苗曉鵬，陳 慧，焦國芮，施建俊，孟海利

(1.航天規(guī)劃設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，北京 100071；2.中冶南方武漢鋼鐵設(shè)計(jì)研究院有限公司，武漢 430080；3.江西銅業(yè)技術(shù)研究院有限公司，南昌 330046；4.北京科技大學(xué)土木與資源工程學(xué)院，北京 100083；5.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081)

當(dāng)進(jìn)行土石方爆破時(shí)周圍臨近建(構(gòu))筑物，可采用預(yù)留巖墻的爆破施工方法[1]，該方法的核心思想是在臨近建(構(gòu))筑物一側(cè)預(yù)留一定寬度的巖石(稱為巖墻)，巖墻能夠保持自穩(wěn)，又能在一定程度上屏蔽內(nèi)部爆破對臨近建(構(gòu))筑物的影響，將爆破危害降到最低[2]。

孟海利等[3]在渝涪鐵路緊鄰既有線擴(kuò)塹工程中采用巖墻控制爆破技術(shù)，指出內(nèi)部主爆區(qū)深孔爆破的臨空面方向與既有線方向平行，能有效控制爆破滾石、飛石、振動(dòng)對既有線的影響，那么爆破施工過程中最容易造成安全隱患的工序是巖墻拆除爆破[2]。

對預(yù)留巖墻進(jìn)行拆除過程中，唐海等[4]采用金剛石繩鋸切割預(yù)留巖墻，這種方法與鑿巖機(jī)機(jī)械清除類似，能有效地保證既有鐵路線或周圍建筑物的安全，但兩者都存在經(jīng)濟(jì)成本高，施工進(jìn)度緩慢的缺點(diǎn)，不適合大面積推廣和使用。為了達(dá)到施工便捷、經(jīng)濟(jì)合理的目的，對巖墻采用爆破拆除成為可能。巖墻拆除爆破抵抗線背離被保護(hù)對象，能有效控制爆破振動(dòng)及飛石的危害[5]。巖墻拆除爆破嚴(yán)格意義上屬于平行雙自由面多邊界爆破。此時(shí)的拋擲效果取決于邊界條件和藥量2個(gè)因素[6]。為配合施工，其理想拋擲效果是爆破一側(cè)巖體充分破碎、拋擲，有保護(hù)對象一側(cè)的巖體達(dá)到“碎而不散”的理想狀態(tài)，這樣可輕易清除該部分破碎石方。由于平行雙自由面爆破的特殊性，必須采用逐排逐孔起爆的方式[7]，若按加強(qiáng)松動(dòng)爆破來裝藥，那么爆破效果僅取決于最后一排炮孔到巖墻內(nèi)側(cè)的寬度，稱之為巖墻自穩(wěn)臨界寬度。孟海利[2]認(rèn)為，巖石的抗壓強(qiáng)度要大于巖墻外側(cè)應(yīng)力波峰值，此時(shí)臨界寬度不應(yīng)小于1.5倍最小抵抗線；孟海利等[3]在渝涪鐵路緊鄰既有線擴(kuò)塹工程以及楊琳等[1]在安托山整治工程中，臨界寬度取值大于2倍最小抵抗線，佘蟬眉[8]通過數(shù)值模擬得出為2.5倍的抵抗線。由此可見，前人對于臨界寬度的確定更多的是來源于工程經(jīng)驗(yàn)和數(shù)值模擬，缺乏理論基礎(chǔ)。本文在基于多邊界爆破理論的基礎(chǔ)上，建立等效子藥包模型，推導(dǎo)平行雙自由面雙側(cè)抵抗線關(guān)系，確定了臨界寬度的理論取值。

