齊 超
(中鐵第一勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司,陜西 西安 710043)
近年來,我國黔、滇、桂地區(qū)高速鐵路、公路的建設(shè)進(jìn)入快速發(fā)展期,在建工程數(shù)量較多,受區(qū)域地形、地質(zhì)條件影響,造成路基石方工程施工數(shù)量大大增加,在石方工程施工過程中,選用合理的爆破方案是優(yōu)質(zhì)、高效施工的關(guān)鍵,硅質(zhì)巖地質(zhì)構(gòu)造特殊,采用傳統(tǒng)的爆破方法,鉆爆開挖后坡面不平整,超欠挖現(xiàn)象嚴(yán)重,且對坡面巖層爆破擾動較大,安全隱患高,因此,如何利用現(xiàn)代爆破技術(shù)達(dá)到經(jīng)濟(jì)、優(yōu)質(zhì)、高效施工,是亟待解決的難題,本文以資興高速公路硅質(zhì)巖施工實(shí)例,對新的水壓預(yù)裂爆破技術(shù)進(jìn)行了探討。
廣西資源至興安高速公路起自桂林市資源縣梅溪鄉(xiāng),終至桂林市興安縣嚴(yán)關(guān)鎮(zhèn),路線全長82.656公里,全線共計橋梁74座,隧道9座,橋隧占路線比例為 36.1%,高填深挖路基段落較多,其中硅質(zhì)巖路基主要位于廣西自治區(qū)桂林市資源縣天門村單面山,自然山坡橫坡較陡(約1:2),該段落不僅挖方施工困難,為增加填方穩(wěn)定性,設(shè)計還采用了齒墻加填碎石臺階處理(見圖1),在國內(nèi)工程實(shí)例中應(yīng)用較為罕見,齒墻的基礎(chǔ)開挖也涉及硅質(zhì)巖挖方施工,范圍小、數(shù)量大,更增加了施工難度,總計挖方量約為24.889×104m3。
元古界震旦系硅質(zhì)巖(ZbdnSi),地表出露,青灰色,礦物成份以蛋白石、石英為主,巖體較破碎,巖質(zhì)堅(jiān)硬,節(jié)理裂隙以張開為主,中風(fēng)化,巖芯呈柱狀。巖層產(chǎn)狀:298°∠25°。RQD為 61,為較差巖石。VI級堅(jiān)石,fa0=2000Kpa,C=120Kpa,ф=50°。位于資新斷裂帶,斷層產(chǎn)狀294°∠25°,為低角度正斷層。
K20+200~K27+288段單面山硅質(zhì)巖路塹于2014年底開始施工,由于工點(diǎn)位于資興斷裂帶,受斷裂影響,該處硅質(zhì)巖節(jié)理發(fā)育,巖質(zhì)極為堅(jiān)硬,通過外委檢測對硅質(zhì)巖物理性質(zhì)進(jìn)行檢測,檢測其抗壓強(qiáng)度為188.9MPa(圖2),遠(yuǎn)超普通VI級堅(jiān)石標(biāo)準(zhǔn),屬于極硬巖,邊坡開挖面與巖層層里面傾斜相同,屬順層邊坡,常規(guī)爆破施工對爆破部位上部的巖體擾動大,容易造成上部巖層整體順節(jié)理面滑塌,引發(fā)工程事故,且爆破效果不理想,坡面不平順,見圖 3?,F(xiàn)場根據(jù)設(shè)計文件及施工規(guī)范,對爆破施工參數(shù)進(jìn)行了多次調(diào)整,結(jié)果仍然達(dá)不到設(shè)計要求,鑒于施工極為困難,特邀請國內(nèi)著名爆破專家何廣沂教授對硅質(zhì)板巖爆破方法進(jìn)行現(xiàn)場指導(dǎo),專家建議使用隧道常用的水壓爆破開挖的方法,可以有效減小對非爆破巖體的破壞,后經(jīng)現(xiàn)場爆破試驗(yàn),最終確定了將水壓爆破與預(yù)裂爆破相結(jié)合的施工方法。
預(yù)裂水壓爆破是在預(yù)裂爆破原理的基礎(chǔ)上,采用水壓爆破的裝藥結(jié)構(gòu),在炮眼相應(yīng)位置注入一定量的水,用炮泥回填堵塞,利用水不可壓縮的特點(diǎn),無損失傳遞炸藥爆破能量,通過水和炮泥復(fù)合堵塞,有效利用爆破膨脹氣體作用,并通過預(yù)裂孔預(yù)先沿設(shè)計輪廓線爆出一條具有一定寬度的貫穿裂縫,減輕邊坡巖體在主爆區(qū)爆破時受到的破壞,從而獲得較為平整的邊坡輪廓。
選擇正確的爆破參數(shù)是取得良好爆破效果的保證,預(yù)裂水壓爆破的爆破參數(shù)沒有既有的經(jīng)驗(yàn)可循,由于此種方法是基于預(yù)裂爆破的原理,采用水壓爆破的裝藥結(jié)構(gòu),因此爆破參數(shù)的選擇參照預(yù)裂爆破選取,經(jīng)現(xiàn)場試驗(yàn)后得到。
2.2.1 預(yù)裂孔徑(d)
預(yù)裂孔孔徑應(yīng)結(jié)合施工機(jī)械及現(xiàn)場實(shí)際使用的炸藥藥卷直徑進(jìn)行選擇,本項(xiàng)目使用的炸藥藥卷的直徑為φ70mm、φ32mm,選取d=90mm。
2.2.2 預(yù)裂孔孔距(a)
一般預(yù)裂孔孔距a=(8~12)d。根據(jù)硅質(zhì)巖巖質(zhì)堅(jiān)硬,巖體較破碎的巖性,施工現(xiàn)場試驗(yàn)了600mm、800mm、1000mm三個孔距參數(shù),通過試驗(yàn)對比,a取較小值,即a=8xd=8x90mm=720mm(實(shí)際取800mm)?,F(xiàn)場取得的預(yù)裂爆破效果較好。
