高速公路路基石方爆破技術(shù)探討

謝博松 楊許強(qiáng) 張文

海南省爆破技術(shù)工程院 海南海口 570206

摘要：爆破技術(shù)是加快施工進(jìn)度和保證施工質(zhì)量的有效措施，并在公路石方路基施工中的應(yīng)用廣泛。本以海南海屯高速公路工程為例，對(duì)高速公路路基石方爆破技術(shù)進(jìn)行了闡述，可為相類似的工程提供參考借鑒。

關(guān)鍵詞：公路工程；路基；爆破；施工質(zhì)量；進(jìn)度；穩(wěn)定性

我國(guó)地勢(shì)條件不一，道路施工條件愈發(fā)復(fù)雜，由于許多自然條件的阻礙和制約，導(dǎo)致工程進(jìn)展緩慢且可能會(huì)導(dǎo)致質(zhì)量下降。因此，在這樣地質(zhì)條件復(fù)雜的地方進(jìn)行公路施工，為了保證施工的效率、質(zhì)量以及進(jìn)度，采用的最常用的方法就是爆破。本文通過工程實(shí)例，從結(jié)硐室爆破技術(shù)、深孔爆破技術(shù)以及路塹邊坡控制爆破技術(shù)三方面對(duì)公路路基石方爆破技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)論述。

1 高速公路工程爆破技術(shù)

隨著交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，高速公路石方爆破技術(shù)迎來了重要的發(fā)展機(jī)遇。王鴻渠創(chuàng)建了“多邊界石方爆破理論”，建立了一整套因地制宜的公路石方綜合爆破方法。20世紀(jì)90年代以來，隨著高速公路建設(shè)規(guī)模的不斷發(fā)展，深孔爆破、預(yù)裂爆破、光面爆破技術(shù)等在公路工程中得到越來越廣泛的應(yīng)用，進(jìn)一步豐富和發(fā)展了高速公路石方開挖的技術(shù)手段。

1.1 硐室爆破技術(shù)

1.1.1 多邊界石方爆破理論與技術(shù)

多邊界石方爆破理論與系列技術(shù)，是北京工業(yè)大學(xué)與我國(guó)公路部門合作研究建立的，專門用來開挖山包、山梁路基和線路通過雞爪地形發(fā)育地段的一套有效的爆破設(shè)計(jì)方法。

多邊界藥量計(jì)算公式是多邊界石方爆破體系的核心?；跈C(jī)械能守恒、功能平衡原理以及量綱分析結(jié)果，并輔之以適當(dāng)假設(shè)，王鴻渠建立了具有獨(dú)創(chuàng)性的多邊界藥量計(jì)算公式：

Q=KW3F（E，α）=KW3φ（E）f（α） （1）

式中：E為拋擲率（或拋坍率）（%）；F（E，α）為藥包性質(zhì)指數(shù)；α為自然地面坡度（°）；φ（E）為拋擲率的函數(shù)。

在新建山區(qū)公路中，所遇到的多面臨空地形多半是山脈的側(cè)面、受地質(zhì)作用和表面徑流作用形成的突出山包、山峰支脈、與路線相交的沖溝地形，以及路線通過的波浪起伏的峽谷或雞爪地形發(fā)育地段。多面臨空地形的路塹，按其長(zhǎng)度以及路基中心開挖深度的不同，可分為小、短、長(zhǎng)、深4種類型。多面臨空地形爆破理論和設(shè)計(jì)方法是專門用來開挖該4類地形路基石方的施工方法，其中最具代表性的成果當(dāng)數(shù)“三多爆破法”，即在深挖路塹中采用多層、多次起爆的多面臨空地形爆破，使深挖路塹一次爆破成型。

多邊界石方爆破體系的主要特點(diǎn)為：藥包的爆破作用同時(shí)考慮了各類地形條件的變化；爆破理論以炸藥提供的動(dòng)能和介質(zhì)中潛在的位能共同作用為基礎(chǔ)，消除不同地形下的多余爆能以及過多的炸藥用量；建立了因地制宜并與各類地形邊界條件相適應(yīng)的爆破設(shè)計(jì)方法；藥量計(jì)算公式中包含了地形邊界條件與爆破效果，即建立了炸藥量、地形邊界條件和拋擲率三者的關(guān)系。

1.1.2 條形藥包硐室爆破技術(shù)

山區(qū)高速公路工程建設(shè)，大量石方必須采用爆破方法開挖。提高爆后邊坡質(zhì)量、確保邊坡穩(wěn)定，對(duì)于降低工程成本、保障運(yùn)營(yíng)安全具有十分重要的意義；同時(shí)，也對(duì)高速公路石方爆破技術(shù)提出了新的更高要求。

