浅谈高速铁路高边坡石方爆破设计

2014-12-25莫雪林

城市建设理论研究 2014年37期

关键词：爆破高边坡设计

莫雪林

摘要：对铁路高边坡石方路堑爆破开挖提出了详细的爆破设计，可为今后类似爆破施工提供借鉴。

关键词：路堑高边坡石方爆破设计

中图分类号：S611文献标识码： A

一、工程概况及爆区周围环境

工程位于新建贵阳至广州铁路GGTJ-6标段姜架山二号隧道进口，里程为DK383+607.87～DK383+660，其中DK383+607.87～DK383+641段为路基部分，DK383+641～DK383+660段为隧道部分，岩石为泥盆系下统莲花山组砂岩夹页岩。岩石呈紫红、浅灰、灰褐色，中至厚层状，泥质、钙质胶结，粉细砂结构，部分具交错层理。碎屑由石英组成，含部分硅质岩、页岩岩屑及微量长石，呈浑圆～次棱角状，页岩为灰绿、黄色、薄层状、层理较清晰，底部为砾岩，节理裂隙较发育。

工程最大爆破开挖深度56m，爆破方量约5.6万m3，路基设计边坡坡度为1:0.75和1:1，隧道设计仰坡坡度为1:0.5。

爆区周围环境复杂，主爆区离姜架山二号隧道现出洞口最近距离18m，离姜架山一号隧道出口约150m，离木洞大桥2#墩约70m。同时在爆区右侧约120m处有一道为姜架山一号隧道提供施工用电高压线路（现已断电），爆破时要保证爆区周围构筑物的安全。爆区周围环境见图1：

二、爆破方案选择

根据爆区的设计资料、周边环境、工程性质和石方爆破工程量，确定采用深孔台阶爆破为主、浅孔爆破为辅的施工方案；为控制爆破对路堑高边坡稳定性的影响，临近设计边坡，采用缓冲爆破技术，边坡采用光面爆破，通过控制孔网参数和单孔装药量，最大限度地减缓主炮孔爆破对路堑边坡和隧道仰坡的直接破坏。

三、主爆区深孔爆破参数选择

1、炮孔直径D

采用潜孔钻钻孔，炮孔直径φ = 90 mm。

2、台阶高度H

根据爆区地形和爆区周围环境，取H=12m

3、超深h

超深h是指钻孔超出台阶高度的那一段孔深，其作用是克服底盘岩石的夹制作用，使爆破后不留根底，可以按孔径的8～12倍来确定超深值，本次设计取h=1.0m。

4、钻孔形式

对于露天台阶爆破，钻孔形式有垂直钻孔和倾斜钻孔，根据现场实际情况，参考类似工程设计为倾斜钻孔，钻孔倾角为75度，台阶要素及钻孔形式如图2所示：

5、钻孔深度

L=H/sinα+h=12/sin75o+1=13.5m

6、孔距和排距

孔距a是指同排的相邻两个炮孔中心线间的距离；排距b是指多排孔爆破时，相邻两排炮孔间的距离，根据经验取a=3m，b=3m。

7、布孔方式

采用梅花形布置，每次布2～3排，炮孔布置如图3所示：

8、炸药品种的选择

根据当地的气象条件，选取药卷直径为75mm的乳化炸药。

9、单位耗药量

在深孔爆破中，单位耗药量q值一般根据岩石的坚固性，炸药种类，施工技术和自由面数量等因素综合确定，参考相关工程取q=0.4kg/m3。

10、单孔装药量

对于倾斜钻孔，第一排炮孔的单孔装药量按下式计算：

Q1=qabH=0.4*3*3*12=43kg

当采用乳化炸药时，应乘以一个换算系数，参考相关工程，取e=1.15，故单孔装药量调整Q11=1.15*43=49.5kg，为了现场容易操作，第一排单孔装药量调整为Q1=50kg。

从第二排起，各排孔的装药量按下式计算：

Q2=KqabH

式中K为考虑到受前面各排孔的岩碴阻力作用的装药量增加系数，一般取1.1～1.2,本次K取1.2。

当采用乳化炸药时，Q2=60kg。

11、堵塞长度

堵塞长度与最小抵抗线、钻孔直径和爆区环境有关，当不允许有飞石时，堵塞长度取钻孔直径的30～35倍。经计算，取最小堵塞L2min=3m。

12、装药结构

装药结构是影响爆破效果的主要因素之一，深孔爆破采用的装药结构主要有连续装药结构和间隔装药结构。本次工程爆破采用的炮孔直径D=90mm，炸药采用75mm直径的乳化炸药，其延米装药量约6.5kg/m，根据前面计算，第一排炮孔的单孔装药量为50kg，第二排及以后炮孔的单孔装药量为60kg，其装药长度分别为7.7m和9.2m。若采用连续装药，其堵塞长度分别为5.8m和4.3m，对第一排炮孔来说，堵塞长度过大，爆破效果不好，上面的大块率较多，本次设计采用分段装药，先在底部装4.5m乳化炸药，中间回填2.5m岩碴，再装3.2m乳化炸药，最后堵塞3.3m。装药结构如图4所示：

