预裂爆破技术在公路复杂环境运用

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摘要:预裂爆破技术因技术新颖、效果理想和在施工中安全系数较大而被广泛采用，近年来经过不断创新，总结出了深孔台阶预裂爆破技术，介绍了该爆破技术机理，结合贵州省黔东南州某国省干线公路多处复杂环境的超高大边坡深孔台阶预裂爆破技术的应用，通过其爆破方案、施工工艺和应用效果对公路复杂环境深孔台阶预裂爆破技术进行总结。

关键词:深孔台阶;预裂爆破;公路;复杂环境

0引言

随着公路建设提级改扩建和加快建设步伐，复杂环境下实施控制爆破越来越常见，在建设美丽新中国形势下，人们对公路建设和生态环境建设要求协同发展的紧迫感、责任感和使命感也日益增强，因此，对复杂环境爆破开挖工程提出了更高的要求，即边坡一次快速成型、边坡顺适美观、爆堆集中、大块率少可直接用于填方等，且爆破引起对爆区附近保护对象可能产生的振动、个别飞散物、空气冲击波、噪声等有害效应控制非常严格［1］，预裂爆破技术新颖、效果理想和在施工中安全系数较大而最终被采用，采用该技术实施后的边坡给圬工砌体防护或绿色生态防护等提供了更便于施工的工作面。预裂爆破作为一项控制爆破技术，已广泛应用于煤矿、水利水电、道路开挖等各个建设领域［2］，深孔台阶预裂爆破技术是近年来不断创新总结的预裂爆破技术中的一种，在公路爆区边缘100m范围内有居民集中区、高速公路或重要设施的复杂环境中，进行超高大边坡的控制爆破开挖应用较广泛。笔者结合贵州省黔东南州某国道改扩建工程多处复杂环境的超高大边坡深孔台阶预裂爆破技术的应用，总结该技术在公路复杂环境实施控制爆破的关键施工工艺。

1深孔台阶预裂爆破技术及机理

预裂爆破是沿着边坡开挖线就近施钻按一定间距布设的预裂孔，装少许的炸药，施工中主要通过毫秒延时微差雷管分时段引爆，预爆破岩体在主冲击波到达之前爆破，形成一条张开裂缝，能反射主冲击波和散逸爆破产生的膨胀气体，同时减弱主冲击波对边坡坡体的扰动破坏。深孔台阶预裂爆破技术，是采用自上而下分台阶进行深孔微差预裂控制爆破的技术，基本适合所有的高大边坡开挖，台阶高度一般为8．0m～15m，可视地形地质情况进行调整，而炮孔直径大于50mm，一般可取孔径为90mm，并且孔深深度大于5m且不大于13．0m，单响药量不大于40kg。微差爆破时，当第一排炮孔爆破形成爆破漏斗后，其漏斗侧边及漏斗体外的细微裂缝成为第二排炮孔的新自由面，相应减轻了第二排炮孔的爆破阻力，爆破能量可以充分用于破碎岩石，先起爆药包爆破作用在岩石体内形成的应力场与后起爆药包的应力场叠加，增强了应力波的破岩作用［3］。微差爆破减震作用在于相邻炮孔(或两排炮孔)之间有毫秒级的间隔时间，使得地震波相互干扰，地震效应降低［4］。大量观测资料显示，在总药量相同的条件下，微差爆破产生的振动速度比齐发爆破大约降低1/3～1/2，降低程度视间隔时间、延发段数、爆破条件不同而有差异。预裂爆破预裂孔因是不耦合装药，药包爆轰后作用于炮孔壁上的压力降低且为准静压作用，不至于“压碎”孔壁，爆轰波引起的应力波只能引起少量的径向裂隙。基于这些机理，深孔台阶预裂爆破技术在高边坡开挖应用中虽然钻孔作业量大，但凸显了边坡坡面平整顺适美观、无浮石不掉块、大块率低、次生地质灾害明显降低等优点。另外，近年来新型的双聚能预裂爆破施工技术较为先进，可以大量减少预裂孔钻孔作业量，但由于平整度及残孔率均不满足要求等的限制，并不适合所有的高边坡开挖［5］。

2爆区工程概况及施工要求

2．1爆区工程概况

贵州省黔东南州某国道改扩建工程新建路线27余千米，位于云贵高原向湖南西部地区过渡的斜坡地带，沿线海拔较低(最低处高程为272m;最高处高程为755m)，沿线地貌类型主要为中低山山间凹地，山地、沟谷斜坡及冲洪积地貌，挖方段表层为覆盖层，厚度为30cm～150cm不等，其下为弱风化～中风化石灰岩地质为主。目前该工程开挖区域内土石方总方量约为150万m3，涉及到复杂环境控制爆破的超高大边坡4处，即K2+000右侧4级边坡、K11+780右侧6级边坡、K19+800左侧8级边坡、K25+900左侧4级边坡(坡高均为8m，且坡脚设3m～5m高路堑墙)，合计开挖石方量近70万m3，均为爆区边缘100m范围内有村寨、既有黎洛高速、军缆或高压电缆、电力高压塔等复杂环境中，同时要求须保通、不断交施工。

