論高速公路石方路塹爆破開挖的工法

周炎林 中交二公局笫四工程有限公司

1 前言

縱觀我國高速公路建設(shè)歷程，我國高速公路經(jīng)歷了“瓶頸制約”、“總體緩解”、“基本適應(yīng)”、“適度超前”等多個發(fā)展歷程。截至2020年，我國高速公路達(dá)16.1萬公里，公路規(guī)?？偭课痪尤蚯傲?。在高速公路如火如荼建設(shè)過程中，建設(shè)基礎(chǔ)環(huán)境高度復(fù)雜，石方基礎(chǔ)開始出現(xiàn)，為爆破開挖工法的應(yīng)用提供了良好的條件。但是，因爆破開挖工法需應(yīng)用炸藥、雷管等爆破材料，安全風(fēng)險(xiǎn)極大，對操作者的專業(yè)技術(shù)水平具有較高要求。因此，探究高速公路石方路塹爆破開挖的工法具有非常重要的意義。

2 高速公路石方路塹操作項(xiàng)目

某高速公路項(xiàng)目主線起點(diǎn)為K0+000，終點(diǎn)為K112+450，通過互通連接已建成的高速公路，同時經(jīng)下場、新井與擬改建高速公路相接，路線全長112.45km，輔道85.632km。該高速公路項(xiàng)目巖性上部主體為云母石英片巖+大理石斜長角閃片麻巖，局部分布薄層表土、硬亞黏土，平均挖方高度為8.62m，擬采用爆破法施工，設(shè)計(jì)爆破工程量為1450000m3。在爆破工程開展過程中，應(yīng)保證爆破能量產(chǎn)生的地震波參數(shù)滿足GB 6722—2014《爆破安全規(guī)程》中關(guān)于質(zhì)點(diǎn)峰值振動速度的要求。爆破后石方路塹堅(jiān)硬巖石挖方坡比為1∶75，從上層到下層分級挖方，每級高度為6.00m，中間留設(shè)碎落平臺，碎落平臺寬度為2.00m。

3 高速公路石方路塹爆破開挖的工法

3.1 施爆區(qū)調(diào)查

在高速公路石方路塹爆破開挖前，操作者應(yīng)對爆破區(qū)內(nèi)是否存在空中纜線進(jìn)行調(diào)查，若存在空中纜線，則對空中纜線的高度、平面位置進(jìn)行調(diào)查[1]。同時操作者應(yīng)對爆破區(qū)地下是否存在管線進(jìn)行調(diào)查，若存在地下管線，則需要對管線的埋置深度、平面位置進(jìn)行調(diào)查。在這個基礎(chǔ)上，操作者應(yīng)對開挖邊界線以外的建筑物進(jìn)行調(diào)查，初步了解建筑物類型，觀察建筑物的完好程度，并對建筑物距離開挖界面的距離進(jìn)行測量。

在場地調(diào)查完畢后，測量放樣，劃定高速公路范圍以及第一道坡的開口線，結(jié)合路塹設(shè)計(jì)圖紙要求，放出截水溝位置，開始排水施工，保證排水通暢。進(jìn)而利用挖掘機(jī)，將表面疏松、軟弱土層清除，暴露堅(jiān)硬巖石，為鉆孔操作開展做好準(zhǔn)備。同時面向路塹場地，進(jìn)行標(biāo)高的精準(zhǔn)測量。根據(jù)所測量的數(shù)值，進(jìn)行鉆孔深度的嚴(yán)格控制，規(guī)避超深爆破下道破的不利影響。

3.2 制定爆破方案

在高速公路石方路塹開挖工法選擇時，應(yīng)綜合考慮巖石節(jié)理發(fā)育程度、風(fēng)化程度、巖石類別等因素，進(jìn)行開挖方式判定。對于強(qiáng)風(fēng)化巖石，可以直接利用機(jī)械開挖與人工開挖配合的方式，對于中風(fēng)化巖石，則需要運(yùn)用中小型爆破法。對于高速公路石方路塹爆破開挖，根據(jù)工程特點(diǎn)，結(jié)合進(jìn)度要求和資源配置等因素，藥壺法、光面法較為常用。主要目的：一是減少對路塹邊坡及路塹基床下部巖石的爆破松動，二是提高開挖邊坡的平順性，減少超挖或欠挖。前者是將炮眼底部進(jìn)行擴(kuò)大處理，促使其維持藥壺形狀，為炸藥集中裝填提供充足空間。藥壺炮炮眼具有較大的深度，適用于均勻致密硬質(zhì)黏土或者次堅(jiān)石，不適用于節(jié)理發(fā)育的軟石或者地下水較發(fā)育的路塹地質(zhì)。一般藥壺炮的炮眼深度在5.0m～7.0m之間，需要遠(yuǎn)離高速公路設(shè)計(jì)邊坡（與設(shè)計(jì)邊坡水平距離超過最小抵抗線）。

