吳應(yīng)明

(中鐵二十局集團(tuán)有限公司 陜西西安 710016)

1 工程概況

正在修建的渝懷二線引入懷化樞紐站前工程需開挖124 m超高邊坡，土石方挖方量高達(dá)2 102.8萬m3。范圍處于武陵山脈和雪峰山脈之間，沅水自南向北貫穿全境，舞水為沅水的主要支流。懷化樞紐位于懷化市西南側(cè)，所在區(qū)域?yàn)閮蓚€(gè)山脈之間的丘陵、盆地地貌。丘陵區(qū)地面高程在210～400 m之間，局部地段地勢(shì)起伏大、相對(duì)高差大，丘坡多呈長(zhǎng)條狀、短帶狀、渾圓狀地貌，植被發(fā)育。爆破施工現(xiàn)場(chǎng)見圖1。

圖1 爆破施工現(xiàn)場(chǎng)

懷化樞紐工程所處區(qū)域在漫長(zhǎng)的地質(zhì)歷史時(shí)期中先后經(jīng)歷了武陵、雪峰、加里東、華力西-印支、燕山-喜馬拉雅山等多次強(qiáng)烈的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，地殼變形劇烈而復(fù)雜，斷裂和巖漿活動(dòng)強(qiáng)烈，形成著名的雪峰山褶皺隆起帶。測(cè)區(qū)構(gòu)造主要為華夏、新華夏式構(gòu)造，表現(xiàn)為主體走向?yàn)楸睎|向、北北東向緊密型線狀褶皺及斷裂為主，出露基性～超基性巖和火山巖，并發(fā)育規(guī)模巨大的深大斷裂帶及褶皺，如安化-溆浦-靖縣斷裂帶、溆浦-五團(tuán)山斷裂帶等。

鑒于工程邊坡及地質(zhì)條件較為復(fù)雜，巖層自穩(wěn)能力較差，特別是在雨水沖刷和浸泡后，邊坡開挖管理難度大，加之邊坡工程開挖方量大，爆破施工管理要求高，爆破振動(dòng)對(duì)高陡邊坡以及工程邊坡安全的影響不得而知，如何采取合理的控制爆破方案以緩沖動(dòng)力荷載對(duì)邊坡的影響需要深入研究。

對(duì)于邊坡爆破技術(shù)和振動(dòng)研究，許多學(xué)者做了大量工作。如易長(zhǎng)平對(duì)爆破振動(dòng)對(duì)地下洞室的影響進(jìn)行了研究[1]；高煥煥對(duì)爆破荷載對(duì)鄰近洞室及支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響機(jī)理進(jìn)行了研究[2]；張正宇和于亞倫等均對(duì)工程爆破理論與技術(shù)進(jìn)行了深入研究[3-5]；張志毅等論述了中國爆破振動(dòng)控制技術(shù)的新進(jìn)展[6-8]；張繼春及汪旭光等學(xué)者對(duì)爆破設(shè)計(jì)與施工等技術(shù)進(jìn)行了研究[9]；謝毓壽等對(duì)工業(yè)爆破的地震效應(yīng)進(jìn)行了研究[10-12]。

盡管如此，仍然還有許多問題有待于進(jìn)一步探索。基于此，必須結(jié)合工程開挖的地質(zhì)、工程本身邊坡結(jié)構(gòu)、工程邊坡以及周邊環(huán)境等實(shí)際情況，提出切實(shí)可行的控制爆破參數(shù)，并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與監(jiān)測(cè)以驗(yàn)證和優(yōu)化爆破參數(shù)，以確保工程邊坡穩(wěn)定和結(jié)構(gòu)安全。

2 高邊坡總體開挖方法

基于爆破開挖邊界實(shí)際，依據(jù)截排水先行、逐級(jí)開挖、邊坡防護(hù)緊跟以及確保安全的原則組織施工。邊坡施工順序?yàn)?施工邊坡天溝→自上而下分層開挖→及時(shí)刷坡和施作防護(hù)工程進(jìn)行坡面防護(hù)。高邊坡開挖方法及工序見圖2。

圖2 高邊坡開挖方法及工序

2.1 縱向工區(qū)劃分

挖方采用縱向沿中心開通槽作為主運(yùn)輸通道、橫向從GDK1＋800處拉通槽(空車行駛通道)的混合開挖方式將整個(gè)施工區(qū)域劃分為四個(gè)作業(yè)面。各作業(yè)面遵循從橫向通道向東西兩側(cè)縱向分段分層開挖原則，階梯推進(jìn)的施工方式；合理安排運(yùn)土通道與作業(yè)面的位置及施工工序，做到出土石方、排水、防護(hù)互不干擾，以確保開挖順利進(jìn)行。