2.2.3 預(yù)裂孔與主爆孔間距
合理的預(yù)裂孔與主爆孔間距可以有效控制應(yīng)力波的爆破范圍,以防爆破后主爆孔與預(yù)裂孔間的巖石不能充分破壞,產(chǎn)生根底。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn),現(xiàn)場試驗(yàn)了1m、1.2m、1.5m三種間距,最終取值1.5m。
2.2.3 預(yù)裂爆破炮孔布置
預(yù)裂孔采用“一字型”布孔,主炮孔采用矩形布孔,由于使用水壓爆破的裝藥結(jié)構(gòu),可以有效減少主爆孔對預(yù)裂孔的破壞,因此,不設(shè)置緩沖孔。
2.2.4 裝藥結(jié)構(gòu)
根據(jù)水壓爆破的裝藥結(jié)構(gòu),首先往炮眼最底部裝填一節(jié) 30cm水袋,隨之在底部裝填一節(jié)φ70mm加強(qiáng)藥卷,然后按常規(guī)預(yù)裂爆破裝藥結(jié)構(gòu)間隔裝填三節(jié)φ32mm普通藥卷,用竹條串成藥串,再往炮眼中裝填2節(jié)水袋,最后用炮泥堵塞炮眼口,以孔深4m為例
圖1 水壓預(yù)裂爆破裝藥結(jié)構(gòu)圖
2.2.5 裝藥量
根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式及國內(nèi)外工程實(shí)例,根據(jù)硅質(zhì)巖堅(jiān)硬程度,選用平均線裝藥密度0.45~0.65kg/m,經(jīng)現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果,確定線裝藥密度q=0.6kg/m。
水壓預(yù)裂爆破裝藥結(jié)構(gòu)與常規(guī)預(yù)裂爆破基本一致,采用間隔裝藥,但在炮孔底部使用一節(jié)水袋代替1節(jié)Φ70cm底部加強(qiáng)段炸藥,即1.5kg。
按施工步驟進(jìn)行爆破,每個炮眼裝藥延長3~5分鐘。
水壓預(yù)裂爆破與常規(guī)預(yù)裂爆破相比,具有極其顯著的作用與效果,一是提高炸藥利用率,對比常規(guī)預(yù)裂爆破節(jié)省炸藥 15%至20%,有效降低施工成本,提高了經(jīng)濟(jì)效益,每立方可節(jié)省費(fèi)用3至5元,二是提高巖石破碎度,加快清渣進(jìn)度,縮短裝渣時間。
硅質(zhì)巖分為三層開挖,每層厚度為2~4m,六大塊施工,如圖所示,根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況可將②③合為一體,④⑤⑥合為一體施工,見圖 2。每次施工縱向距離為10m。開挖采用預(yù)裂水壓爆破施工。
圖2 硅質(zhì)巖開挖步驟圖
水袋及炮泥制作均使用專業(yè)設(shè)備加工而成,制作簡易,成本低,炮泥按照土:砂:水=0.75:0.09:0.16的比例制作,制作好炮泥放置時間不宜太長,最好在使用前 1~2小時制作好,炮泥應(yīng)不軟也不硬,軟了搗固時容易擠壓出炮眼口,硬了搗固時不易把炮泥搗固碎,堵塞不堅(jiān)實(shí)。
裝藥前,要仔細(xì)檢查炮孔情況,清除孔內(nèi)積水、雜物,按照爆破參數(shù)計算的裝藥量及裝藥結(jié)構(gòu)進(jìn)行裝藥,為確保能完全起爆,采用孔底起爆技術(shù),即選擇較長的雷管腳線將起爆雷管安放在距孔底較近的位置,減少爆破殘藥的可能性。
按照裝藥結(jié)構(gòu)裝藥完成后,藥卷距離炮眼口應(yīng)為 1m以內(nèi),然后往炮眼中裝填2節(jié)水袋;最后用炮泥堵塞,炮泥采用木制炮棍填塞密實(shí)直至孔口。
理論分析及工程實(shí)踐表明,一排預(yù)裂孔相鄰炮孔起爆時差越小,預(yù)裂效果越好,通過試爆,預(yù)裂孔應(yīng)超前主爆孔100ms 以上起爆。網(wǎng)路采用塑料防水導(dǎo)爆索,導(dǎo)爆索間用MS-2 段非電毫秒雷管隔開,孔內(nèi)用MS-15 段非電毫秒雷管起爆,孔間接力用MS-2 段非電毫秒雷管,排間采用MS-5 段非電毫秒雷管控制排間微差。為保證各孔準(zhǔn)爆率,每響均采用雙發(fā)雷管最后由電雷管起爆。
爆破后,對預(yù)裂縫進(jìn)行了檢查,預(yù)裂成縫作用明顯,可以形成0.1~0.3cm的貫通裂縫。
硅質(zhì)巖屬于不常見工程地質(zhì),施工難度大,成本高。由于作用機(jī)理與常規(guī)預(yù)裂爆破相同,水壓預(yù)裂爆破技術(shù)的施工效果與常規(guī)預(yù)裂爆破相當(dāng),見圖2。但對比常規(guī)預(yù)裂爆破有效降低了施工成本,經(jīng)濟(jì)效果顯著,因此對于巖質(zhì)較硬、數(shù)量較大的石方工程施工,均具有借鑒作用。