成渝高鐵緊鄰既有公路高邊坡路塹機(jī)械開(kāi)挖研究

郭金發(fā)

（中鐵十八局集團(tuán)第四工程有限公司，天津 津南 300350）

1 工程概況

成渝高鐵是滬蓉快速客運(yùn)通道及沿江高鐵的重要組成部分，由成都東站，到重慶北站，全程設(shè)12個(gè)車站。采用雙線無(wú)砟軌道，設(shè)計(jì)時(shí)速350km，全長(zhǎng)308.2km，其中四川境內(nèi)185.5km，重慶境內(nèi)122.7km，2010年3月開(kāi)工建設(shè)。

成渝高鐵某段路基路塹為4～7級(jí)邊坡（坡比1∶0.75），開(kāi)挖區(qū)段總長(zhǎng)度為185m，中心最大挖高為55.3m。原地面開(kāi)挖線最大寬度129m，路塹底寬29.2m，石方開(kāi)挖總方量54萬(wàn)m3。由于該段緊鄰既有公路和居民區(qū)，設(shè)計(jì)要求施工區(qū)應(yīng)采用靜態(tài)爆破方式開(kāi)挖。

2 施工難度及機(jī)械設(shè)備配置

2.1 施工難度

該挖方段具有爆破操作難度大、土石方開(kāi)挖工程量大、場(chǎng)地狹小、棄碴外運(yùn)困難等特點(diǎn)，工期緊迫。

2.2 施工機(jī)械配置

根據(jù)工期要求及工作面需要，該挖方段施工區(qū)域機(jī)械配備為：挖掘機(jī)12臺(tái)、裝載機(jī)2臺(tái)、潛孔鉆機(jī)6臺(tái)、自卸車20輛。

3 主要施工方法

3.1 開(kāi)挖方法

開(kāi)挖采用豎向分層、每層分條塊方式進(jìn)行，以便于開(kāi)展工作面施工。首先開(kāi)挖第1級(jí)邊坡（高7.3m），形成第1層作業(yè)平臺(tái)，自第2級(jí)邊坡開(kāi)始，按每8m一層（第5層為4m）分層向下開(kāi)挖施工［1］。每層再沿縱向分區(qū)段錯(cuò)開(kāi)施工。

該挖方段分為爆破區(qū)和非爆破區(qū)兩大區(qū)域施工。爆破區(qū)為地表以下35.2m范圍內(nèi)，該區(qū)主開(kāi)挖區(qū)段采用中深孔松動(dòng)爆破，臨近邊坡區(qū)域采用預(yù)裂爆破。非爆破區(qū)為地表以下35.2m至開(kāi)挖底標(biāo)高（共20.1m），該區(qū)段采用靜態(tài)爆破輔以機(jī)械開(kāi)挖。

3.2 爆破區(qū)段中深孔爆破

3.2.1 主爆區(qū)爆破布孔

（1）中深孔主爆區(qū)爆破采用梅花形布孔，網(wǎng)孔參數(shù)為：孔距（橫向）×排距（縱向）=3.5m×3.0m［2］。梯段高度為8m。在邊坡預(yù)裂孔和主炮孔之間設(shè)置2排輔助炮孔，炮孔深度根據(jù)試驗(yàn)確定。

表1 成渝高鐵挖方段開(kāi)挖分區(qū)情況表

圖2 成渝高鐵挖方段分層開(kāi)挖斷面圖

（2）中深孔爆破參數(shù)

中深孔梯段爆破參數(shù)如下表2所示。

3.2.2 主爆區(qū)爆破網(wǎng)絡(luò)

爆破區(qū)段主爆破區(qū)中深孔臺(tái)階爆破采用逐孔微差爆破網(wǎng)絡(luò)，使用非電毫秒延期雷管構(gòu)成微差起爆網(wǎng)絡(luò)，梅花形布孔。每次爆破設(shè)計(jì)使用4排，每排9個(gè)炮孔，聯(lián)接采用串并聯(lián)［3］。

3.3 爆破區(qū)邊坡預(yù)裂爆破

3.3.1 預(yù)裂爆破參數(shù)設(shè)計(jì)

（1）鉆孔直徑d=0.1m，采用履帶式潛孔鉆機(jī)沿邊坡設(shè)計(jì)輪廓線鉆孔。

表2 中深孔梯段爆破參數(shù)

