扬州至绩溪高速公路宁绩段紧邻既有铁路线高边坡路堑爆破施工及控制技术

董 磊 ，汤道义

(安徽省高速公路控股集团有限公司，安徽合肥 2 30088)

0 引言

山岭地区修建高速公路时，受线路平缓曲线线形和工程投资的影响，线路走向往往依山傍河进行展线设计。因此，通常需要开挖多部(局部)山体，造成山体挖方量大、稳定性差、路基开挖深度深及临时支护工程量增加等问题。根据JTG D30—2004《公路路基设计规范》［1］，当路堑岩质边坡高度大于30 m时为深挖路堑。当进行深挖路堑施工时，应着重考虑边坡岩层倾向、危岩落石、临近建(构)筑物等特殊因素对路堑支挡结构设计及开挖方式选择的影响。针对深挖路堑爆破施工技术控制，文献［2］结合广东阳江核电厂进场道路路基工程设计和施工实践，针对开挖深度达38 m的深挖路堑，采用浅孔梯段与深孔梯段爆破相结合的方式完成了石方开挖;文献［3］针对边坡开挖高度达50～120 m的路基工程，采用分段分层(分层厚5～6 m)露天深孔爆破开挖，先开挖中间岩体，两边预留光爆层，以减少围岩扰动;文献［4］结合浙江部分国省道工程，通过优化钻孔布置参数、装药结构，重点阐述了光面爆破对于提高工程质量、降低次生(滑坡、坍塌)灾害风险的应用情况。关于深挖路堑施工中边坡稳定性及滑坡治理，文献［5］采用挂网喷混和主动柔性防护网治理京沪铁路15～30 m路堑危岩落石;文献［6］采用双向滑动面搜索方式，考虑路堑边坡多级平台几何特征和岩层产状，实现了对顺层岩质边坡安全系数的编程搜索。针对既有建(构)筑物对路堑工程的影响;文献［7］从机械配置、施工方法和工程管理角度出发，选择合理爆破参数、装药结构和精确的起爆网路，完成了紧邻既有线高边坡路堑开挖;文献［8］采用MⅠDAS有限元软件，分析了路堑边坡开挖过程中坡脚与既有铁路隧道中线间距对衬砌内力分布的影响规律。

然而，对于既有铁路行车和山体危岩落石对设计施工的双重影响，如何定量化分析飞石落距对安全防护距离的要求和控制的研究相对较少。而扬州至绩溪高速公路宁绩段小岭塘上跨皖赣铁路大桥台后路基受线形控制设计为台后山体深挖路堑，山体最大挖深约34．5 m。因此，需重点考虑施工阶段的防护体系构建、危岩落石处理及山体爆破开挖控制技术。对此本文提出主、被动防护结合的防护体系及分区、分层破岩的施工技术，并通过位移、变形及裂缝控制检验了设计的合理性。

1 工程地质概况

本工程区域属于丘陵区，山体表层植被发育，多为杂草及灌木，较陡(自然坡度50°～70°)，岩层走向对于既有铁路为逆向，岩体有明显破碎，部分风化。山体下方为既有皖赣铁路，皖赣线路右侧路堑以高边坡形式通过，如图1所示。

图1 拟开挖高边坡、危石与既有铁路关系Fig．1 Relationship between high steep side slope，dangerous rock and existing railway line

高边坡防护采用浆砌预制混凝土块挡土墙，最高9．5 m，最低5．2 m。上部为石质边坡，未设防护，现场地质表层为第四系硬塑状残坡积粉质黏土或中密-密室状碎石层，软塑-硬塑状冲洪积粉质黏土、碎石层，下伏基岩为寒武奥陶纪西阳山祖-青灰色泥质灰岩等组成的韵律层，风化程度较为严重，表层较为破碎。

2 防护工程及开挖方案设计

2．1 临时防护工程设计

在其他防护均未施工前，首先要设置临时防护网，临时防护网在既有挡墙上部设置，主要是为了防止在施工3道防护过程中，小型落石、落物、小型设备和机具等的滑落而影响既有铁路的运行。

2．2 既有铁路和危石防护工程设计

为保障既有铁路行车安全，考虑设计柔性主动防护网、被动防护网和刚性挡渣墙3道防护措施相结合的防护体系，如图2所示。每道防护设施位置及作用如下。

图2 多层防护体系(单位:m)Fig．2 Multiple protection system(m)

第1道防护设施设置于危石周边，紧贴危石，采用柔性主动防护网，使危石形成“整体”结构。

第2道防护设施位于山体开挖施工影响范围内的坡面上，采用被动防护网，拦截可能坠落的落石、落物。

第3道防护设施位于既有铁路挡墙上方(远离铁路一侧的山体背面，设置于山体坡脚上方)，采用刚性挡渣墙，公路用防撞护栏柱，中间采用波形护栏和钢丝网进行防护，主要拦截落石和落物。