藥壺炮的用藥量與單位巖石硝銨炸藥消耗量、最小抵抗線（階梯高度0.5～0.8倍）具有一定關(guān)系，而單位巖石硝銨炸藥消耗量根據(jù)地質(zhì)的差異也具有一定差異，單位次堅(jiān)石硝銨炸藥消耗量為0.28kg/m3～0.34kg/m3，而單位堅(jiān)石硝銨炸藥消耗量為0.34kg/m3～0.35kg/m3。若為單排群炮用電雷管起爆，則每排內(nèi)炮眼之間的距離為相鄰兩炮之間最小抵抗線平均值的0.8倍或1.0倍；若為多排群炮，各群藥包之間的距離為相鄰兩炮之間最小抵抗線平均值的1.5倍。

除藥壺法外，還可以運(yùn)用光面爆破法。光面爆破法主要是以控制爆破作用的方向、范圍為對象，沿開挖線輪廓進(jìn)行小間距炮孔的平行布置。利用不耦合裝藥+小藥卷空間間隔裝藥模式，進(jìn)行少量低密度、低爆速、低猛度炸藥（如2#巖石乳化炸藥）裝填，控制炮眼裝藥高度為炮孔深度的1/3～1/2（特殊情況需小于2/3）后，進(jìn)行封堵。進(jìn)而利用電雷管+非電毫秒雷管在同一時刻引爆。爆破時，因爆破振動作用較少，沿炮孔中心連接線會破裂為光面，可為石方路塹開挖輪廓控制提供幫助。光面法爆破開挖時炮眼深度可根據(jù)巖石堅(jiān)硬程度計(jì)算，眼間距則需綜合考慮巖石節(jié)理發(fā)育程度、巖石類別進(jìn)行計(jì)算，一般采用電雷管起爆的眼間距為最小抵抗線的0.8倍或2.3倍。若選擇多排炮爆破，需要選擇梅花形布置方式，進(jìn)行炮眼布置，并控制每一排炮之間的距離為同一排炮孔之間距離的0.86倍。

對于案述工程中開挖深度小、坡度平緩的路段K0+000～K111+435，沿著路塹邊坡橫斷面，逐層推進(jìn)中小型爆破開挖。第一步，利用單排藥壺炮開挖階梯，階梯寬度為12.5m～14.5m，階梯深度為4.00m。同時將4個最小抵抗線為4.00m的孔裝入橫斷面，控制炮眼之間的距離為最小抵抗線的0.8倍，每一個炮眼用藥量為19.5kg。第二步，利用藥壺炮排炮爆破，形成階梯，階梯寬度為12.5m～14.5m。同時將4個最小抵抗線為3.12m的孔裝入橫斷面，控制炮眼之間的距離為每孔最小抵抗線的0.8倍。為保障爆破效果并控制個別飛石的飛散，每一排藥包之間的距離為3.00m，每一個炮眼用藥量為9.5kg。第三步，利用光面炮，沿著邊坡爆破，形成開挖邊坡。

對于案述工程中開挖深度小、坡度陡峭的路段K111+435～K112+450，沿著路塹橫斷面，逐層推進(jìn)爆破。即橫斷面上部采用藥壺炮，將4個最小抵抗線為3.12m的孔裝入橫斷面，炮眼之間的距離為3.00m，每孔裝入9.50kg的炸藥；橫斷面下部采用光面炮，將2個最小抵抗線為6.00m的孔裝入橫斷面，炮眼之間的距離為7.60m，每個孔內(nèi)需要裝入52.1kg的炸藥，促使橫斷面形成階梯，階梯寬度為14.0m～15.5m。

4 高速公路石方路塹爆破開挖的質(zhì)量控制要點(diǎn)

4.1 平整場地鉆孔

爆破作業(yè)在施工前，進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)并進(jìn)行爆破試驗(yàn)，通過試驗(yàn)進(jìn)一步修正爆破設(shè)計(jì)。根據(jù)本標(biāo)段實(shí)際情況選擇淺孔爆破法，臺階高度3m～4m，由風(fēng)動鑿巖機(jī)鉆孔，炮孔方向大致與臺階壁面垂直或平行，采用塑料導(dǎo)爆管非電復(fù)式起爆網(wǎng)路，孔內(nèi)和孔外相結(jié)合的微差爆破網(wǎng)路，起爆網(wǎng)路布置方式為大孔徑、小排距梅花形，可以在提高破碎效果、降低大塊率的同時，降低爆破振動效果對周邊構(gòu)筑物、植被的沖擊。同時嚴(yán)格控制用藥量，確保爆破后基床、邊坡和塹頂山體的穩(wěn)定、不松動，爆出的坡面平順，底板平整。