1 多邊界爆破藥量計(jì)算公式

多邊界爆破是指爆破區(qū)域有一定的坡度和地形變化，并非僅是平整場區(qū)。地形變化不但影響到爆破效果，而且影響到計(jì)算爆破作用指數(shù)以及炸藥爆炸能量的有效利用率[9]，根據(jù)爆能利用率和地質(zhì)特性，可將多邊界條件分為四類，分別是為水平、傾斜、凸形多面臨空地形和凹形埡口地形邊界條件，如圖1所示。①傾斜邊界條件，其特征量是地面坡度角α為0°～90°，一般通稱的平坦地形是傾斜邊界條件α=0°時(shí)的特例；②凸形多面臨空地形，一般特征量是山脊兩側(cè)的坡度α1、α2(巖墻拆除爆破即為這種邊界地形，且α1、α2近似為90°)，通過小山包多面臨空爆破的研究，用能量分配系數(shù)控制藥包位置的布置，則可用緩側(cè)地面坡度角代表多面臨空地形的特征量，可將多面臨空地形條件轉(zhuǎn)化為傾斜邊界條件；③凹形埡口地形，可近似的拆分為兩個(gè)傾斜邊界條件。這樣多邊界爆破邊界條件中的坡角，就可以用傾斜邊界條件特征量地面坡度角α作為模型計(jì)算的基礎(chǔ)。

圖1 邊界條件分類Fig.1 Classification of boundary conditions

在多邊界爆破中，通過拋擲率(E)來衡量爆破效果，拋擲率是指拋擲出去的巖土體積占整個(gè)爆破巖土體積的百分比，用式(1)表示：

(1)

當(dāng)E=27%時(shí)，為標(biāo)準(zhǔn)拋擲爆破。

王鴻渠[6]、高文學(xué)等[9]通過機(jī)械能守恒和功能平衡原理，推導(dǎo)得到多邊界爆破藥量計(jì)算公式，如式(2)所示

Q=KW3Fφ(E,α)

(2)

式中：K為形成標(biāo)準(zhǔn)拋擲漏斗時(shí)，每立方米耗藥量；W為最小抵抗線；Fφ(E,α)為理論的藥包性質(zhì)指數(shù)。

推導(dǎo)理論的藥包性質(zhì)指數(shù)為[6, 9]

Fφ(E,α)=

(3)

式中：f(α)為拋坍系數(shù)[10]，與地形系數(shù)fφ(α,E)(表示地形有利，爆能有效利用率提高或拋擲體積增加，而應(yīng)減少藥量的系數(shù)，又稱為藥量衰減系數(shù))的含義一致。

(4)

加入炸藥換算系數(shù)e和填塞系數(shù)d，多邊界爆破藥量的理論計(jì)算公式：

Q=edKW3Fφ(E,α)=

(5)

式(5)描述爆破拋擲效果、邊界條件和藥量的內(nèi)在關(guān)系。其中Q為藥量，拋擲效果通過拋擲率E體現(xiàn)，α可以用來描述爆破巖土體傾斜邊界條件(水平邊界條件、凸和凹形邊界條件都可以用傾斜邊界條件作為模型進(jìn)行后續(xù)計(jì)算)。

2 等效子藥包模型建立及子藥包分配

在保證爆破效果相同的條件下，根據(jù)雙自由面各個(gè)抵抗線的關(guān)系，將炸藥量分為各個(gè)自由面方向的子藥包，稱之為等效子藥包。

根據(jù)等效子藥包爆破能量分配和多向群藥包能量分配模型，對巖墻拆除爆破(平行雙自由面爆破)建立平面應(yīng)變模型。該模型中無限長的常截面柱體均質(zhì)巖石內(nèi)部存在無限長常截面柱體均質(zhì)藥包，由于藥包和巖石無限長，認(rèn)為能量只能沿抵抗線方向耗散，如圖2所示。由于爆源能只能均勻沿著徑向(抵抗線方向)傳播，使其破碎并產(chǎn)生速度，此時(shí)兩側(cè)單體[11](單個(gè)集中藥包爆破的拋擲漏斗和單列單向群藥包爆破相鄰藥包聯(lián)合作用區(qū)以及單個(gè)單向延長藥包爆破作用區(qū)除端部偏體外拋體統(tǒng)稱為單體)獲得的動(dòng)量等于爆炸氣體作用于炮孔氣腔的沖量，如式(6)所示。

