基于深孔预裂爆破技术的高边坡路基施工研究

1 深孔预裂爆破技术

1.1 深孔预裂爆破技术所需材料

在实际应用深孔预裂爆破技术时，一般需要用到导爆索、炸药和雷管等材料。 为了保证爆破技术的应用效果，在选择导爆索时，需要保证导爆索具有防潮、耐热、弯曲、耐冷和良好的传爆效果等要求，能够在承受一定重量的药块与拉力的同时，有效发挥引爆的作用。 对于炸药的选择和配置，通常选择药卷直径为32 mm 的岩石硝铵炸药，对于炸药成分的配置，需要结合工程的实际需要来对水分和炸药的猛度进行调整[1]。而对于起爆雷管的选择， 则需要在结合工程实际需要对起爆雷管的外径、长度和脚线长度确定之后，选择起爆雷管的具体型号。

1.2 深孔预裂爆破技术的应用原理

在高边坡路基施工中应用深孔预裂爆破技术， 炸药的埋深决定了爆破的实施效果。 当炸药的埋藏深度较大时，由于炸药的爆破作用难以达到自由面， 在这种情况下就会产生岩体爆破的内部作用；而当炸药的埋藏深度较小时，炸药的爆破作用能够达到自由面，就会产生岩体爆破的外部作用。

从岩体爆破的内部作用角度来看， 在炸药爆炸之后会在岩体中形成应力波， 在对岩体的破坏特征进行总结分析之后可以将岩体区域的岩石划分为压缩区、 破裂区以及振动区3个部分；而从岩体爆破的外部作用角度来看，炸药爆炸不仅会对岩体内部产生破坏作用，同时也会对地表产生破坏作用[2]。 在外部作用的情况下， 爆破技术的实际应用效果可以用爆破作用指数n 来表示：

式中，r 为爆破漏斗底圆半径；W 为最小抵抗线。

基于爆破漏斗在爆破技术原理和应用效果研究中的作用，利文斯顿提出爆破漏斗理论，并以此为基础建立了爆破漏斗的最佳药量和最佳埋深公式：

式中，Lj为炸药最佳埋深；E 为弹性变形系数；Q0为最佳药包重量；Δ0为最佳深度比。

2 深孔预裂爆破技术在高边坡路基施工中的应用

以巴基斯坦KKH 公路改线项目为例，对深孔预裂爆破技术在高边坡路基施工中的应用进行分析。

2.1 依据项目地形情况来确定爆破方案

在应用深孔预裂爆破技术之前， 首先需要结合工程项目的实际情况来确定具体的爆破方案。巴基斯坦KKH 公路改线项目是为修建DASU 水电站而将淹没的N35 公路段进行的改建，线路沿线两侧山高壁陡谷深，各种地貌发育，地质构造发育，地层多样，岩性多为变质岩且复杂多变。 由于沿线地形、地质情况复杂，为了保证开挖边坡的稳定性，在实施爆破作业时需要采用科学合理的爆破开挖方式。

该项目能够根据路基施工图纸，现场采用“横向分层，纵向分段，阶梯掘进”的总体施工方法，在钻爆模式上使用预裂爆破，根据设计边坡高度，每次钻孔深度H=10 m，爆破后每层开挖高度h=5 m，各施工段落间距l 约50 m。 如图1 所示。

图1 巴基斯坦KKH公路改线项目施工方法原理

2.2 爆破设计和钻孔作业

爆破技术从本质上来说是一种炮孔爆破技术，在施工中应用深孔预裂爆破技术， 一般需要保证钻孔直径能够超过75 mm， 爆破范围直径超过5 m。 基于爆破技术本身的成本低、操作简便、效果好的应用优势，当前高边坡路基施工中经常应用该技术来达到路基开挖的目的。 实际工程施工中应用的深孔预裂爆破技术大部分爆破范围直径会超过10 m，通常需要事先依据设计图纸在爆破区域留出一条贯穿的裂缝，以便能够对应用爆破技术后产生的振动波进行缓冲和释放，尽可能减少爆破技术应用过程中对路基周边岩体造成的不良影响，保证在爆破技术应用后能够形成一种较为平整的爆破轮廓。

在进行爆破作业的过程中， 依据深孔预裂爆破技术应用的实际要求，选择预裂爆破方式来进行爆破设计。 预裂爆破主要是指沿开口线钻布较为密集的预裂孔， 采用不耦合装药模式，在主爆孔起爆之前，先起爆边坡预裂孔，通过形成一道有一定宽度的贯穿裂缝将保留边坡与主爆区分开， 以减弱主爆区对边坡的破坏，并形成平整的边坡轮廓面的爆破作业。