根據(jù)設(shè)計(jì)圖可知，案述高速公路石方路塹爆破方量為102.58萬立方米，零點(diǎn)標(biāo)高左右下挖7.25m。根據(jù)現(xiàn)場勘測爆破作業(yè)區(qū)，結(jié)合給定零點(diǎn)標(biāo)高，可以進(jìn)行布孔平面圖的繪制。進(jìn)而依據(jù)坡高6.00m的標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行兩排孔眼打設(shè)，第一排孔與開口線相距3.00m，第二排孔與開口線相距6.00m。同時確定鉆孔深度，孔與孔之間的距離為3.00m，每一排孔之間的距離為3.00m[2]。鉆孔應(yīng)盡量具有一定傾斜度，孔傾斜方向與坡面相同。一般可利用多排垂直孔布置工法，沿著與石方路塹面呈90°（或80°）的方向，鉆設(shè)直徑為90.00m的孔，為巖石粉狀乳化炸藥裝填做好準(zhǔn)備。

在確定工法操作方案后，操作者可以利用挖掘機(jī)與推土機(jī)配合，將現(xiàn)場區(qū)域內(nèi)路塹覆蓋層、強(qiáng)風(fēng)化巖石完全清除后，進(jìn)行現(xiàn)場便道平整修理，恢復(fù)路基中線，并將邊線放出，牢固釘上邊樁。在平整場地后，放出孔位樣點(diǎn)，根據(jù)表1要求，利用沖擊式鉆孔機(jī)械，依據(jù)先邊緣后中間、先前方再后方的順序，進(jìn)行鉆機(jī)對位[3]。鉆機(jī)對位后，依據(jù)硬質(zhì)巖體快速鉆設(shè)、軟質(zhì)巖體緩慢鉆設(shè)的原則，進(jìn)行機(jī)械鉆孔操作，保證孔洞口完整、孔壁光滑。

表1 鉆孔參數(shù)計(jì)算

鉆孔階段需要進(jìn)行孔位偏差、傾角的嚴(yán)格管控，在確定兩者均與規(guī)范要求相符后，可以移開鉆機(jī)。鉆孔完成后，需要將炮孔內(nèi)廢棄渣土清出孔洞，并根據(jù)設(shè)計(jì)值，進(jìn)行孔與孔之間的距離、每一排孔之間的距離、孔傾斜度、孔深度等檢查。成孔后，操作者應(yīng)將保護(hù)鉆孔作為首要任務(wù)，嚴(yán)格禁止設(shè)備碾壓以及碎石堵塞。

4.2 爆破器材檢查與裝藥

在確定鉆設(shè)孔洞與要求相符后，專業(yè)施爆人員可對爆破區(qū)管線進(jìn)行復(fù)核。確認(rèn)無誤后，對現(xiàn)場爆破器材進(jìn)行檢查。同時檢查孔位、孔深是否與設(shè)計(jì)要求相符，若發(fā)現(xiàn)卡孔現(xiàn)象，可以利用炮棍或重錘進(jìn)行孔洞疏通。疏通完畢后，裝填炸藥及雷管。

基于壓渣效果提升要求，選擇連續(xù)裝藥法，線性裝藥密度為5.0kg/m，裝藥高度為5.00m。裝藥結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 裝藥結(jié)構(gòu)

圖1中，引爆炸藥處于藥柱中間位置，基雷管聚能穴則處于炮眼底部。為控制石方路塹爆破開挖效果，操作者可以選擇炮眼底部設(shè)置一段不裝填炸藥的空心炮孔，或者在底部或者中間部位進(jìn)行石子、木棍（長度大于6.00cm、小于10.00cm，直徑為炮孔直徑的1/3）裝填。全程操作需貫徹輕填輕壓的原則，設(shè)置完備的引爆線路保護(hù)裝置。為了保證最佳炸藥爆炸效果，在裝藥完畢并清除炮孔內(nèi)水分后，操作者可以利用砂黏土混合物、砂，進(jìn)行炮孔堵塞。