2．2爆区施工要求

该项目涉及的4处复杂环境爆区施工要求较高，提出如下具体要求:1)不得或少扰民，减少爆破地震效应、空气波和飞石对村寨居民正常生活的危害，沿线为苗族侗族聚居区有较多木质房屋，确保房屋墙体不开裂、玻璃不损坏。2)严禁爆破飞石击中在建公路和既有高速公路通行安全、军缆、电缆高压线路、电力高压塔设施事故发生。3)确保治理后边坡岩体稳定且光滑平整，消除高边帮和浮石，杜绝次生山体滑坡事故发生。4)K19+800处为临崖段山体开挖土石方，应生态环保要求，不得滚落河道。5)利用爆破后石渣填方，为路基填筑及时提供料源，要求大块率小且岩石块度有85%控制在500mm以下便于装车，减少或无大石解小设备投入，提高利用填方施工效率。

3总体爆破方案

影响预裂爆破有爆破参数、起爆网路、岩体结构、岩石物理力学性质等因素，这些因素相互关联决定着预裂爆破效果。起爆网路是向多个起爆药包传递起爆信息和能量的系统，大方量爆破作业的起爆网络连接是关键，通过试验炮确定理想的连接网络，能够产生理想的爆破效果［6］。随着国家对爆破安全监管力度加大，本项目在逐步推广使用数码电子雷管起爆网路。因此，爆破作业前须预先编制系统的爆破施工方案，且在爆区内依据施工方案进行试验炮试验，通过总结试验炮经验调整爆破设计参数。为达到上述爆破施工要求，并综合考虑该项目复杂环境山体地势、岩性和爆破工程量，拟按设计所划定的分级边坡采用深孔台阶预裂爆破技术，即深孔逐孔微差预裂爆破辅以浅孔微差爆破、机械破碎相结合的施工方案，施工时应分台阶自上而下进行，按照总体面向在建公路方向推进。针对爆区周围环境，将爆破垂直在建公路方向划分为3个梯段，其中:第一梯段机械破碎区:因爆区有军缆、电缆和高压线杆属重点保护对象，所以靠近需保护的建(构)筑物20m范围采用机械破碎，可以通过修建马道搭建工作面。第二梯段浅孔爆破区:离需保护的建(构)筑物21m～50m区域内采用浅孔微差控制爆破，并采用炮被覆盖孔面，确保减少飞石，孔径40mm，孔深L≤5m，单响药量不大于2．7kg。第三梯段深孔爆破区:离需保护的建(构)筑物大于50m范围以外采用深孔台阶微差控制爆破，孔径90mm，孔深L≤13．0m，单响药量不大于40kg。该项目涉及的4处复杂环境爆区施工要求较高，主要施工难点在于控制爆破飞石、空气波冲击及滚石，保障爆区附近村寨房屋、在建公路和既有高速公路通行安全以及军缆电缆线路的安全，山高坡陡，钻孔、装药及挖运施工不便，钻机、挖机等设备到达山顶作业需修建马道工程量较大。为此，采取了以下措施:1)修建马道创造工作面，改变临空面方向，尽量按设置临空面背向高速公路，再朝向侧面优先顺序选择，并采取弱松动台阶微差爆破改变爆破飞石的抛掷方向和减弱空气波冲击。2)开挖时注意持续修正爆破临空面朝向，尤其木质房屋距离较近时应综合考虑采取沙袋防护、刚性防护、炮被覆盖等措施。3)在开挖层靠在建公路的最后2排炮孔，采用弱松动控制爆破，爆堆尽量集中不滚落，必要时设置刚性防护防止大方量滚落来不及清理影响保通保畅。4)K19+800处为临崖段山体开挖土石方，爆破前必须严格按照方案修建刚性防护，不得有落石滚入河道，严重破坏河道行洪能力。5)采用钻孔量大、少装药的微差弱松动深孔控制爆破，严格控制最大单响药量，每响间隔不小于50ms，小爆破方量钻爆、清方周期短，减少占路清方时间间隔，可以更好的做好保通和减小社会影响，根据孔径选用支架式潜孔钻或履带式高风液压露天潜孔钻机完成钻孔作业，钻孔速度快、精度高。6)加强堵塞，保证堵塞质量与长度，可有效控制飞石和大块滚石［7］。

