深路堑边坡爆破开挖施工技术
2009-09-05包其福
包其福
摘要:本文通过对各种开挖方法和爆破设计的探讨和深入研究，总结出一套当前开挖方法当中比较科学合理、成本较低廉的施工方式，为今后深路堑开挖施工提供一个借鉴和参考作用。
关键词:深路堑 爆破开挖 深台阶 浅台阶 技术
1 工程概况
新建洛湛铁路为国家重点投资建设项目，所经过的大部分地区均为较偏远的山区，地形地貌较为复杂，但部分地段线路两侧经过重点保护的企事业单位较多，石质路堑的开挖方法选取是否得当和爆破的有害效应（爆破地震、冲击波、有害气体、飞石）控制将直接影响工程能否安全顺利地展开施工。由于深路堑坡路堑的开挖与近邻的构造物平行或交叉作业，爆破引起的有害效应对构筑物的施工干扰大，如选用的施工方法和爆破工艺不当将会对构造物产生不利影响，合理地安排爆破作业时间、科学地安排施工方法和施工的先后顺序，并应采取相应的防护措施才能确保路堑安全顺利地开挖。开挖时爆区多在悬崖峭壁上时，应注意抛碴方向和范围，考虑到环保要求，碴堆应滚落在限定的设计范围内，同时在边坡不稳定的地段应进行弱爆破避免边坡因受到扰动而引起大面积塌滑。由于石质路堑开挖的特点，施工难度高，除了要选择科学合理的开挖方式外，还应采取一系列相应的爆破技术手段及防护措施来控制爆破的有害效应对周围建筑物、构筑物的影响，确保整个爆破作业施工安全、有序、高效。
2 爆破方案的选定
针对深路堑地段的地理环境、施工特点、工程地质情况，常选取的爆破方案有浅孔台阶爆破法、深孔台阶爆破法和峒室爆破法三种方案。
2.1 浅孔台阶爆破法：就是指利用气腿式凿岩机、钻孔孔径小于50毫米、深度小于5米的浅孔，装入延长药包进行爆破。此方案施工的优点是爆破规模较小，技术上较简单，爆后石碴块度小；爆后对抛碴方向和范围要求不高，爆破的有害效应容易控制；施工机具简单，操作起来容易，对边坡稳定影响较小，爆后边坡平整光滑；缺点是一次爆破方量少，进度缓慢，不能满足土石方机械高效率作业的要求；工人劳动强度大，生产效率低下，成本较高。
2.2 深孔台阶爆破法：是指在台阶或事先平整的场地上采用孔径大于50毫米、深度大于5米的深孔，装入延长药包进行爆破。此方案施工的优点是：一次性爆破方量大（最多可达8000方左右），可以满足机械高效率作业的要求，如果爆破各参数掌握得当，可以取得较好的爆破效果；工人劳动强度小，生产效率高，成本低；缺点是对边坡稳定影响较大，如控制不当易造成边坡破碎，引起大面积垮塌；爆破规模较大、爆破技术上较复杂、施工精度上要求严格，对施工人员的经验和技术素质要求高。
2.3 峒室爆破法：是指将大量炸药装入峒室或巷道内进行爆破的方法。由于峒室爆破法对爆破的有害效应上难于控制、对边坡的稳定影响太大，虽然它有成本低、一次爆破方量大、对施工机具要求不高等优点，但难于适应深路堑石质路堑的施工环境和复杂地形，考虑到较大的爆破风险，一般不采用此类爆破方案。
综合比较以上三种方案，考虑到各个施工现场的实际情况，施工人员应根据深孔爆破法的特点，通过对爆破作业各工序进行严格管理、提高作业精度，采用毫秒微差起爆、限定一次性齐发爆破的药量、孔内采用间隔装药多点反向起爆、采用可靠防护、优选炸药单耗等一系列技术和管理措施，完全可以趋利避害，充分利用深孔爆破法在提高施工进度上、改善爆破效果上、降低工程成本上的突出优点，达到理想的目的。施工人员应结合工程本身的特点或采用以深孔台阶爆破法为主进行施工作业或采用浅孔台阶爆破法为主，如果地形环境条件允许，可以采用一些少量的深孔台阶爆破法来提高施工进度和降低工程成本。对于浅孔台阶爆破法主要是用来二次修整边坡、施工对边坡稳定或碴堆抛散地要求较严格的地段。对于深度小于5米的全开挖路堑，可采用先钻浅孔然后再进行适当扩壶（即药壶爆破法）的施工工艺来加快施工进度、改善爆破效果和降低工程成本。对于不合格的大块，采用浅眼爆破法或炮机进行二次破碎。
3 爆破参数的确定