硐室爆破具有施工簡(jiǎn)單、工期短、成本低等優(yōu)點(diǎn)，其缺點(diǎn)是大塊率較高，且易損壞邊坡。為了充分發(fā)揮其優(yōu)點(diǎn)、克服其缺點(diǎn)，硐室爆破的裝藥結(jié)構(gòu)由以集中藥包為主逐步發(fā)展到以條形藥包為主。條形藥包與集中藥包相比最顯著的特點(diǎn)是能量分布均勻，相對(duì)減少大塊和過度粉碎，爆破振動(dòng)有害效應(yīng)小，對(duì)邊坡破壞較輕，側(cè)向飛散少，且有利于拋體堆積和集中。

條形藥室硐室爆破通用藥量計(jì)算公式：

Q=f（n）KW2L （2）

式中：Q為藥包裝藥量（kg）；K為條形藥包標(biāo)準(zhǔn)單位炸藥消耗量（kg/m3）；W為藥包最小抵抗線（m）；f（n）為爆破作用指數(shù)函數(shù)，在W≤25m時(shí)，如n≤1，一般f（n）=0.5（1+n2）。

近年來，高速公路石方路塹設(shè)計(jì)，對(duì)邊坡質(zhì)量提出了更高要求，大多明確提出不允許進(jìn)行硐室爆破施工。硐室加預(yù)裂一次成型綜合爆破技術(shù)很好地解決了這一問題。

所謂硐室加預(yù)裂一次成型爆破技術(shù)，是在路塹主體石方爆破部位采用集中或條形藥包爆破，路塹邊坡采用預(yù)裂爆破；在硐室藥包作用比較薄弱的部位，根據(jù)具體情況可適當(dāng)布置深孔以改善破碎質(zhì)量。該項(xiàng)綜合爆破技術(shù)充分利用了硐室、深孔、預(yù)裂爆破的各自優(yōu)點(diǎn)，一次起爆分段延時(shí)，使路塹開挖按設(shè)計(jì)要求一次成型。工程實(shí)踐表明，硐室加預(yù)裂一次成型爆破技術(shù)在公路尤其是高等級(jí)公路路基石方開挖施工中將有廣闊的發(fā)展前景。

1.2 深孔爆破技術(shù)

隨著深孔鉆機(jī)和裝運(yùn)設(shè)備的不斷改進(jìn)、控制爆破技術(shù)的不斷完善和爆破器材的發(fā)展，深孔爆破在改善和控制爆破質(zhì)量、實(shí)現(xiàn)石方機(jī)械化作業(yè)和快速施工等方面的優(yōu)越性越來越明顯，并已成為高速公路石方爆破的首選作業(yè)方式。深孔爆破技術(shù)及其發(fā)展主要體現(xiàn)在3個(gè)方面，即布孔方式、裝藥結(jié)構(gòu)和起爆方式。

1）鉆孔布置主要體現(xiàn)在寬孔距、小抵抗線爆破技術(shù)。該技術(shù)是在保持炮孔負(fù)擔(dān)面積不變的前提下，加大孔距、減小抵抗線，即增大炮孔密集系數(shù)的一種爆破技術(shù)。研究和實(shí)踐表明，該項(xiàng)技術(shù)對(duì)于改善爆破質(zhì)量、降低炸藥單耗、增大延米爆破量等具有優(yōu)勢(shì)。

2）裝藥結(jié)構(gòu)一般采用連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)和分段裝藥結(jié)構(gòu)，而混合裝藥結(jié)構(gòu)和孔底間隔裝藥結(jié)構(gòu)則是深孔爆破技術(shù)的進(jìn)展。所謂混合裝藥結(jié)構(gòu)，系指在炮孔內(nèi)通過自動(dòng)裝藥技術(shù)改變炸藥密度，或者在孔底裝高威力炸藥、上部裝普通炸藥；所謂孔底間隔裝藥結(jié)構(gòu)，系指在炮孔底部留出一段長(zhǎng)度不裝藥，以空氣、水或柔性介質(zhì)為間隔介質(zhì)，以此來改變炸藥的爆炸作用，控制爆破對(duì)周圍巖石的過度破碎。

3）起爆方式主要體現(xiàn)在毫秒爆破技術(shù)的廣泛應(yīng)用。所謂毫秒爆破，系指相鄰孔間、排間或孔內(nèi)以毫秒級(jí)時(shí)間延期順序起爆的爆破技術(shù)。首先，采用毫秒爆破技術(shù)，由于應(yīng)力波的疊加作用，加強(qiáng)了爆炸應(yīng)力場(chǎng)的做功能力；其次，先爆炮孔形成的爆破漏斗和漏斗外的微裂隙對(duì)后爆炮孔而言，相當(dāng)于新增加了臨空面；再次，當(dāng)前一響炮孔起爆、破碎巖塊尚未落地時(shí)，后續(xù)炮孔起爆，巖塊在空中相遇并相互碰撞，產(chǎn)生了補(bǔ)充破碎作用。由于毫秒爆破顯著減少了單響藥量，因此無論在時(shí)間上還是在空間上都降低了爆破振動(dòng)的有害影響，同時(shí)顯著改善了爆破破巖效果，因而在路基石方爆破工程中得到廣泛應(yīng)用。

