岩质边坡爆破开挖施工方法优化研究

闫红强

（中铁十六局集团第四工程有限公司 北京 101400）

1 引言

爆破是现代岩质边坡工程开挖最主要的施工方法之一，但爆破开挖必然会对边坡保留岩体产生不利影响，如对岩质边坡设计坡面和平台岩体造成较大的损伤，将会导致边坡失稳。根据相关规范，在爆破开挖将到达岩质边坡设计坡面和平台时，需要严格控制爆破作业参数，避免对岩质边坡设计坡面和平台岩体造成较大损伤，从而影响岩质边坡的稳定性。魏星［1］等结合40 m高边坡，通过试验得出预裂控制爆破可有效减小边坡岩体振动损坏的结论。吴燕开［2］等采用数值模拟，分析总结了爆破作用下岩质高边坡的质点振动衰减规律和位移规律。

本文结合关花大道岩质高边坡爆破开挖，建立有限元模型，分析不同深孔爆破方式下开挖台阶的稳定性，并确定出相关施工参数。

2 工程概况

（1）设计情况

安顺关花大道道路工程设计等级为城市主干路，设计速度60 km／h。一标段起点桩号为K0＋015.902，终点桩号为K15＋300，主线长度15.284 km。根据规划及两侧用地条件，道路全线共设22 m、25 m及40 m三种宽度横断面。K6＋320～K6＋780段最大开挖深度59 m，共设四级平台，挖方边坡以10 m为一级边坡进行放坡，第一级及第二级边坡坡率为1∶1，三级边坡坡率为1∶1.25，第四级及以上边坡坡率为1∶1.5，两级边坡之间设2 m宽平台。

（2）工程地质

沿线褶皱和断层发育，受其切割强烈，沟谷、岸坡分布有较多崩坡积碎石土。

3 岩质边坡爆破开挖

3.1 开挖方法

岩质边坡周边环境简单，地质条件相对较好，适于采用爆破开挖。露天边坡爆破开挖方式包括深孔爆破和浅孔爆破两大类。深孔爆破一般指钻孔直径＞75 mm、孔深＞5 m的炮孔爆破技术；浅孔爆破俗称“浅眼爆破”或者“露天浅孔爆破”，一般指炮孔直径≤50 mm、深度≤5 m的爆破作业。

在实际爆破施工中，深孔爆破和浅孔爆破各有优势和特点。深孔爆破适合大方量、爆破环境好时的爆破开挖施工；浅孔爆破适用方量较小、爆破环境不好（如周边有建筑物，对爆破振动、爆破抛石距离等有要求）时的边坡、基坑、巷道等爆破施工。本工程边坡开挖施工拟选用深孔爆破开挖。

深孔爆破作业，根据钻孔形式不同可分为垂直钻孔和倾斜钻孔两种形式。倾斜钻孔在爆破效果方面较垂直钻孔有较多优点，但在钻凿过程中操作比较复杂，在相同台阶高度情况下倾斜钻孔比垂直钻孔要长，而且装药时易堵孔，给装药工作带来一定困难。所以实际工程中，垂直钻孔的应用较倾斜钻孔要广泛得多［3－4］。

由于拟开挖边坡邻近省道，在爆破时不宜产生过多飞石，并综合考虑边坡围岩情况确定最终采用深孔爆破方式。

3.2 深孔爆破技术分析

根据永久边坡设计情况，深孔爆破采用高度为10 m一个平台进行爆破开挖，通过分析竖直深孔爆破和斜孔深孔爆破开挖边坡稳定性选取合理的开挖形式，在此基础上确定深孔爆破施工参数。

（1）岩体力学参数确定

边坡岩体强度参数的确定包括岩体地质力学分类法（RMR体系）和地质强度指标（GSI）法，本文采用 RMR 法［5－7］。

根据设计方提供的地质资料，该边坡表层为第四系松散堆积层，覆盖于坡体表面，覆盖层厚度为0.2～1 m。区内地层岩性以碳酸盐岩系为主，岩性主要为灰岩，以强风化为主。根据勘探设计方提供的资料，结合附近区域爆破后现场岩体露头，将强风化岩体分为两类，采用RMR法估算爆破后岩体的参数。根据RMR方法得出现场两类岩体RMR评分，如表1所示。