3.1 深孔台阶爆破法 由于新建洛湛铁路施工现场所处地区气候雨季时间长，降水量较大，空气潮湿，对于距居民区、既有公路较近的施工地段，爆破应采用以抗水性能好、爆后炮烟有毒气体含量少的优质炸药(如岩石型乳化炸药)，虽然成本稍微高一些，但可以通过提高作业精度、采用分层空气柱间隔反向多点（可以采用与炮眼直径相近的毛竹制作的竹筒来作药柱之间的间隔）起爆等技术措施来提高炸药的能量利用率，从而达到即可以降低成本，又可以充分利用高性能炸药优点的目的，空气柱间隔的长度一般选I空气柱=（0.21-0.27）I装药长度，同时相邻炮孔的空气柱的间隔应尽量交错布置，从而使炸药爆炸后形成的应力场分布均匀、岩石破碎充分。采用空气柱间隔可以提高炸药爆炸时作用于岩体的时间，并且可以明显地减少爆破的振动，虽然增加了一些材料费用（毛竹），施工工序上稍有些复杂，但对于整个工程来说由于减少了大量炸药，从总体上来讲还是节省了大量的材料成本，对于浅孔台阶爆破法和距居民区较远的爆破区，可以采用一些成本较低廉的2号岩石硝铵炸药。炮眼直径d：应根据现场钻眼机具来确定，一般应在80～200毫米之间。底盘抵抗线w：根据现场作业的安全条件来确定，w≤Hctgα+B（B—从钻孔中心至坡顶线的安全距离，对大型钻孔B≥2.5～3.0米。），W值的选取视爆破的梯段高度和现场试炮后的爆破效果来确定，并适当在此范围内调整至最佳。炮眼堵塞长度ls：取20～40倍的孔径但不小于底盘抵抗线的0.75倍，如果在现场试炮时有冲炮现象则应适当加大此值，如果岩石表面的破碎效果不好则应适当减少此值。上部装药长度Ia：Ia≤（H+Ic-Is-I空气柱间隔）×0.4。下部装药长度Ib：Ib≤（H+Ic-Is-I空气柱间隔）×0.6。超钻长度Ic:取（0.15～0.35）w，其值要根据超高情况进行调整，以爆破的地震波不超限、爆后不残留根底、爆后形成完整平坦的底部平盘为最佳，从而避免二次修整路堑基床且保证基床的岩石坚硬不破碎为准。钻孔倾斜角度α：此值与台阶倾斜角度一致，一般介于75o～90o。炮眼间距a：一般爆破的炮眼均按等边三角形布孔，从而使被爆岩体整体受力均匀，使爆后岩石平均线型尺寸满足设计要求。由于前排炮孔内的炸药爆炸时要克服较大的底盘抵抗，因此前排炮孔间距应相应减少，前排炮眼间距a=mw（m为炮眼密集系数）。炮眼排距b：b=0.85a。排间微差t：t=AW（A-决定于岩石坚固程度的系数，A=3～6o）由于微差时间长一些可以明显地减弱地震效应、改善爆破效果，结合当前我国生产的毫秒雷管和以前的爆破经验，排间微差间隔时间一般取50～75毫秒之间。炸药单耗q：按现场所作的爆破漏斗试验来确定，通过试炮后来适当调整。此值按爆后石碴是否填筑路堤两种情况来选定，如果用来填筑路堤此值就选的高一些，如果爆后石碴不用来填筑路堤此值就选的低一些。单孔装药量Q：按单孔负担的岩石体积来确定单孔装药量Q=qabH，在现场实际爆破中可以根据爆破效果的好坏来增加或减少单孔装药量。台阶高度H：视现场的实际情况来确定，一般应在7～15米之间。
3.2 浅孔台阶爆破法 炮眼排列形式可分为单排和多排两种，对于多排眼应交错布置。单位耗药量应参照深孔单位耗药量，但浅眼台阶爆破可参照此数值或稍高一些来选取。炮眼直径为42～45毫米，深度H小于5米。底盘抵抗线W底=（0.4～1）H，在坚硬难爆的岩体或台阶较高的地段计算时应取较小的系数。为了爆破不留根底，炮眼超深lc=(0.1～0.15)H。炮眼间距a=(1.0～2.0)w底，炮眼排距b=a。参数采用以上公式计算，但由于浅孔台阶爆破法的爆破有害效应较小，技术上和施工上较灵活，可根据经验或现场实际情况灵活运用，如有多排起爆，药量较大，应采用多排微差起爆，来改善爆破效果和减少爆破的地震效应。
3.3 浅孔药壶爆破法 最小抵抗线：W=(0.8～1.0)H，药包排距b=(0.87～1.0)a，炮眼布置采用浅孔炮眼布置的方式，药壶的大小可根据每个炮孔担负的岩石体积和炸药单耗的乘积确定应装药量，扩壶时药壶的大小应随扩随量，如有多排炮眼应采用微差爆破。
4 爆破网路的设计及起爆器材
深孔台阶起爆网路采用塑料导爆管复式孔外延期波浪形电起爆网路、浅孔台阶起爆网路采用塑料导爆管环形连接孔外延期电起爆网路。
5 爆破有害效应的验算及安全技术措施