圖2 主爆區(qū)逐孔微差起爆網(wǎng)絡(luò)圖

（2）孔距a：0.8～1.2m，硬巖取中值，軟巖（次堅(jiān)石）取小值。

（3）與主爆區(qū)距離：b=2m；

（4）孔深：h=10m（含超鉆長(zhǎng)度）；

（5）超鉆：L1=0.5m；

（6）線裝藥密度；Q線=0.3～0.45kg/m；

（7）單孔藥量：Q=Q線h=0.3×10＝3.0kg；

（8）起爆順序：先于主爆區(qū)110毫秒起爆。

3.3.3 預(yù)裂的裝藥結(jié)構(gòu)與填塞方式

為取得理想的預(yù)裂爆破效果，沿炮孔長(zhǎng)度不同的部位宜取不同的線裝藥密度。裝藥總長(zhǎng)度8m，裝藥分兩節(jié)段設(shè)計(jì)：

（1）孔底處2.0m范圍內(nèi)，為克服底板的夾制作用，應(yīng)加強(qiáng)裝藥，取Q線底=3Q線，即每米裝藥0.9kg，該節(jié)段裝藥1.8kg。

（2）孔底2.0m至距孔口處2.0m范圍內(nèi)，為避免產(chǎn)生爆破漏斗或?qū)⒖诓繋r體抬起，宜采用弱裝藥，即裝藥0.2kg/m，該節(jié)段裝藥1.2kg。

（3）裝藥結(jié)構(gòu)：采用不耦合間隔裝藥，不耦合系數(shù)R耦合=d孔/d藥=0.1/0.032=3.125，各段藥包用導(dǎo)爆索串聯(lián)。

（4）裝藥與堵塞：裝藥時(shí)用炮棍將藥卷依次送入炮孔，輕微壓緊，并按鉆爆設(shè)計(jì)位置準(zhǔn)確放置起爆藥卷。裝好藥后，用粘土加細(xì)砂炮泥填滿，并用木棍搗實(shí)。

（5）孔底臺(tái)階的保護(hù)：裝藥前填30cm砂土，以減弱對(duì)孔底臺(tái)階的破壞。

3.3.4 邊坡預(yù)裂起爆網(wǎng)絡(luò)

由于預(yù)裂爆破區(qū)域與既有公路的距離較短，為控制單響藥量不超過(guò)計(jì)算安全藥量30kg，結(jié)合實(shí)際情況確定每10孔為一段，間隔70ms響下一段；預(yù)裂孔的爆破時(shí)間提前主爆孔110ms起爆。

3.4 靜態(tài)爆破

3.4.1 設(shè)計(jì)布眼

布孔前首先要確定至少有一個(gè)以上臨空面，鉆孔方向盡可能與臨空面平行；橫向分布孔距30cm，縱向間距30cm布置成平排炮孔，排距以30cm左右為宜，且必須采取逐排作業(yè)，不得多排同時(shí)作業(yè)，鉆孔深度根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)石方狀態(tài)而定，以1.2～2m為宜。

3.4.2 鉆孔

鉆孔直徑與破碎效果有直接關(guān)系，鉆孔過(guò)小，不利于藥劑充分發(fā)揮效力；鉆孔太大，易沖孔，根據(jù)以往施工經(jīng)驗(yàn)，本工程擬采用直徑42mm鉆孔。鉆孔內(nèi)的積水和余碴用高壓風(fēng)吹凈，且應(yīng)做到孔口旁干凈無(wú)石碴。

3.4.3 鉆孔深度和裝藥深度

鉆孔深度可根據(jù)施工要求選擇，一般控制在2m左右為宜，裝藥深度一般為為鉆孔深度的100%。

3.4.4 裝藥

（1）向下和橫向的鉆孔，可在藥劑中加入22～32%（重量比）的水拌成流質(zhì)狀態(tài)，拌和均勻后灌入孔內(nèi)，直到灌滿為止，每延米直徑42mm的孔需膨脹劑約2.1kg，即每立方米巖石用膨脹劑約23.3kg。用藥卷裝填鉆孔時(shí)，應(yīng)逐條捅實(shí)。

（2）水平方向和向下的鉆孔，采用比鉆孔直徑略小的高強(qiáng)長(zhǎng)纖維紙袋裝入藥劑，按一個(gè)操作循環(huán)需要的藥卷數(shù)量，放在盆中倒入潔凈水完全浸泡，30～50秒左右藥卷充分濕潤(rùn)、完全不冒氣泡時(shí)，取出藥卷從孔底開(kāi)始逐條裝入并捅實(shí)，直至裝填到孔口。