4.3 敷設(shè)起爆網(wǎng)路并起爆

根據(jù)圖2敷設(shè)起爆孔后，操作者可以依據(jù)爆破設(shè)計(jì)方案，根據(jù)爆破負(fù)責(zé)人指揮，由藥室出發(fā)，逐步向主線、電源方向接近，完成起爆網(wǎng)絡(luò)敷設(shè)任務(wù)。

圖2 起爆孔敷設(shè)平面圖

順利起爆后，操作者可以將邊坡危石清除，利用推土機(jī)配合鏟運(yùn)機(jī)，沿縱向出土填方。同時觀察開挖斷面，適當(dāng)清理暴露孤石、整修邊坡，規(guī)避超爆現(xiàn)象。在路塹開挖至設(shè)計(jì)標(biāo)高后，可以對斷面尺寸進(jìn)行復(fù)核，適時開挖排水溝槽，達(dá)成一次標(biāo)準(zhǔn)成型驗(yàn)收目標(biāo)。若爆破后存在瞎炮情況，則需要操作者沿著導(dǎo)洞將塞填物、爆體逐次取出。進(jìn)而利用水灌的方法完全浸沒藥室，在促使炸藥徹底失去效果后，迅速投入自卸式汽車或挖掘機(jī)挖除、運(yùn)走石方。在石方挖除的同時，修整邊坡，保證路塹邊坡平順度。

在運(yùn)走松散石料邊坡成型后，可以開始下一道路塹邊坡的爆破挖開。一般需要在距離瞎炮一定距離內(nèi)另外搭設(shè)炮眼爆破，或者直接利用裸露藥包爆破的方法（炮眼較淺時）。由上層到下層依據(jù)路塹邊坡逐級爆破開挖，直至路塹邊坡面層開口線、路基處于同一平面內(nèi)。此時，利用同時起爆開挖路塹邊坡，若開挖深度處于較大的數(shù)值，可以依據(jù)每層12.00m的標(biāo)準(zhǔn)，分層起爆開挖。而在雨季操作時，除了保證開挖現(xiàn)場排水設(shè)施完善良好外，操作者還可以進(jìn)行每層底部縱坡的設(shè)置，預(yù)先進(jìn)行路塹邊坡厚度的設(shè)置，避免雨水沖刷造成路塹邊坡失穩(wěn)。

需要注意的是，在開挖過程中，操作者應(yīng)時刻關(guān)注巖石巖層質(zhì)地變化，結(jié)合前期勘測圖紙，判定兩者是否存在偏差。對于爆破后高處松動、失穩(wěn)邊坡，應(yīng)盡早利用挖掘機(jī)或自卸汽車清除，或者采取加固措施，確保路塹操作過程穩(wěn)定安全。

4.4 零星孤石的爆破

在石方路塹向下開挖過程中，隨著操作空間變窄，零星孤石成為干擾操作的主要因素。零星孤石一般具有兩個以上的臨空面，臨空面越多，爆破單位體積石塊所消耗的炸藥量就越少，爆破效果也越好。對同樣體積的巖石，每增加一個臨空面，單位炸藥消耗量可減少10%～20%。因此，在實(shí)際施工中，盡可能增加需要爆破石塊的臨空面，如清除石塊周圍的堆積物，上次爆破為下次爆破創(chuàng)造臨空面等。對于存在裂紋大塊零星孤石，操作者可以選擇鑿巖機(jī)鑿碎，經(jīng)自卸式汽車或挖掘機(jī)運(yùn)走，避免零星孤石對后續(xù)操作造成干擾。對于堅(jiān)硬一體的零星孤石，操作者可以選擇推土機(jī)、裝載機(jī)逐一推走，避免選擇炸藥炸碎的方式，這主要是由于炸藥炸碎零星孤石過程中會形成“天女散花”似的飛石，造成500.00m以外的挖掘機(jī)風(fēng)擋玻璃擊穿效果，具有較大風(fēng)險(xiǎn)。

5 結(jié)束語

綜上所述，開挖是我國高速公路石方路塹項(xiàng)目建設(shè)操作中至關(guān)重要的一環(huán)，而石方路塹的開挖勢必伴隨著爆破操作。為了保證爆破作業(yè)安全、平穩(wěn)進(jìn)行，爆破開挖工應(yīng)根據(jù)高速公路石方路塹特點(diǎn)，制定爆破方案，選擇恰當(dāng)?shù)谋破鞑呐c鑿巖機(jī)具。進(jìn)而在起爆網(wǎng)路中，計(jì)算爆破振動、爆破飛石的安全距離，針對性制定、開展安全管理措施以及警戒策略。