(6)

(7)

式中：v1、v2分別為兩側(cè)單體的速度；m1、m2分別為兩側(cè)單體的質(zhì)量；r為炮孔半徑；P為爆炸氣體壓強(qiáng)；θ為炮孔徑向圓心角；t為作用時(shí)間；W為最小抵抗線；ρ為巖體密度。

將式(6)與式(7)聯(lián)立，得到兩側(cè)單體速度其抵抗線平方成反比，如式(8)所示。

(8)

圖2 等效子藥包模型Fig.2 Equivalent sub-explosive model

在平行雙自由面(雙側(cè)抵抗線)條件下，常規(guī)的條形藥包分解成為2個(gè)等效子藥包，等效子藥包的藥量分別是Q1、Q2。

單體速度公式[11]為

(9)

式中：Kv為速度系數(shù)；V為單體體積。聯(lián)立式(8)與式(9)得：

(10)

3 巖墻自穩(wěn)臨界寬度的理論推導(dǎo)

在多邊界爆破藥量的理論計(jì)算公式中，令

(11)

則多臨空面藥量計(jì)算公式可簡化成：

Q=aKW3

(12)

巖墻拆除爆破屬于平行雙自由面爆破地形，且α1、α2近似為90°，通過等效子藥包模型確定了兩側(cè)子藥包的能量分配后，將式(10)與式(12)聯(lián)立解得：

(13)

(14)

通過式(14)可進(jìn)一步定量確定平行雙自由面爆破雙側(cè)抵抗線之間的關(guān)系，由式(14)可知，雙抵抗線比值與炸藥換算系數(shù)、填塞系數(shù)、理論藥包性質(zhì)指數(shù)(拋擲率和邊界地面坡度角)有關(guān)。

巖墻拆除爆破理想拋擲效果為一側(cè)拋擲，一側(cè)松動(dòng)，拋擲一側(cè)按照傾斜邊界條件下標(biāo)準(zhǔn)拋擲爆破的拋擲率，即E1=27%，α1=90°;松動(dòng)一側(cè)E1=0，α2=90°,拋擲率為0，查理論藥包性質(zhì)指數(shù)表[9]，F(xiàn)φ1(E,α)=0.254，F(xiàn)φ2(E,α)=0.01，故

(15)

雙側(cè)抵抗線之比為

(16)

式(16)的分析結(jié)果可知，平行雙自由面巖墻自穩(wěn)臨界寬度的理論取值為2.05W。

4 工程試驗(yàn)

4.1 工程概況

在渝懷二線漾頭越行站站改工程(K554+832.8-K555+421.45)施工過程中，需對既有路基左側(cè)進(jìn)行路基填筑和路塹開挖，其中路基土石方填方 27 923 m3，挖土方41 437 m3，挖石方168 636 m3。由于石方挖方量較大，出于工期和成本考慮，采用爆破開挖成為了必然選擇。漾頭越行站路基施工緊鄰既有線，需爆破開挖區(qū)域與既有渝懷線左側(cè)相距10～100 m，爆破產(chǎn)生的振動(dòng)和飛石可能會(huì)對既有線產(chǎn)生影響，尤其是鄰近既有線高邊坡路塹段石方控制爆破開挖， 存在落石飛石損壞既有行車設(shè)備等風(fēng)險(xiǎn)，施工干擾和安全風(fēng)險(xiǎn)都很大。

圖3 爆破開挖現(xiàn)場Fig.3 Blasting excavation site

4.2 施工方案

1)采用預(yù)留巖墻土石方控制爆破施工方案，內(nèi)部石方采用深孔臺(tái)階爆破開挖，臺(tái)階高度為8～12 m，在接近保留巖墻6 m處時(shí)采用淺孔爆破，淺孔臺(tái)階高度為3 m，以此確保巖墻高度始終高于主爆區(qū)3 m，起到天然屏障的作用，如圖4所示[12]。