（3）裝藥完成后約3～5h為巖石開(kāi)裂時(shí)間，裂泡約2～3cm寬。巖石剛開(kāi)裂后，可向裂縫加水支持藥劑持續(xù)完全反應(yīng)。

（4）每次裝填過(guò)程中，已經(jīng)開(kāi)始發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的藥劑（表現(xiàn)為開(kāi)始冒氣和溫度快速上升）不允許裝入孔內(nèi)。從藥劑加入拌和水到灌裝結(jié)束，時(shí)間不超過(guò)5min。

3.4.5 藥劑反應(yīng)時(shí)間的控制

藥劑反應(yīng)的快慢與溫度有直接關(guān)系，溫度越高，反應(yīng)時(shí)間越快，反之則慢。實(shí)際操作中控制藥劑反應(yīng)時(shí)間太快有兩種，一種是在拌和水中加入抑制劑，另一種方法是控制拌和水、干粉劑和巖石的溫度。夏季氣溫較高，破碎前應(yīng)對(duì)被破碎物遮擋，藥劑應(yīng)存放在低溫處避免爆曬，將拌和水溫度控制在15℃以下。

藥劑（卷）反應(yīng)時(shí)間過(guò)快易發(fā)生沖孔傷人事故，可采用延緩反應(yīng)時(shí)間的抑制劑控制。抑制劑放入浸泡藥劑（卷）的拌和用水中，加入量為拌和用水的5%～6%。拌和用水溫度不超過(guò)40℃。反映時(shí)間控制在30～60min較好。

4 爆破危害驗(yàn)算

4.1 爆破飛石控制

爆破飛石控制以中深孔爆破時(shí)的最大單響藥量為最不利情況。根據(jù)爆破飛石彈道公式：

驗(yàn)算爆破個(gè)別飛石安全距離

式中 Rf—— 個(gè)別飛石的最遠(yuǎn)距離爆破個(gè)別飛石安全距離；

v0——個(gè)別飛石的初速度；

Q——單孔最大裝藥量，取33kg；

g——重力加速度，取9.8m/s2；

W——最小抵抗線，取3；

將各個(gè)值帶入公式有：

采用中深孔臺(tái)階松動(dòng)爆破，在合理的裝藥和填塞的情況下，不采取覆蓋，爆破飛石最遠(yuǎn)距離為53.34m，由于場(chǎng)內(nèi)距離爆破區(qū)最近的構(gòu)筑物大于80m，滿足飛石控制的安全標(biāo)準(zhǔn)。爆破警戒范圍定為200m。

4.2 爆破振動(dòng)安全振速的驗(yàn)算

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《爆破安全規(guī)程》規(guī)定，爆破振動(dòng)安全振速用下式計(jì)算：

式中 R——爆破振動(dòng)安全允許距離，m；

Q—— 炸藥量，齊發(fā)爆破取總藥量，微差爆破取最大一段藥量，kg；

V——安全允許振速，cm/s；

K、a—— 與爆破點(diǎn)地形、地質(zhì)等條件有關(guān)的系數(shù)和衰減指數(shù)，按表3選取。

表3 爆區(qū)不同巖性的K、a值

關(guān)于V、K、a值的選?。?/p>

對(duì)于交通道路，V值取為10cm/s。

爆破現(xiàn)場(chǎng)的巖石屬“中硬巖石”，K值取200、a值取1.68。以下按兩種情況進(jìn)行驗(yàn)算。

（1）中深孔逐孔微差爆破

中深孔主爆區(qū)單孔一次起爆最大藥量為33.6kg，預(yù)裂孔最大單響藥量為30.0kg。起爆區(qū)距省道最小距離為25m，取最大藥量計(jì)算。

合要求。

（2）道路兩側(cè)45米以外，中深孔逐排微差爆破時(shí)

一次最多起爆7個(gè)爆孔，每孔裝藥33.0kg，此時(shí)：

合要求。

對(duì)照本工程安全允許振速，符合安全要求。

5 鉆爆、錨桿鉆孔設(shè)備

采用錨桿潛空鉆鉆孔，鉆孔進(jìn)度快，每分鐘可鉆進(jìn)約1.0m，5～10m的錨桿錨孔大約需10min，為地質(zhì)鉆鉆孔的5～10倍。操作靈活、方便。由于潛孔鉆可以自動(dòng)行走、旋轉(zhuǎn)，鉆臂自動(dòng)升降，鉆桿角度自動(dòng)調(diào)整，自動(dòng)調(diào)換鉆桿，所以操作非常靈活、方便，可以節(jié)省大量人力、物力。干鉆成孔，不產(chǎn)生污水、泥漿，不影響土石方平場(chǎng)施工，又可以配合鉆爆破孔。