4施工工艺要点

4．1爆破施工流程

爆破施工一般流程为:工程准备、总体爆破方案设计及编制(方案编制及审批完成后优先试验炮施工)→清理植被、表土→施工测量、标定炮孔、钻孔→炮孔检查、爆破器材准备→装药及炮孔堵塞→联结爆破网络→爆破覆盖或设置刚性防护，布设安全岗哨→起爆信号→起爆→消除瞎炮、处理危石→解除警戒→爆破效果总结分析(做好资料记录)→调整爆破参数继续下一爆区作业。

4．2深孔台阶预裂爆破参数

现场应根据岩体及物理力学性质等地质情况进行优化调整，采用履带式中或高风液压露天潜孔钻机钻孔。1)预裂孔爆破参数。a．钻孔孔径D=90mm。b．孔距a:70cm～100cm。c．孔深L:台阶按边坡高度8m控制，超钻深度根据经验结合台阶高度为1m，孔深为9m，个别台阶可根据现场稍作调整，孔深控制在9m～13m之内。d．堵塞长度L2:1．0m～1．5m。e．不耦合系数:钻孔孔径/药卷直径不小于2．8。f．装药结构:采用不耦合装药和间隔装药［8］，标准药卷按设计药量连续或间隔装药(见图1，图2)，底部1．0m范围药量加强，孔口2m药量减弱，堵塞长度1．5m，采用φ32mm药卷间隔装药。g．线装药密度:标准段为170g/m～450g/m(除去底部加强和孔口减弱段)，堵塞长度1．5m，用黄土或黏土堵塞，堵塞段底部与药卷顶端用编织带间隔，编织带距药卷顶端5cm。2)缓冲孔爆破参数。缓冲孔孔径采用90mm，设计原则:距预裂孔排距1．5m～2．0m、间距2．0m，距前排主爆破孔排距2．5m，堵塞长度为2．5m。3)主爆孔孔径为90mm、间距a=3．0m～3．5m，排距b=2．5m～3．0m，堵塞长度取2．5m～3．0m;采用φ70mm药卷连续装药。

4．3其他注意事项

1)为方便观察山体和个别悬石的具体情况，施工前进行测量放线，将施工区植被全部清除，以便仔细观察岩石结构和确定爆破参数，并做好记录。2)最小抵抗线W一般按药包中心或重心到最近自由面的最短距离，在深孔台阶预裂爆破中，为避免留根底，一般以底盘抵抗线代替，因此本项目选用底盘抵抗线代替最小抵抗线。3)钻孔须严格按照设计位置、方向和角度进行作业，以保证爆破效果和爆破安全，钻孔完成后将孔内岩粉吹干净，个别孔深较大的地方适当增加超钻深度，钻孔后要做好保护，防止杂物和雨水进入孔内。4)装药前应对炮孔、硐室、爆炸处理构件逐个进行测量验收，作好记录并保存，爆破作业单位应在一项爆破工程结束或告一段落时，进行爆破总结，组织人员对爆破后岩石地质、坡面平整度、残孔率等进行分析，确定合理的爆破参数，优化爆破设计。5)复杂环境深孔爆破工程应设立指挥部，严格遵守“统一指挥、统一信号、统一警戒”，统筹安排爆破设计施工及善后工作，应对爆区周围人员、地面和地下建(构)筑物及各种设备、设施分布情况等进行详细的调查和复核，同时总体爆破方案必须包括详细可行的爆破应急救援预案。为确保各爆破作业面的安全，在整个工地划定距各爆区200m范围的爆破警戒区，在警戒区范围内的各施工通道口设立醒目的爆破警戒牌，并在工地设置爆破作业警报装置。6)临崖高边坡路堑石方爆破作业中，严格控制炸药单耗，选择合理的孔网参数，控制填塞的长度及质量等，不得产生抛掷作用，要求岩体松动易破碎，且大块率低，便于挖运和进行路基填筑。7)施工时，横向总体按3个梯段推进与分台阶自上而下施工不可出现垂直作业，避免安全事故发生。

5结论

本项目采用深孔台阶预裂爆破技术施工取得了预期的效果，边坡坡面平整、顺适美观，为后续施工的生态边坡修复防护提供了良好的工作面，石方开挖基本一次到位，避免了超欠挖、大石解小的处理，做到了快速施工少占路，且没有爆破裂隙和浮石存在，减少了后期营运风险。虽说爆破直接成本上较浅孔爆破高些，但综合全寿命周期来看，深孔台阶预裂爆破技术应用经济效益和社会效益显著，因而在公路大方量石方爆破开挖工程中具有很好的借鉴意义。

作者:黄朱盛 刘继岩 龙一平 单位:北京市政路桥股份有限公司工程总承包一部 贵州省天柱公路管理段