2．3 深路堑边坡开挖工程设计

2．3．1 危石部分山体开挖

危石部分山体位于标高192．0 m以上，施工时采取机械破碎锤进行开挖，山体逐渐开挖至设计高程，如图3所示。

图3 山体分层、分区开挖布置(单位:m)Fig．3 Layout of section-by-section and layer-by-layer cutting(m)

2．3．2 危石体下部山体开挖

危石体以下距离既有铁路30 m范围内，采用高效无声破碎剂进行静态破碎开挖;危石体以下距离既有铁路30～50 m，采用浅孔爆破开挖;危石体以下距离既有铁路超过50 m范围，采用中深孔台阶控制爆破开挖。

上述4种开挖方式中除危石体部分必须最先完成开挖，其余部分根据施工进展，交叉逐层顺序进行开挖。

3 控制爆破技术在高路堑桥台开挖中的应用

3．1 精细化控制爆破原则

危石体以下山体主要采用浅孔爆破和中深孔爆破开挖，根据爆破区段的实际情况，同时考虑爆破震动和爆破造成的后坐挤压作用可能引起滚石、挡土墙坍塌等事故，拟确定采用“精细化控制爆破”方法进行施工。

本着“多打眼、少装药”的控制爆破原则，根据爆破点距离铁路线的远近不同，拟采用的爆破方法、台阶高度、孔网参数、装药量和网路设计等都处在不断变化中。爆破方法以中深孔爆破为主，浅孔爆破为辅，即当爆破工作面距离铁路线和危石较近时，爆破方法由中深孔爆破转换为浅孔爆破法。

3．2 中深孔台阶爆破

根据工程类比经验并考虑施工便利，确定选用KQD100型潜孔钻进行中深孔爆破钻孔;根据爆破点距离铁路线的远近及地形条件，选择采用分层台阶爆破。钻孔深度L一般根据台阶高度H加上超深h确定;炮孔间距a和炮孔排距b等根据相关公式确定。中深孔台阶爆破参数如表1所示。

表1 中深孔台阶爆破参数Table 1 Parameters of medium-deep hole step blasting

表1中，对于控制爆破区尽量采用小抵抗进行爆破，因为在西、北2个方向上均为荒山坡谷，无需要保护的人或物，故底盘抵抗线W1取3．0 m，与炮孔排距b的取值相同。当台阶高度相等时，其单孔装药量装药量也相同，即:Q1=Q2;对于每延米炮孔装药量q'考虑卷装炸药存在间隙，取6．06 kg/m。

此外，对于堵塞长度，合理长度应为(0．63～0．88)W1［9］，实际取 2．7 m，小于能够供堵塞长度的理论值L2。

3．3 浅孔台阶爆破

浅孔爆破主要用于控制区的辅助爆破施工，其爆破参数如表2所示。

表2 浅孔台阶爆破参数Table 2 Parameters of shallow-hole step blasting

3．4 起爆方式及网路

3．4．1 中深孔爆破起爆方式及网路

1)起爆方法。炮孔内采用非电导爆雷管进行微差起爆，每个炮孔采用2发雷管组网起爆。

2)起爆规模。由于本区段爆破环境相当复杂，因此要严格限制起爆规模，拟采用孔内孔外共同延期的接力起爆网路，严格实现逐孔起爆。一般每次起爆2—3排炮孔，炮孔数约为15～18个/次，则最大段装药量为 44．1 kg，控制区为 29．4 kg。

3)网路连接。采用V形起爆网路，使用雷管段数为1—9段，控制区尽可能采用前5段起爆。采用“先簇联后串联”或采用“四通连接元件”连网，并-串联起爆网路。

4)网路激发。采用“非电导爆管网路-导爆管-起爆针-发爆器”的混合激发网路。

3．4．2 浅孔爆破起爆方式及网路

浅孔爆破的装药量一般都比较小，采用非电导爆雷管进行多排孔的微差起爆，单孔单响，则最大段装药量可控制在2．1 kg以下。使用雷管段数为1—9段，脚线长5 m。网路连接采用大串联连接或分区接力起爆网路。

3．5 预裂爆破

为确保边坡稳定及平整度，施工时沿着边坡开挖轮廓线布置1排预裂爆破孔，炮孔倾角与设计坡率倾角相一致，为56°。主要爆破参数设计如下:

