124 m超高边坡控制爆破施工技术

吴应明

(中铁二十局集团有限公司 陕西西安 710016)

1 工程概况

正在修建的渝怀二线引入怀化枢纽站前工程需开挖124 m超高边坡，土石方挖方量高达2 102.8万m3。范围处于武陵山脉和雪峰山脉之间，沅水自南向北贯穿全境，舞水为沅水的主要支流。怀化枢纽位于怀化市西南侧，所在区域为两个山脉之间的丘陵、盆地地貌。丘陵区地面高程在210～400 m之间，局部地段地势起伏大、相对高差大，丘坡多呈长条状、短带状、浑圆状地貌，植被发育。爆破施工现场见图1。

图1 爆破施工现场

怀化枢纽工程所处区域在漫长的地质历史时期中先后经历了武陵、雪峰、加里东、华力西-印支、燕山-喜马拉雅山等多次强烈的构造运动，地壳变形剧烈而复杂，断裂和岩浆活动强烈，形成著名的雪峰山褶皱隆起带。测区构造主要为华夏、新华夏式构造，表现为主体走向为北东向、北北东向紧密型线状褶皱及断裂为主，出露基性～超基性岩和火山岩，并发育规模巨大的深大断裂带及褶皱，如安化-溆浦-靖县断裂带、溆浦-五团山断裂带等。

鉴于工程边坡及地质条件较为复杂，岩层自稳能力较差，特别是在雨水冲刷和浸泡后，边坡开挖管理难度大，加之边坡工程开挖方量大，爆破施工管理要求高，爆破振动对高陡边坡以及工程边坡安全的影响不得而知，如何采取合理的控制爆破方案以缓冲动力荷载对边坡的影响需要深入研究。

对于边坡爆破技术和振动研究，许多学者做了大量工作。如易长平对爆破振动对地下洞室的影响进行了研究[1]；高焕焕对爆破荷载对邻近洞室及支护结构的影响机理进行了研究[2]；张正宇和于亚伦等均对工程爆破理论与技术进行了深入研究[3-5]；张志毅等论述了中国爆破振动控制技术的新进展[6-8]；张继春及汪旭光等学者对爆破设计与施工等技术进行了研究[9]；谢毓寿等对工业爆破的地震效应进行了研究[10-12]。

尽管如此，仍然还有许多问题有待于进一步探索。基于此，必须结合工程开挖的地质、工程本身边坡结构、工程边坡以及周边环境等实际情况，提出切实可行的控制爆破参数，并进行现场试验与监测以验证和优化爆破参数，以确保工程边坡稳定和结构安全。

2 高边坡总体开挖方法

基于爆破开挖边界实际，依据截排水先行、逐级开挖、边坡防护紧跟以及确保安全的原则组织施工。边坡施工顺序为:施工边坡天沟→自上而下分层开挖→及时刷坡和施作防护工程进行坡面防护。高边坡开挖方法及工序见图2。

图2 高边坡开挖方法及工序

2.1 纵向工区划分

挖方采用纵向沿中心开通槽作为主运输通道、横向从GDK1＋800处拉通槽(空车行驶通道)的混合开挖方式将整个施工区域划分为四个作业面。各作业面遵循从横向通道向东西两侧纵向分段分层开挖原则，阶梯推进的施工方式；合理安排运土通道与作业面的位置及施工工序，做到出土石方、排水、防护互不干扰，以确保开挖顺利进行。

2.2 竖向开挖方法

开挖按设计边坡从上至下分层一次开挖，开挖面保持不小于4%的排水坡，严禁积水，并且保持边坡平顺。

每层开挖高度3～4 m，按设计要求进行刷坡，确保挖方段边坡的稳定性和平顺。每段开挖工作完成后，对边坡进行防护，开挖一阶、防护一阶。当防护不能紧跟开挖进行时，要预留20 cm的保护层，待施作护坡时再刷坡。

2.3 总体开挖工序

首先进行第(1)、(2)部分的开挖，为石料运输开出一施工平台，再从上至下按(3)、(4)、(5)、(6)的顺序开挖，然后开挖(7)、(8)部分，为石料运输开出第二级施工平台，再从上至下开挖(9)、(10)、(11)、(12)部分，其中(4)、(6)、(10)、(12)部分需要进行光面爆破。

3 高陡边坡大孔径深孔台阶爆破参数

结合本工程地形特点，为了提高爆破效果，本工程拟采用浅孔、中深孔台阶爆破与控制爆破相结合的方法进行爆破施工。鉴于篇幅所限，在此仅对深孔爆破进行说明。为充分考虑大孔径爆破对永久边坡振动影响，邻近永久边坡时采用ϕ115 mm的爆破孔径，实现预裂爆破效果，减小爆破对永久边坡的影响。