13、起爆网络

采用毫秒延期非电导爆管起爆网络，孔外采用四通进行复式连接，最后采用电雷管激发导爆管，高能起爆器起爆。

四、边坡的光面爆破参数设计

为了保证爆破后边坡的稳定性，减少爆破对被保护岩体的破坏，边坡采用光面爆破。影响光面爆破参数选择的因素很多，参数的选择很难用一个公式来完全表达。本次爆破设计在全面考虑各种影响因素的前提下，以理论计算为依据，以工程类比作参考来进行设计。

1、不耦合系数

合理的不耦合系数应使炮孔压力低于孔壁岩石的动抗压强度而高于动抗拉强度，一般取1.5～3.0。本次爆破设计钻孔直径D=90mm，药卷直径为32mm，不耦合系数为2.8。

2、炮孔直径

炮孔直径取D=90mm。

3、光面炮孔间距a

炮孔间距一般为炮孔直径的10～14倍。在节理裂隙比较发育的岩石中应取小值，整体性好的岩石可取大值。本次设计取a=1.0m。

4、光爆层厚度

光爆层厚度是指周边眼至相邻辅助孔间的距离，一般应大于光面孔的间距，在爆破中，为了使保留区岩壁光滑而不致破坏，光爆层厚度不宜过大，通常取w=1～3m，本次爆破设计取w=1.2m。

5、单位装药量

单位装药量又叫线装药密度和装药集中度，指单位长度孔眼中装药量的多少。为了控制裂缝的发展，保持新壁面的完整稳固，在保证沿孔眼连线破裂的前提下，应尽可能减少装药量。本次光面爆破采用φ32mm的乳化炸药，每卷药卷质量为200g。参考相关工程，取单位装药量q=0.2kg/m（实际爆破时应根据现场爆破效果进行调整）。

6、起爆间隔时间

在光面爆破中，齐发起爆的裂缝表面最平整，毫秒延时起爆次之，齐发起爆时，孔眼贯通裂缝较长，可抑制其他方向裂缝的发展，有利于减少孔眼周围裂缝的产生和形成平整的壁面。在实施光面爆破时，时间间隔越短，壁面平整的效果越有保证。

7、光面爆破的钻孔深度

光面爆破应沿边坡线进行钻孔，钻孔深度按边坡设计的边坡角和台阶高度选取。

8、堵塞长度

良好的堵塞不但能充分利用炸药的爆炸能量，而且能减少爆破有害效应的产生。堵塞长度与炮孔直径有关，通常取炮孔直径的12～20倍。本次设计取L=1.5m。

9、装药结构

为了尽量实现炮孔的线性装药，采用φ32mm的乳化炸药，每卷药卷质量200g，按设计的单位装药量将药卷用胶布捆绑在导爆索上，同时在炮孔的底部进行加强装药，炮孔用黄土堵塞。装药结构如图5所示：

五、爆破网路设计

本次爆破设计采用毫秒延期非电导爆管起爆网路，为了保证周围构筑物在爆破时不受破坏，需控制最大一段允许装药量。

1、最大一段允许装药量的计算

最大一段允许装药量按下式计算：

Qmax=R3（V/K）3/α

式中：Qmax—最大一段允许装药量（kg）；

R—爆破中心距被保护物的距离（m）；

V—保护对象所在地质点的振动安全允许速度（cm/s）；

K，α—与爆破点至计算保护对象间的地形、地质条件有关的系数和衰减系数，可查表确定。

根据现场实际情况，主爆区爆破时距离姜架山二号隧道最小距离为18m。交通隧道的安全允许振速为V=10～20cm/s，为安全起见，取V=10cm/s，参考相关工程，取K=150，α=1.8。则最大一段允许装药量Qmax=64kg，可以实现逐孔起爆。为了加快施工进度，当爆区离姜架山二号隧道较远时，可以调整最大一段允许装药量，其参数见下表1所示：

表1 不同距离下的最大一段允许装药量

爆区至姜架山二号隧道的距离（m）最大一段允许装药量

（kg）

18 64

20 88

25 172

30 297

35 472

40 704

2、起爆网路设计

当离姜架山二号隧道较近时，为保证隧道的安全，需进行逐孔微差起爆，孔内装17段毫秒延期导爆管雷管（延期时间为1200ms），孔外接3段毫秒延期导爆管雷管，延期时间50ms，最后用电雷管激发导爆管，高能起爆器起爆。爆破网路如图6所示：

当爆区离隧道较远时，可增加每段起爆的炮孔数目，条件允许时可以采用排间微差起爆。