1.3 路塹邊坡控制爆破技術(shù)

獲得平整、順直、穩(wěn)定并與設(shè)計(jì)輪廓基本吻合的邊坡，對(duì)于路基工程具有特別重要的意義。路塹邊坡控制爆破，即是一種控制設(shè)計(jì)開挖輪廓成型的爆破技術(shù)，其特點(diǎn)是通過采取減少裝藥、均勻布藥的措施使開挖邊界之外的巖體中的應(yīng)力和破裂減至最低程度。預(yù)裂爆破和光面爆破技術(shù)是目前控制輪廓質(zhì)量最常用也是最有效的方法。

1）預(yù)裂爆破預(yù)裂爆破是在主炮孔爆破之前先起爆布置在開挖線的預(yù)裂孔，爆破的結(jié)果是在相鄰孔之間形成裂縫，整個(gè)預(yù)裂孔的布孔平面形成一個(gè)斷裂面，以減弱主爆孔爆破時(shí)地震波向邊坡巖體的傳播并阻斷向邊坡外發(fā)展的裂隙。采用預(yù)裂爆破，由于在開挖區(qū)和保留區(qū)之間預(yù)先形成一條裂縫，主爆區(qū)爆破的應(yīng)力波傳到預(yù)裂縫時(shí)將被反射掉一部分，使透射到保留巖體中的應(yīng)力波強(qiáng)度減小，從而達(dá)到減振的目的。另外，預(yù)裂縫切斷了爆區(qū)傳來的裂縫，避免其伸入保留巖體內(nèi)，使其不被破壞。

2）光面爆破光面爆破是沿設(shè)計(jì)開挖邊界布設(shè)密集炮孔，采用不耦合裝藥或裝填低威力炸藥，在主爆區(qū)爆破之后起爆的，以形成平整開挖輪廓的爆破作業(yè)。光面爆破的特點(diǎn)在完整巖體中表現(xiàn)得十分明顯，爆破后形成的開挖面光潔平整，非常美觀，并且爆破裂隙不發(fā)育。但是，在軟巖中，特別是在一些不均勻的巖體和構(gòu)造發(fā)育的巖體中采用光面爆破時(shí)，從表面上看效果不明顯，有時(shí)甚至連一個(gè)炮孔的痕跡也看不到。但是，在破碎巖體中進(jìn)行光面爆破時(shí)，它在減輕圍巖破壞、減少超挖等方面作用不可忽視。

2 應(yīng)用研究

2.1 工程概況

海屯高速公路工程路線全長(zhǎng)72.3837公里，起點(diǎn)至丘海互通5.78公里（含丘?；ネǎ┯珊？谑邪闯鞘械缆方ㄔO(shè)；丘海互通至終點(diǎn)段66.6037公里，采用高速公路標(biāo)準(zhǔn)，雙向四車道，路基寬26米。擬建高速公路沿線山體自然狀態(tài)下基本穩(wěn)定，大部分巖石質(zhì)地堅(jiān)硬，風(fēng)化程度較大。爆破巖石主要為花巖石，表層巖石風(fēng)化嚴(yán)重，節(jié)理裂隙比較發(fā)育。部分爆破施工區(qū)域需采取有效的防治措施，以確保周圍設(shè)施、各類建（構(gòu)）筑物以及既有交通線安全。

2.2 路基爆破方案設(shè)計(jì)

2.2.1 爆破設(shè)計(jì)方案

根據(jù)開挖路段的設(shè)計(jì)資料、周邊環(huán)境以及工程地質(zhì)條件，確定如下控制爆破方案。

1）采用深孔松動(dòng)爆破方案，根據(jù)路基設(shè)計(jì)臺(tái)階形式，逐層爆破開挖，典型炮孔布置如圖1所示；同時(shí)嚴(yán)格控制炮孔堵塞長(zhǎng)度及裝藥量，將爆破飛石距離控制在一定范圍內(nèi)。

圖1 K23+550橫斷面炮孔布置

2）采用數(shù)碼電子雷管，實(shí)現(xiàn)逐孔（或逐排）精確延期控制爆破；對(duì)于孔深超過10m的炮孔，采用孔內(nèi)與孔外延時(shí)相結(jié)合，控制爆破振動(dòng)對(duì)路塹邊坡穩(wěn)定性的影響。