本工程在应用预裂爆破作业的过程中， 重点关注钻孔和装药两个环节的关键技术内容。 在钻孔作业中，于施工前做好开口线放样，保证预裂孔位置正确；对于炮孔深度的确认应在平整地面后进行，将炮孔深度的误差控制在±2.5%左右；对于钻孔位置误差为1 倍的炮孔直径时， 如因钻孔位置无法满足要求导致炮孔位置变化，应进行相应的爆破参数的调整。 钻孔过程中须控制好方向精度，方向误差为1°。 具体而言，本工程于一般地段采用深孔预裂爆破法，钻孔直径D=100 mm，一般开挖深度控制在10 m 左右。 对于首排底盘抵抗线w 可取（35~40）D。 此处炮眼直径D=100 mm，取w=40D=4.0 m；孔排距b=0.75w=0.75×4 m， 取b=3.0 m； 孔间距a=（1.0~1.2）b，a=3.0~3.6 m；超深h1=（0.1~0.15）w，D=100 mm，取h1=0.5 m；孔深L=H+h1=10+0.5=10.5 m； 堵 塞 长 度h0= （30~35）D 或=（1.2~1.4）w=3.5~4.0 m；主爆孔单孔药量Q=0.3~0.4 kg/m3。

装药和填塞的过程中， 在装药前先将炮眼内残渣清理干净，清除炮眼内积水，并采用不耦合间隔装药的装药模式，将一定数量的药卷间隔分开， 与导爆索绑扎形成药串后慢慢放入孔内，随后用沙土、炮灰等松散材料进行堵孔，不必捣实。 然后再按照图2 所示的装药结构来进行填塞

图2 不耦合间隔装药结构

2.3 预裂爆破设计

在确定好预裂爆破的准备工作之后， 还需要结合工程项目的实际情况进行预裂爆破的具体设计。 在预裂爆破设计中最为重要的就是预裂爆破参数的选择。

以理论计算法为例， 在对预裂爆破的主要爆破参数进行选择时，需要保证预裂爆破的各项参数能够满足式（3）所示力学方程的要求：

式中，σz为作用在预裂孔壁上的最大径向压应力；σT为作用在预裂孔中心连线上岩石的最大切向拉应力；σ拉为岩石的极限抗拉强度；σ压为岩石的极限抗压强度。

在满足相应的要求之后，还需要对装药密度进行计算，在确保孔壁岩石不被压碎的情况下， 根据炮眼内爆炸应力波的作用理论，可以得到装药密度的计算公式：

式中，Δ 为最佳装药密度；Q＇为炸药的爆热能量。

基于这一公式，可以得到常见岩石预裂爆破线装药密度，总结分析可以得到表1。

表1 常见岩石预裂爆破线装药密度与经验值

对于预裂爆破中爆破网络的敷设， 需要在确定爆破孔内所用雷管段别的基础上， 在装药完成后及时利用钻孔岩屑来将孔口堵塞，并将雷管和导爆管连接好。 而在网路连好之后，还需要对雷管段别和连接的质量再次进行检查， 用以保证爆破网络的敷设质量。 在应用塑料导爆管孔外内微差起爆技术敷设爆破网络（见图3）的过程中，需要对用于爆破的各种器材进行检查，并事先进行试爆，在确定最佳的爆破方案之后再进行爆破作业。

图3 微差起爆网络图

2.4 爆破效果和注意事项

对巴基斯坦达苏水电KKH-01 标的高边坡路基进行多次试爆，并对各项指标进行了统计，结果显示：预裂控制爆破能够取得明显的效果，对减小爆破导致的边坡扰动起到了明显的作用。 实践证明，深孔预裂爆破技术能够应用到高边坡路基施工当中，对于提高高边坡路基结构的稳定性具有重要的作用。

在实际的施工中， 为了能够进一步提高爆破技术的应用效果，一方面需要对深孔预裂爆破技术的施工工序进行优化调整，并保证在爆破作业中严格遵守相应的施工工序，另一方面，需要结合工程项目的实际情况，对实际应用的爆破方案进行优化。在制订爆破方案的过程中， 需要遵循尽可能减少对岩体进行破坏的原则，减少由于爆破震动对边坡稳定性产生的影响，同时也需要重视高边坡路基施工周边环境的安全问题， 对最大单段的起爆药量进行合理控制。 除此之外，在实际应用爆破技术的过程中，还需要重视施工监控对于保证爆破技术应用效果的作用，在对爆破技术应用的实际情况进行监测的过程中，重点关注内部应力应变和外部变形观测，并根据监测结果，及时调整施工方法。 同时，在爆破设计的区域范围边界需要设置安全警戒，在保证爆破技术统一指挥和安排的前提下， 让爆破作业的相关人员能够及时撤离，确保爆破技术的实际应用安全和效果。

3 结语