5.1 施工工序

施工前期準(zhǔn)備：用人工或機(jī)械將要施工的場(chǎng)地平整好，以便潛孔鉆能行駛、進(jìn)出及操作。一般要修一條潛孔鉆機(jī)行駛便道，便道要求寬3m左右，坡度控制在30%，而施工場(chǎng)地需4m×5m。

錨桿孔定位放線：根據(jù)設(shè)計(jì)要求，在已削好的崖壁上準(zhǔn)確劃上錨孔定位點(diǎn)，用紅油漆標(biāo)注清楚，并經(jīng)過(guò)自檢，要求經(jīng)監(jiān)理檢測(cè)驗(yàn)收合格方允許進(jìn)入下道工序的施工。潛孔鉆作業(yè)平臺(tái)的平整：由于潛孔鉆（如日本古和-1200ED）靠履帶行走，為便于潛孔鉆作業(yè)時(shí)的移動(dòng)定位，墻壁前4m～5m寬要大致形成作業(yè)平臺(tái)，可采用挖掘機(jī)配合平整，確保潛孔鉆能自由行走。

潛孔鉆鉆孔前的定位和鉆孔角度的調(diào)整：潛孔鉆鉆孔前要進(jìn)行準(zhǔn)確定位，是必須的程序。根據(jù)孔位高低及錨桿角度，適當(dāng)調(diào)整鉆臂高度和鉆孔角度。由于潛孔鉆能夠自動(dòng)調(diào)節(jié)，通過(guò)儀表盤可以直接觀察到鉆桿的傾角，通過(guò)指揮人員指揮，操作人員將鉆機(jī)鉆臂擺放至與墻面垂直或需要的角度及傾角為止，調(diào)整好后要經(jīng)過(guò)監(jiān)理檢查驗(yàn)收方可開(kāi)鉆。

5.2 施工要求

鉆孔及其施工過(guò)程中的注意事項(xiàng)：空壓機(jī)啟動(dòng)后，開(kāi)啟潛孔鉆機(jī)，根據(jù)地形及地質(zhì)情況，調(diào)整好潛孔鉆機(jī)的鉆進(jìn)角度、鉆臂高度及傾角調(diào)整好后即可開(kāi)鉆。開(kāi)鉆后要注意孔深的控制，在潛孔鉆上套上專用的纖尾套，將錨桿與纖尾套連接牢固，并在第一節(jié)錨桿的前端套上鉆頭。并根據(jù)地質(zhì)情況確定錨桿的長(zhǎng)度，以現(xiàn)場(chǎng)拼接錨桿。當(dāng)一節(jié)錨桿鉆進(jìn)后，在前一節(jié)錨桿的尾部套上帶有人工涂抹潤(rùn)滑劑的連接套后再連接好后一節(jié)錨桿，直到每根錨桿鉆到需要長(zhǎng)度。

由于潛孔鉆每根鉆桿長(zhǎng)度一定，所以根據(jù)計(jì)算可確定最后一根鉆桿的鉆進(jìn)深度，在鉆桿上做好標(biāo)記，要注意實(shí)際鉆孔深度比錨桿長(zhǎng)度多0.5m，以防止由于殘?jiān)挡桓蓛舳绊懣咨睢?/p>

潛孔鉆鉆孔前要根據(jù)孔徑選擇好鉆頭，一般鉆頭直徑小于錨桿孔徑5mm為宜，這樣鉆出的錨孔才能滿足設(shè)計(jì)要求。鉆孔過(guò)程應(yīng)有專人負(fù)責(zé)，對(duì)地質(zhì)情況及鉆進(jìn)情況進(jìn)行詳細(xì)記錄，每鉆進(jìn)2m或地質(zhì)變化時(shí)應(yīng)取土樣，土樣應(yīng)存放備查。