表1 各岩层RMR分值

通过RMR评分值，得到各个岩层的总分值，如表2所示。

表2 各岩层RMR总评分值

根据 RMR法结合 Mohr-Coulomb强度理论、Hoek-Brown强度准则进行计算，并考虑爆破修正，确定出岩体的抗剪强度参数，如表3所示。

表3 各岩层抗剪强度

（2）爆破开挖台阶稳定性

根据边坡稳定性规律，考虑到最不利情况，选取最下面两层爆破开挖平台为对象，分析爆破后平台的安全性。采用3种工况，爆破后平台边坡坡率分别为 1∶0（竖直深孔爆破）、1∶0.25 和 1∶0.5。假设爆破平台坡率与深孔爆破孔的斜率一致，则平台边坡坡率为 1∶0、1∶0.25和1∶0.5分别代表竖直深孔爆破、76°斜孔深孔爆破和63°斜孔深孔爆破。爆破开挖过程中平台高度及宽度均为10 m。为了反映平台在施工期间的稳定性，根据现场实际情况，在平台上施加100 kPa均布载荷以代表平台上的施工载荷。为保守起见，平台范围内材料参数采用表1～表3提供的岩体强风化I参数，从而得出不同深孔爆破方式下平台稳定性模型，如图1～图2所示。

图1 爆破后平台稳定性分析模型（1∶0.25）

图2 爆破后平台稳定分析有限元模型

根据表1～表3得出的爆破后岩体强度参数，采用有限元强度折减法进行计算［8－9］，得出各种平台下典型破坏形态，如图3所示。

从图1～图3可以得出，深孔爆破后边坡稳定性安全系数随斜孔角度变化规律如图4所示。

图3 不同深孔爆破方式下平台稳定性分析结果

图4 深孔爆破方式平台稳定安全系数与斜孔角度变化关系

从图4可以看出，该工程在深孔爆破开挖时，平台坡率越大，平台稳定性越好，这符合一般规律。从计算结果看，采用竖直深孔爆破开挖，在考虑施工载荷作用下，一次起爆开挖10 m高度后，形成的爆破平台安全系数为1.37，满足安全要求。所以在本工程中采用竖直深孔爆破、一次开挖10 m满足安全要求。

同时，从计算结果可以看出，当两个平台之间预留宽度超过10 m时，可以考虑两个台阶同时开挖，同样满足安全要求。所以在工期紧张时，可以考虑增加开挖工作面，但为了安全起见，两个平台之间要预留足够的宽度。

3.3 强风化灰岩深孔爆破参数确定

根据以上分析结果，设计主体采用深孔台阶爆破，台阶形成前剥离及爆后零星孤石用浅眼爆破处理［10－12］。深孔爆破方案为：采用竖直深孔台阶爆破，台阶高度约为10 m，钻孔直径为90 mm。

（1）装药量一般按单位体积控制，根据现场岩石硬度情况，宜选用的装药量为0.2～0.45 kg／m3，最终药用参数经现场试爆后确定。

（2）填塞长度：L2＝W1＝2.0～4.5 m。

（3）最小抵抗线：底盘最小抵抗线 Wd＝3～4.5 m。

（4）炮眼间距 a和行距 b：a＝3～5.5 m；b＝3～4.5 m（根据爆破后的块度进行相应调整）。

（5）炮眼深度：L＝Ht＋（0.15 ～0.35）Wd（根据爆破后留根底情况进行调整）。

（6）单孔药量计算（最大）：Q ＝q×a×b×H ＝0.3×3.5×3×10＝31.5 kg。

3.4 爆破施工

（1）采用分集间断柱装药，可以使岩石破碎块度更加均匀，炮孔除装药段和孔口保留段，必须满堵以保证堵塞质量。

（2）深孔控制爆破堵塞采用钻孔渣回填，回填至孔口段时，采用软粘泥封口，并用竹杆捣实，防止孔口段注水时漏水。孔口段必须保留50 cm深的空孔段，采取环保注水回填，以起到爆破防尘降噪作用。

（3）深孔爆破起爆网络采用塑料导爆管接力复式网络，先传后爆：主爆孔从爆破作业面一端向另一端逐个炮孔起爆，每排复始。为保障控制爆破效果，采用微差爆破技术。

4 结束语

安顺关花大道道路工程采用RMR方法确定爆破后岩体强度参数，基于有限元强度折减法分析了不同深孔爆破方式下开挖台阶的稳定性，对爆破施工参数进行优化，减小了爆破对设计边坡岩体的破坏和损伤程度，降低了施工风险，减少了人工刷坡工作量，共节约工期45 d，节约成本112.5万元。

（1）采用竖直深孔爆破，一次爆破台阶高为10 m所形成的边坡满足稳定和施工要求。

（2）深孔爆破过程，若工期较紧张，可以采用上、下两个平台同时开挖，但建议平台预留安全宽度不小于10 m。