根据边坡分级高度及机械开挖分层高度选定爆破台阶高度为10 m，每层的宽度可根据实际排数进行调整。增大爆破规模主要应用于该部分爆破区域，可根据情况增加排数和拉长爆破区域长度，增加每排炮孔个数。每层岩体开挖后所形成的边坡角应当能保证岩体的基本稳定，最大的边坡角度应当符合设计要求。具体孔网参数如下:

(1)孔径:d＝140 mm；

(2)台阶高度:H＝10 m；

(3)超深:h＝1～1.5 m，取h＝1.25 m；

(4)炮孔倾角:α＝90°；

(5)孔深:L＝H＋h＝11～11.5 m，取L＝11.25；

(6)底盘抵抗线:W1＝(0.4～0.7)H＝0.4×10＝4.0 m；

(7)炮孔密集系数:m＝1.0；

(8)孔距:a＝m×W1＝4.0 m；

(9)排距:b＝0.87a＝3.5 m(钻孔按梅花形布置)；

(10)受前面各排孔矿岩阻力作用的增加系数，k＝1.1～1.2；

(11)炸药单耗:q＝0.25～0.35 kg/m3(根据试爆情况作适当调整)；

(12)理论上单孔装药量:Q＝q·a·W1·H(第一排孔)；Q＝k·q·a·b·H(第二排孔起)。q取0.3 kg/m3，k取1.2。爆破参数见表1。

表1 爆破参数

根据一日的爆破方量按2万m3考虑钻孔144个，炮孔布置6排，每排布置24个，爆破范围宽度21 m，长度96 m。采用岩石乳胶炸药，药卷直径80 mm，总用药量7 257 kg。

4 炮孔布置与起爆网路

4.1 炮孔布置

所有炮孔采用三角形或正方形布置，具体见图3。

图3 炮孔三角形布置

4.2 炮孔装药及填塞结构

一般情况按设计药量装药进行爆破施工，根据现场爆破经验、岩石种类、岩性、结构以及抵抗线大小是否有变化，在保证填塞高度的原则下及爆破安全的基础上，从孔口到孔底连续柱状装药，起爆药包放置在药柱下部1/3处。炮孔装药及填塞结构见图4。

图4 炮孔装药及填塞结构

4.3 爆破微差间隔时间及起爆网路设计

(1)起爆网络设计

本工程爆破作业使用毫秒电雷管、非电雷管、导爆索进行排间微差松动控制爆破，从前排孔向后排孔按设计的微差间隔顺序爆破。孔内使用导爆索，用胶布将炸药均匀牢固地捆绑在收爆索上，下至孔底，孔口填塞高度0.5～1.0 m，串联在爆破网路上。

(2)微差间隔时间确定

微差间隔时间△t＝25～50 ms。起爆网络见图5。

图5 起爆网络

5 爆破试验与振动实测分析

为了在施工期间能够确保既有高陡边坡安全，必须对爆破开挖进行爆破安全振动监测，依据测试结果进行针对性地开挖、爆破参数优化调整及采取相应的有效控制对策。

5.1 测点布置方法

因为在每次爆破安装炸药的加权中心处产生的爆破振动波最强，所以在该中心线所对应的后缘高陡边坡的两个马道上安置传感器进行监测。传感器均安装于马道上的坡脚处，这样的布置方式使得两个传感器和爆源中心在同一条直线上，可以分析研究爆破振动波在边坡上部位置测点的传播特性。部分测点现场安装见图6。

图6 开挖边坡上部测点位置与仪器安装

5.2 爆破振动测试结果与分析

4个监测点采集到了4组数据波形，部分振动速度波形如图7所示。

图7 测点垂直Z方向振速波形

5.3 爆破振动对边坡及洞室安全影响分析

根据边坡开挖爆破的振动效应监测结果可知，边坡处的振动主频三个方向均在10～20 Hz范围内，最大峰值振速为水平Y方向(Y轴对准爆心)，为4.96 cm/s，在5 cm/s以内，符合安全规程要求，此次爆破边坡处于安全状态。

6 结论

(1)由于铁路枢纽工程边坡地质条件较为复杂，岩层自稳能力较差，在雨水冲刷和浸泡后，边坡开挖管理难度大，加上工程边坡开挖方量大，对爆破施工控制要求非常高，爆破动力荷载对边坡影响必须要严格控制。

(2)在分析工程地质和边坡条件的基础上，提出的边坡开挖纵向工区划分、竖向总体开挖工序可以满足怀化枢纽高边坡施工需要，能够确保工程进度。

(3)现场爆破试验表明，提出的高陡边坡大孔径深孔台阶爆破参数、炮孔布置、装药结构和起爆网路，可获得较好的爆破效果，能很好地保证高边坡稳定和结构安全。

(4)鉴于岩体地质的复杂性和超高边坡本身的风险性，后续的爆破方案及参数还需结合实际情况做实时动态调整。