在鉆孔過(guò)程中，對(duì)每個(gè)孔的地層變化、鉆進(jìn)狀態(tài)、地下水及一些特殊情況要及時(shí)反饋、采取措施。若遇地層松動(dòng)破碎時(shí)，應(yīng)采用跟進(jìn)套管的鉆進(jìn)技術(shù)，以確?？妆谕暾惶蝗缬鎏?，應(yīng)立即停鉆，并進(jìn)行固壁灌漿處理，待水泥初凝后，重新清孔鉆進(jìn)。

當(dāng)采用注漿護(hù)壁時(shí)，在漿液中可摻入適當(dāng)劑量的速凝劑（初凝時(shí)間控制在3～8min），漿液初凝后即可繼續(xù)鉆進(jìn)。如果錨固端在預(yù)定位置提前進(jìn)入或未能達(dá)到設(shè)計(jì)要求時(shí)，應(yīng)及時(shí)請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)人員、監(jiān)理單位、地勘單位進(jìn)行評(píng)估，如有情況屬實(shí)需提請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)人員進(jìn)行變更設(shè)計(jì)。鉆孔過(guò)程中使用測(cè)斜儀檢測(cè)鉆孔的角度及順直度，及時(shí)糾偏，保證鉆孔斜度控制在允許誤差±1°之內(nèi)。

為了確保錨孔深度，保證錨固段不小于設(shè)計(jì)長(zhǎng)度，實(shí)際鉆孔深度要求大于設(shè)計(jì)深度0.5m，且必須嵌入設(shè)計(jì)要求的嵌巖深度。由于潛孔鉆是干鉆成孔，邊鉆進(jìn)邊利用自身產(chǎn)生的高壓風(fēng)吹出殘?jiān)?，達(dá)到鉆孔深度后，要經(jīng)過(guò)檢查復(fù)核，確認(rèn)無(wú)誤后即可退出鉆桿，鉆桿退出前要經(jīng)過(guò)反復(fù)多次進(jìn)退鉆桿清孔以達(dá)到吹凈殘?jiān)?，徹底清孔的目的?/p>

鉆孔結(jié)束后用高壓風(fēng)進(jìn)行清孔，孔壁不得有粘土或粉砂。石屑和巖粉通過(guò)大量高壓空氣沿孔向孔口吹出，因?yàn)榭卓谔幏蹓m過(guò)大，易妨礙操作工人的視線，影響操作，所以必須對(duì)孔口進(jìn)行噴灑水霧的除塵方法，使巖粉與水霧同時(shí)沉積于地面，以保證動(dòng)力不易損壞及影響操作工人的健康。鉆孔時(shí)應(yīng)保持清潔，孔壁無(wú)污染物，以確保水泥砂漿與巖體的粘結(jié)。

清孔完成后，應(yīng)將孔口暫時(shí)封堵，避免碎屑雜物進(jìn)入孔內(nèi)。驗(yàn)孔：一批錨孔鉆好后，要及時(shí)組織驗(yàn)孔，要對(duì)孔深、孔徑、傾角進(jìn)行檢驗(yàn)，各項(xiàng)指標(biāo)符合設(shè)計(jì)要求即可。驗(yàn)孔后應(yīng)孔口暫時(shí)封堵，且及時(shí)組織錨桿制作安裝并灌漿。

6 結(jié)束語(yǔ)

成渝高鐵某挖方段在工期短、挖方量大、施工空間狹小的條件下，通過(guò)采用合理的邊坡路塹分層分段開(kāi)挖方法、控制爆破施工技術(shù)、預(yù)裂爆破施工技術(shù)、靜態(tài)爆破施工技術(shù)，以及科學(xué)的施工組織、充足的資源配置、采用先進(jìn)的設(shè)備，完成全部挖方施工，監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，既有公路沉降穩(wěn)定，周邊房屋未開(kāi)裂，在規(guī)范及設(shè)計(jì)要求范圍內(nèi)，2015年12月26日，成渝高鐵順利開(kāi)通運(yùn)營(yíng)。

［1］ 宋德慶. 緊鄰既有線高邊坡路塹爆破施工技術(shù)［J］. 高速鐵路技術(shù)，2013，4（02）：84-88.

［2］ 袁幫義. 路塹開(kāi)挖施工技術(shù)在路基工程中的應(yīng)用［J］. 黑龍江交通科技，2016，39（10）：37-38.

［3］ 齊立賓. 山區(qū)上跨高鐵隧道高邊坡路塹爆破開(kāi)挖施工技術(shù)［J］. 石家莊鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2016，15（04）：45-50.