圖4 巖墻爆破Fig.4 Rock wall blasting

2)巖墻拆除采用淺孔弱爆破和機(jī)械破碎結(jié)合的方式逐層拆除，起初先采用淺孔逐孔起爆爆破方式，抵抗線0.8～1.2 m，當(dāng)巖墻剩余未爆巖體達(dá)到臨界寬度左右，未爆巖體達(dá)到“碎而不散”的狀態(tài)，對該部分巖體采用機(jī)械清除的方式。

4.3 巖墻拆除爆破試驗(yàn)方案

為了合理、準(zhǔn)確地進(jìn)行巖墻拆除爆破試驗(yàn)研究，選取地形開闊巖墻，巖墻未爆破前，寬度為5.5 m，長度27.3 m，高度4.6 m。

為了準(zhǔn)確確定巖墻動(dòng)態(tài)自穩(wěn)臨界寬度的取值，對巖墻采用單排逐孔起爆的方式逐步逼近巖墻內(nèi)側(cè)，每爆破一次，通過非金屬聲波探測儀和高速攝像機(jī)確定剩余未爆巖體的損傷和裂縫開裂狀態(tài)。確定經(jīng)過3次爆破后，未爆巖體達(dá)到“碎而不散”的狀態(tài)，3次爆破炮孔布置及爆破網(wǎng)路示意圖如圖5所示，其中第1臺(tái)階為上臺(tái)階，第2、3臺(tái)階為下臺(tái)階，爆破參數(shù)如表1所示。

圖5 3次爆破炮孔布置及聯(lián)線網(wǎng)路Fig.5 Arrangement and connection network of three blasting holes

表1 三次爆破試驗(yàn)參數(shù)

整個(gè)巖墻總寬度為5.5 m，3次巖墻爆破后預(yù)留巖墻的寬度如圖6所示，由圖可知，第1、2次爆破試驗(yàn)后剩余寬度為3.6、2.8 m，最后一次爆破試驗(yàn)后巖墻寬度為2.0 m。在經(jīng)過3次爆破后，從高速攝影機(jī)拍攝過程和未爆巖體的損傷程度來看，該巖體已達(dá)到“碎而不散”的爆破效果的狀態(tài)，絕對不能再進(jìn)行任何程度的爆破，此時(shí)巖墻自穩(wěn)臨界寬度為2 m左右，為2.5倍的抵抗線(最小抵抗線為0.8 m)，由此通過現(xiàn)場3次爆破試驗(yàn)可得出結(jié)論：現(xiàn)場巖石種類以灰?guī)r白云巖為主，V級(jí)巖石，在0.23 kg/m3裝藥量下，并使用逐孔起爆的方式(延時(shí)時(shí)間采用MS5)，巖墻拆除爆破臨界寬度取值為2.5W左右。

圖6 每次爆破后臨空面與巖墻背面的距離Fig.6 The distance between the free surface and the back of the rock wall after each blast

5 結(jié)論與不足

1)推導(dǎo)多邊界爆破藥量計(jì)算公式Q=aKW3，可定量描述拋擲爆破邊界條件、藥量和拋擲效果三者之間的內(nèi)在關(guān)系。

3)通過現(xiàn)場3次爆破試驗(yàn)可得：在0.23 kg/m3裝藥量下，并使用逐孔起爆的方式(延時(shí)時(shí)間采用MS5)，巖墻拆除爆破臨界寬度取值為2.5W左右。

4)在進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)中，仍存在一些不足之處，比如現(xiàn)場地形和巖石種類、最小抵抗線的取值、炮孔延時(shí)是否對結(jié)果有影響等，需要進(jìn)行后續(xù)研究。