作業警報裝置。6)臨崖高邊坡路塹石方爆破作業中，嚴格控制炸藥單耗，選擇合理的孔網參數，控制填塞的長度及質量等，不得產生拋擲作用，要求巖體松動易破碎，且大塊率低，便于挖運和進行路基填筑。7)施工時，橫向總體按3個梯段推進與分臺階自上而下施工不可出現垂直作業，避免安全事故發生。

5結論

本項目采用深孔臺階預裂爆破技術施工取得了預期的效果，邊坡坡面平整、順適美觀，為后續施工的生態邊坡修復防護提供了良好的工作面，石方開挖基本一次到位，避免了超欠挖、大石解小的處理，做到了快速施工少占路，且沒有爆破裂隙和浮石存在，減少了后期營運風險。雖說爆破直接成本上較淺孔爆破高些，但綜合全壽命周期來看，深孔臺階預裂爆破技術應用經濟效益和社會效益顯著，因而在公路大方量石方爆破開挖工程中具有很好的借鑒意義。

作者:黃朱盛 劉繼巖 龍一平 單位:北京市政路橋股份有限公司工程總承包一部 貴州省天柱公路管理段