3）基于地形地質(zhì)條件，選擇合理的裝藥結(jié)構(gòu)，即適度加大孔底藥量、分層裝藥、分層堵塞等，在嚴(yán)格控制爆破振動(dòng)和飛石的前提下，改善爆破破巖效果。

4）臨近設(shè)計(jì)路塹路塹邊坡，采用緩沖爆破技術(shù)，通過控制孔網(wǎng)參數(shù)和單孔裝藥量，最大限度地減緩主炮孔爆破對(duì)路塹邊坡的破壞。

2.2.2 深孔爆破參數(shù)選擇

1）孔徑Φ采用潛孔鉆機(jī)，孔徑Φ取90～110mm。

2）孔深L根據(jù)路塹開挖深度h和超鉆深度確定，一般開挖深度h為5～10m。鉆孔設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)路塹臺(tái)階高度確定；臨近路塹路塹邊坡，兼顧路塹邊坡設(shè)計(jì)、控制巖體損傷來布置鉆孔。

3）孔網(wǎng)參數(shù)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地形、地質(zhì)條件，設(shè)計(jì)最小抵抗線W=2.5～3.0m，孔距a=3.0～4.0m，排距b=2.5～3.5m。

4）堵塞長(zhǎng)度根據(jù)巖石性質(zhì)和周邊環(huán)境，堵塞長(zhǎng)度ΔH控制在（0.8～1.2）W，同時(shí)加強(qiáng)炮孔堵塞質(zhì)量。

2.2.3 藥量計(jì)算

根據(jù)能量守恒原理和巖體爆破作用特性，多邊界條件下深孔爆破裝藥量計(jì)算公式：

Q=KF（E，α）·aWh （3）

式中：E為拋擲率（%）；F（E，α）為藥包性質(zhì)指數(shù)，其中α為地形坡度（°）；K為單位炸藥消耗量，取K=0.35～0.40kg/m3。采用拋坍控制爆破，基于多邊界藥量計(jì)算公式、巖體性質(zhì)以及現(xiàn)場(chǎng)試爆，計(jì)算得到不同孔深主炮孔藥量如表1所示。

表1 深孔爆破裝藥量計(jì)算

2.2.4 逐孔精確延時(shí)起爆技術(shù)

基于路基爆破開挖工程的環(huán)境條件以及類似工程研究成果，采用電子雷管起爆技術(shù)，設(shè)計(jì)孔間延期時(shí)間為10ms；排間根據(jù)鉆孔布置，由外側(cè)向路塹邊坡延期時(shí)間50～125ms。

2.3 振動(dòng)監(jiān)測(cè)與分析

路基開挖爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖2所示，振動(dòng)速度與頻譜分析如圖3所示，下臺(tái)階爆破時(shí)沿路塹上邊坡質(zhì)點(diǎn)峰值振速傳播規(guī)律如圖4所示。

圖2 下臺(tái)階爆破開挖測(cè)點(diǎn)布置示意

圖3 下臺(tái)階爆破測(cè)點(diǎn)1振動(dòng)速度波形

圖4 下臺(tái)階爆破沿路塹邊坡測(cè)點(diǎn)振速衰減

根據(jù)圖3，4分析可知，臨近邊坡的測(cè)點(diǎn)1（距離爆源21m）振動(dòng)速度最大，達(dá)到29.8cm/s，主振頻域40Hz左右；隨著距離爆源的增加，質(zhì)點(diǎn)峰值振速衰減緩慢。圖4中測(cè)點(diǎn)2峰值速度異常（偏小），可能與現(xiàn)場(chǎng)埋設(shè)傳感器位置有關(guān)，但是總體速度峰值衰減規(guī)律趨近實(shí)際。

根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果，參照相關(guān)爆破振動(dòng)控制標(biāo)準(zhǔn)，可以推斷路塹邊坡巖體局部雖有輕微拉裂破壞現(xiàn)象，但不會(huì)影響邊坡整體的穩(wěn)定性。

3 結(jié)語(yǔ)

總之，在高速公路建設(shè)工程中，經(jīng)常會(huì)遇到石方爆破作業(yè)，這是一項(xiàng)關(guān)鍵性的作業(yè)，因?yàn)槭奖频馁|(zhì)量直接制約著工程的進(jìn)度，合理的爆破方案、嚴(yán)格的過程控制、專業(yè)的爆破隊(duì)伍是保證爆破質(zhì)量和安全的關(guān)鍵。因此，在對(duì)路基石方爆破施工的過程中，管理人員一定要提升管理意識(shí)，做好協(xié)調(diào)與統(tǒng)籌，對(duì)于施工中遇到問題需要及時(shí)加以妥善處理，并保證其平整度達(dá)到規(guī)范要求，避免影響填方路基的壓實(shí)效果，造成路基成型后的不均勻沉降、邊坡的垮塌等后果，從而進(jìn)一步提升工程施工的效率。

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