2.2 豎向開挖方法

開挖按設(shè)計(jì)邊坡從上至下分層一次開挖，開挖面保持不小于4%的排水坡，嚴(yán)禁積水，并且保持邊坡平順。

每層開挖高度3～4 m，按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行刷坡，確保挖方段邊坡的穩(wěn)定性和平順。每段開挖工作完成后，對(duì)邊坡進(jìn)行防護(hù)，開挖一階、防護(hù)一階。當(dāng)防護(hù)不能緊跟開挖進(jìn)行時(shí)，要預(yù)留20 cm的保護(hù)層，待施作護(hù)坡時(shí)再刷坡。

2.3 總體開挖工序

首先進(jìn)行第(1)、(2)部分的開挖，為石料運(yùn)輸開出一施工平臺(tái)，再從上至下按(3)、(4)、(5)、(6)的順序開挖，然后開挖(7)、(8)部分，為石料運(yùn)輸開出第二級(jí)施工平臺(tái)，再從上至下開挖(9)、(10)、(11)、(12)部分，其中(4)、(6)、(10)、(12)部分需要進(jìn)行光面爆破。

3 高陡邊坡大孔徑深孔臺(tái)階爆破參數(shù)

結(jié)合本工程地形特點(diǎn)，為了提高爆破效果，本工程擬采用淺孔、中深孔臺(tái)階爆破與控制爆破相結(jié)合的方法進(jìn)行爆破施工。鑒于篇幅所限，在此僅對(duì)深孔爆破進(jìn)行說明。為充分考慮大孔徑爆破對(duì)永久邊坡振動(dòng)影響，鄰近永久邊坡時(shí)采用?115 mm的爆破孔徑，實(shí)現(xiàn)預(yù)裂爆破效果，減小爆破對(duì)永久邊坡的影響。

根據(jù)邊坡分級(jí)高度及機(jī)械開挖分層高度選定爆破臺(tái)階高度為10 m，每層的寬度可根據(jù)實(shí)際排數(shù)進(jìn)行調(diào)整。增大爆破規(guī)模主要應(yīng)用于該部分爆破區(qū)域，可根據(jù)情況增加排數(shù)和拉長(zhǎng)爆破區(qū)域長(zhǎng)度，增加每排炮孔個(gè)數(shù)。每層巖體開挖后所形成的邊坡角應(yīng)當(dāng)能保證巖體的基本穩(wěn)定，最大的邊坡角度應(yīng)當(dāng)符合設(shè)計(jì)要求。具體孔網(wǎng)參數(shù)如下:

(1)孔徑:d＝140 mm；

(2)臺(tái)階高度:H＝10 m；

(3)超深:h＝1～1.5 m，取h＝1.25 m；

(4)炮孔傾角:α＝90°；

(5)孔深:L＝H＋h＝11～11.5 m，取L＝11.25；

(6)底盤抵抗線:W1＝(0.4～0.7)H＝0.4×10＝4.0 m；

(7)炮孔密集系數(shù):m＝1.0；

(8)孔距:a＝m×W1＝4.0 m；

(9)排距:b＝0.87a＝3.5 m(鉆孔按梅花形布置)；

(10)受前面各排孔礦巖阻力作用的增加系數(shù)，k＝1.1～1.2；

(11)炸藥單耗:q＝0.25～0.35 kg/m3(根據(jù)試爆情況作適當(dāng)調(diào)整)；

(12)理論上單孔裝藥量:Q＝q·a·W1·H(第一排孔)；Q＝k·q·a·b·H(第二排孔起)。q取0.3 kg/m3，k取1.2。爆破參數(shù)見表1。

表1 爆破參數(shù)

根據(jù)一日的爆破方量按2萬m3考慮鉆孔144個(gè)，炮孔布置6排，每排布置24個(gè)，爆破范圍寬度21 m，長(zhǎng)度96 m。采用巖石乳膠炸藥，藥卷直徑80 mm，總用藥量7 257 kg。

4 炮孔布置與起爆網(wǎng)路

4.1 炮孔布置

所有炮孔采用三角形或正方形布置，具體見圖3。

圖3 炮孔三角形布置

4.2 炮孔裝藥及填塞結(jié)構(gòu)