1)炮眼直径D。采用英格索兰全液压钻机，钻孔直径D=89 mm，倾斜钻孔。

2)炮眼深度。根据台阶高度及倾角，炮眼深度L=6．0 m。

3)每延米装药量q和装药不耦合系数k。根据现场试爆及多次调整，采用药卷直径32 mm，不耦合装药，q=1．0 kg/m。

4)装药长度L1和填塞段长度L2。装药长度L1=L-L2=6-1．5=4．5 m;填塞段长度 L2=1．5 m。

5)计算单孔装药量Q=4．5 kg。

6)炮眼间距 a=2．0 m，排距 b=1．4 m。

3．6 爆破施工效果

目前，公路行业对于边坡爆破的质量评定尚未列入JTG F10—2006《公路路基施工技术规范》评测要求。而本工程爆破后所留下的半孔孔壁上没有明显的爆破裂纹，岩面平整、规则，超欠挖引起的避免凹凸起伏差小于10 cm，部分边坡单级高度采用12 m，节约了大量的锚固工程量，且边坡稳定性良好。预裂爆破效果如图4所示。

图4 预裂爆破效果Fig．4 Effect of pre-split blasting

本工程采用V型起爆网路，爆堆集中度高，被爆岩石受到挤压且碰撞作用强烈，大块岩石产出率明显下降。由于爆破抛堆方向指向爆区中心，克服了根底，抛距小，爆堆集中加快了装车速度。爆堆及岩石块度如图5所示。

图5 爆堆及岩石块度Fig．5 Blasted muck pile and rock fragmentation

3．7 控制爆破效果校核及区域划分

3．7．1 地震效应

通过公式(1)验证本工程爆破装药量的合理性。根据 GB 6722—2003《爆破安全规程》［10］，地震波的传播速度

式中:挡土墙允许的振动速度按毛石墙对待为1．5 cm/s［10］;K，α 为与地震波传播介质和爆破区地形地质条件有关的衰减系数，根据《爆破安全规程》、岩石软硬程度及振动频率综合考虑，取K=150，α=1．67;Q为最大段装药量，参见表1和表2分别为29．4 kg和2．1 kg;R为爆破中心距离被保护建(构)筑物的距离，为 35 m 和 26．5 m［10］。

将以上参数值代入公式(1)得:v深孔=2．6 cm/s;v浅孔=1．0 cm/s。

可见，浅孔爆破可以满足爆破震动效应的安全需求，而中深孔爆破震动效应则有可能对挡土墙造成损坏，因此必须采取相应的安全技术措施来降低爆破的地震效应。

根据公式(1)来反推地震波的安全距离和最大段装药量，即:

将以上数据分别代入公式(2)和公式(3)得:R安全=49 m;Qmax=10．8 kg。参考 R安全和 Qmax调整爆破设计方案并采取以下措施:

1)在距离既有铁路49 m内，必须采用分段装药结构或小台阶爆破。采用小台阶爆破时，台阶高度H≤5．0 m，孔网参数 a×b=3．0 m ×2．5 m;采用孔内分段装药结构时，最大段装药量控制在10．8 kg以内。二者相比，采用分段装药结构较为合理。

2)当30 m＜R＜50 m时，采用浅孔爆破，自下而上分层进行小台阶爆破，当R≥50 m时，采用深孔爆破。

3．7．2 爆破振速监测

为寻找爆破地震波衰减规律，按照预定的监测方案进行了铁路挡墙深孔爆破振动测试。通过对波形图进行时域和频谱分析，得出各测点的实测振动数据，如表3所示。

由表3可知，质点峰值振速随距离变化比较明显。随着距离的增大，质点峰值振动速度减小，且随爆心距的逐步增大，质点峰值振速的衰减速率逐步降低。这说明在同段最大药量相同时，质点峰值振动速度有逐步衰减趋势。

表3 爆破振动测试数据Table 3 Blasting vibration monitoring data

从实测数据可知，深孔爆破引起的铁路挡墙最大振动速度为1．441 6 cm/s。小于《爆破安全规程》规定的一般砖房、非抗震大型砌块构筑物主频在50～100 Hz时的质点安全振动速度2．7～3．0 cm/s，控制在毛石房屋主频在50～100 Hz时的质点安全振动速度1．1～1．5 cm/s范围内。故本次爆破引起的振动效应不会对既有铁路挡墙造成破坏。

3．7．3 爆破飞石落距

目前，关于爆破飞石安全距离的计算，《爆破安全规程》尚无具体的计算公式，常用的距离估算公式有:前苏联硐室爆破飞石计算公式，程康、章昌顺等总结的深孔梯段爆破公式和日本火炸药保安协安公式等。这些公式一般基于经验判断、试验统计或(弹道)理论推导，不同公式计算得到的飞石飞散距离如表4所示。

表4 不同公式计算得到的飞石飞散距离［11］Table 4 Rock flying distance calculated by different formulas

对于爆破飞石落距的计算，表4中为常用计算公式。但受应用条件限制，前苏联经验公式、弹道公式和深孔梯段公式都不适用，而Lundborg公式考虑了装药集中度、爆孔直径、填塞长度等综合因素，故取该公式计算结果作为本次爆破设计的飞石安全距离。