由于施工现场深路堑路堑所处地理环境的特殊性，因此应对爆破有有害效应进行检算：飞石：飞石距离RL=20n2w，n为爆破作用指数，通过此数来估算飞石距离。空气冲击波：对于爆破后引起的空气冲击波用R=10×Q1/2来估算。爆破震动：观测点地面介质的振动速度V=K×（Q1/3/R）α，其参数意义和计算方法可参见《城市控制爆破》251页。安全技术措施：
5.1 起爆前，应对每个炮眼口用编织袋装土进行严密覆盖，通过爆前对爆破有害效应的计算来确定每次爆破的最小安全警戒距离，在警戒时使用CK-20型爆破专用报警器（便携式、报警距离300米）进行报警，安全距离内的人员和机械设备应全部撤离，既有线不能有开车通过。在每次起爆前，应设起爆站，由爆破指挥长同各警戒区用对讲机联系，起爆站应设在高处空阔地点，便于用望远镜了解安全警戒区内的情况。
5.2 爆后应用望远镜对爆区特别是对高危边坡要进行重点检查，确认边坡无塌方的迹象、爆堆稳定后才可解除警报。
5.3 每次爆破前应将爆破时间、爆破规模和安全警戒区范围提前通知周围居民和施工现场内的人员，株六复线应在施工现场附近的车站设专门的施工调度，要及时地向施工单位通知过往列车的时间，爆破时间应选在每天中午12点至1点，且每天都应固定。爆点应用数面黄色安全旗围起，安全旗的颜色应醒目，便于周围人员躲避。
6 工艺艺流程
爆破施工工艺流程图如图1。①根据工程特点及现场实际情况进行爆破设计，确定爆破参数、装药结构、起破程序。②开凿作业面，清除地表杂物和覆盖土层。③布孔：根据设计要求放出开挖轮廓线和各炮孔孔位，并予以编号插木牌按孔标明孔深、孔径、倾角及方向。④钻孔：钻孔是保证爆破质量的重要环节，严格按爆破设计的位置、方向、角度进行钻孔，钻孔先慢后快。⑤装药:严格按设计的炸药品规格和数量进药。⑥炮孔堵塞：炮孔堵塞长度大于最小抵抗线，堵塞材料采用2/3砂和1/3粘土进行堵塞。⑦爆破网路敷设：网路敷设计前应检查起爆品品材的质量、数量、段别并对其进行编号和分类，严格按照设计敷设网路敷设，严格遵照《爆破安全规程》中有关起爆方法的规定，网路应经常确认完好，起爆点应设在安全地带。⑧起爆：在网路检测无误、防护工程检查无误、各方警戒正常的情况下，指挥员即可在规定的时间命令起爆，起爆采用非电起爆。⑨安全检查：爆破完成后并在规定的间隔时间后，若安全检查无误，即可进行机械施工。⑩总结分析：爆破后对爆破爆破效果进行检查，综合评定各项技术指标是否合理，进一步确认已暴露岩石的结构、产状、地质构造和岩石的物理力学性质，综合分析岩石单位耗药量，做好爆破记录，聘请有经验的爆破专家进行分析总结，以对下一循环爆破作业进行优化。
7 事故预防及处理
①石方爆破工程的施工方案在报请当地公安机关批准后方可组织施工，爆破员应经当地公安机关培训考试合格后，持公安机关核发的有效操作证上岗作业。②爆破时指定专职安全人员在现场负责全面指挥工作。③装药量、装药结构及堵塞质量均应符合设计要求，已装置炸药的炮孔用泥土覆盖及保护，爆破作业区段与即有建筑物之间设排架及防护网防护。④爆破时人员撤至安全区，对有危险区域进行重点警戒，严禁人、畜、车辆进入，爆破后对有危险的危石、落石进行及时处理。⑤对每次爆破的地质状况、主要参数、爆破效果做好详细记录，为改进爆破方案提供可靠依据。⑥为预防盲炮现象产生，应选取合格的爆破器材，装药前要清理炮孔积水，装药时要小心以防止损坏药包和药线，连接网路时要仔细操作并按规定进行检查。⑦要注意妥善处理盲炮，起爆线路完好，可重新起路已被破坏时，用木竹等工具将填物掏出，用聚能药包将盲炮诱爆或在安全距离外用风水喷管吹出填塞物及炸药并回收雷管。⑧如发生安全事故，应及时处理、避免事故扩大化，指挥部应配备一些应急设备和医疗设施，在每次大爆破前必须留有一台抢险车。⑨对于爆点内的危石和滚石，应派专人进行守护，经集体研究做出处理方案并报请爆破指挥长同意后才可处理。
8 施工效果
按上述深路堑坡路堑爆破开挖施工，新建洛湛铁路DK178+800～DK179+300段深路堑坡爆破施工取得了理想的施工效果，未出现一起安全事故，施工工期比预计工期提前了40天，缩短了施工时间，同时取得了良好的经济效益和社会效益。做为一项较为成熟的施工工艺，该施工技术可为今后类似深路堑坡路堑开挖施工工程积累了经验，起到借鉴和参考作用。