一般情況按設(shè)計(jì)藥量裝藥進(jìn)行爆破施工，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)爆破經(jīng)驗(yàn)、巖石種類、巖性、結(jié)構(gòu)以及抵抗線大小是否有變化，在保證填塞高度的原則下及爆破安全的基礎(chǔ)上，從孔口到孔底連續(xù)柱狀裝藥，起爆藥包放置在藥柱下部1/3處。炮孔裝藥及填塞結(jié)構(gòu)見圖4。

圖4 炮孔裝藥及填塞結(jié)構(gòu)

4.3 爆破微差間隔時(shí)間及起爆網(wǎng)路設(shè)計(jì)

(1)起爆網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

本工程爆破作業(yè)使用毫秒電雷管、非電雷管、導(dǎo)爆索進(jìn)行排間微差松動(dòng)控制爆破，從前排孔向后排孔按設(shè)計(jì)的微差間隔順序爆破?？變?nèi)使用導(dǎo)爆索，用膠布將炸藥均勻牢固地捆綁在收爆索上，下至孔底，孔口填塞高度0.5～1.0 m，串聯(lián)在爆破網(wǎng)路上。

(2)微差間隔時(shí)間確定

微差間隔時(shí)間△t＝25～50 ms。起爆網(wǎng)絡(luò)見圖5。

圖5 起爆網(wǎng)絡(luò)

5 爆破試驗(yàn)與振動(dòng)實(shí)測(cè)分析

為了在施工期間能夠確保既有高陡邊坡安全，必須對(duì)爆破開挖進(jìn)行爆破安全振動(dòng)監(jiān)測(cè)，依據(jù)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行針對(duì)性地開挖、爆破參數(shù)優(yōu)化調(diào)整及采取相應(yīng)的有效控制對(duì)策。

5.1 測(cè)點(diǎn)布置方法

因?yàn)樵诿看伪瓢惭b炸藥的加權(quán)中心處產(chǎn)生的爆破振動(dòng)波最強(qiáng)，所以在該中心線所對(duì)應(yīng)的后緣高陡邊坡的兩個(gè)馬道上安置傳感器進(jìn)行監(jiān)測(cè)。傳感器均安裝于馬道上的坡腳處，這樣的布置方式使得兩個(gè)傳感器和爆源中心在同一條直線上，可以分析研究爆破振動(dòng)波在邊坡上部位置測(cè)點(diǎn)的傳播特性。部分測(cè)點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)安裝見圖6。

圖6 開挖邊坡上部測(cè)點(diǎn)位置與儀器安裝

5.2 爆破振動(dòng)測(cè)試結(jié)果與分析

4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)采集到了4組數(shù)據(jù)波形，部分振動(dòng)速度波形如圖7所示。

圖7 測(cè)點(diǎn)垂直Z方向振速波形

5.3 爆破振動(dòng)對(duì)邊坡及洞室安全影響分析

根據(jù)邊坡開挖爆破的振動(dòng)效應(yīng)監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，邊坡處的振動(dòng)主頻三個(gè)方向均在10～20 Hz范圍內(nèi)，最大峰值振速為水平Y(jié)方向(Y軸對(duì)準(zhǔn)爆心)，為4.96 cm/s，在5 cm/s以內(nèi)，符合安全規(guī)程要求，此次爆破邊坡處于安全狀態(tài)。

6 結(jié)論

(1)由于鐵路樞紐工程邊坡地質(zhì)條件較為復(fù)雜，巖層自穩(wěn)能力較差，在雨水沖刷和浸泡后，邊坡開挖管理難度大，加上工程邊坡開挖方量大，對(duì)爆破施工控制要求非常高，爆破動(dòng)力荷載對(duì)邊坡影響必須要嚴(yán)格控制。

(2)在分析工程地質(zhì)和邊坡條件的基礎(chǔ)上，提出的邊坡開挖縱向工區(qū)劃分、豎向總體開挖工序可以滿足懷化樞紐高邊坡施工需要，能夠確保工程進(jìn)度。

(3)現(xiàn)場(chǎng)爆破試驗(yàn)表明，提出的高陡邊坡大孔徑深孔臺(tái)階爆破參數(shù)、炮孔布置、裝藥結(jié)構(gòu)和起爆網(wǎng)路，可獲得較好的爆破效果，能很好地保證高邊坡穩(wěn)定和結(jié)構(gòu)安全。

(4)鑒于巖體地質(zhì)的復(fù)雜性和超高邊坡本身的風(fēng)險(xiǎn)性，后續(xù)的爆破方案及參數(shù)還需結(jié)合實(shí)際情況做實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)整。