同时应注意:爆破时间一定要选在无行车时段;另外，爆破区四周多为灌木草丛，爆破时应注意提醒游人和放牧者及时躲避。爆破的安全警戒距离为200 m。

3．7．4 飞石遮挡效果

由图6可见，深孔爆破区产生的飞石被坡下柔性防护网拦截，最大飞石块度平均直径约20 cm，距离爆破中心直线距离45 m，比Lundborg公式计算结果偏大，这是因为该公式无法考虑自然地面坡型、风速等客观因素。故本工程被动防护网离深孔爆破中心距离实际为45 m，保障了施工安全，防护效果良好。

图6 防护网拦截飞石效果Fig．6 Effect of flying rock interception by means of protection net

4 结论与建议

基于概念(经验)设计及爆破理论分析，考虑危岩落石对既有铁路影响范围，针对台后深挖路堑施工，采用分层控制爆破开挖技术，得到以下结论并提出建议。

1)考虑既有铁路行车影响，有必要依据爆破振速控制安全距离，将爆破影响范围划分为0～30 m，30～50 m，大于50 m等不同段落，并相应采用不同开挖形式和防护体系。

2)爆破飞石落距计算尚无统一公式，建议采用反映装药集中度、爆孔直径、填塞长度等因素影响的Lundborg公式，深孔和浅孔爆破飞石理论距离分别为38 m和17 m，施工中应考虑风向、自然地形坡率等因素的影响，适当放大安全距离。

3)建议根据《爆破安全规程》爆破效果校核方法，合理地确定精细化控制爆破的设计边界，真正做到经济有效、安全可靠。

4)深孔爆破振动安全距离应控制在大于50 m范围，结合分段装药和小台阶爆破，既有铁路挡墙最大振速为1．441 6 cm/s，控制在1．1 ～1．5 cm/s，符合规程要求。

［1］JTG D30—2004公路路基设计规范［S］．北京:人民交通出版社，2004:13-14．(JTG D30—2004 Specifications for design of highway subgrades［S］．Beijing:China Communications Press，2004:13-14．(in Chinese))

［2］宋求光．深挖路堑石方爆破控制施工［J］．工程设计与研究，2005(1):47-49．

［3］杨俊平．山岭地区高速公路深挖路堑施工技术［J］．西部探矿工程，2004，16(8):180-182．

［4］蔡竹聪，徐建坤，王黎明，等．公路路堑边坡光面爆破控制关键技术［J］．路基工程，2013(3):40-48．(CAⅠZhucong，XU Jiankun，WANG Liming，et al．Key technique on smooth blasting control for highway cutting slope and its application［J］．Subgrade Engineering，2013(3):40-48．(in Chinese))

［5］李永松．采用挂网喷混及主动柔性防护网治理路堑危岩落石［J］．路基工程，2013(2):181-184．(LⅠYongsong．Application of suspended-net spraying concrete and active flexible protecting net for dangerous rock treatment［J］．Subgrade Engineering，2013(2):181-184．(in Chinese))

［6］董捷，宋绪国，许再良．铁路顺层路堑边坡稳定性分析方法研究［J］．铁道工程学报，2013(3):19-23．(DONG Jie，SONG Xuguo，XU Zailiang．Study on analysis method for stability of bedding cutting slope along railway［J］．Journal of Railway Engineering Society，2013(3):19-23．(in Chinese))

［7］宋德庆．紧邻既有线高边坡路堑爆破施工技术［J］．高速铁路技术，2013，4(2):84-88．(SONG Deqing．Blasting technology on cutting of high slope close to existing lines［J］．High Speed Railway Technology，2013，4(2):84-88．(in Chinese))

［8］郭永发．路堑开挖对既有铁路隧道影响数值分析［J］．路基工程，2013(3):117-121．(GUO Yongfa．Numerical analysis on influence of cutting excavation on adjacent railway tunnel［J］．Subgrade Engineering，2013(3):117-121．(in Chinese))

［9］罗勇，姚兆武．炮孔合理堵塞长度的研究［J］．岩土工程技术，2006，20(1):25-28．(LUO Yong，YAO Zhaowu，Study on stemming length in hole-charged blasting［J］．Geotechnical Engineering Technique，2006，20(1):25-28．(in Chinese))

［10］GB 6722—2003爆破安全规程［S］．北京:中国标准出版社，2003．(GB 6722—2003 Safety regulatoins for blasting［S］．Beijing:China Standard Press，2003．(in Chinese))

［11］熊炎飞，董正才，王辛．爆破飞石飞散距离计算公式浅析［J］．工程爆破，2009，15(3):31-34．(XⅠONG Yanfei，DONG Zhengcai，WANG Xin．Analysis of the formula about blasting flying rock’s casting distance［J］．Engineering Blasting，2009，15(3):31-34．(in Chinese))