樊永強，馬俊斌，焦衛(wèi)寧，閆高文，拜曉亮

(中交第二公路工程局有限公司，西安 710065)

爆破是公路、水利、礦山、隧道等工程的重要施工方法，具有效率高、成本低的優(yōu)點。但是爆破本身也會產(chǎn)生一定的危害，如爆破振動、爆破飛石、粉塵、噪聲、沖擊波等，會對周邊環(huán)境和人員造成負面影響，在爆破作業(yè)時需要加強控制和降低這些危害。對于靠近村莊或工廠附近的路塹山體爆破開挖工程，特別需要控制爆破飛石以及爆破振動的影響。從爆破技術和防護等方面對控制爆破振動、爆破飛石及爆破沖擊波進行爆破方案的設計和優(yōu)化[1]，高邊坡的削坡爆破施工，為改善爆破效果以及控制爆破有害效應，相關的學者和技術人員做了大量的探索和實踐，如采取預裂爆破、調(diào)整爆破自由面方向、逐孔起爆技術、提高鉆孔精度等[2-8]，也有采取在炮孔上覆蓋防護、清理松動石塊、采用柔性網(wǎng)加鋼排架的組合式防護等[9,10]，這些措施都能在一定程度上降低爆破有害效應。爆破工程的方案設計需要結合施工環(huán)境、工期、施工對象等多種因素考慮，并在實際的施工中不斷改進和優(yōu)化，才能總結出最合適的爆破方案。

1 工程概況

中交第二公路工程局有限公司在湖北恩施承接了209國道恩施龍鳳壩至譚家壩段改擴建工程任務，其中K18+830～K19+380段設計石方開挖量為24.1萬m3，邊坡高度最高處約48.2 m，設置為六級邊坡，1～4級臺階10 m，坡率1∶0.50，5級及以上臺階根據(jù)具體地形高度6～8 m不等，坡率1∶0.75～1∶1.00。中樁右側最大開挖寬度水平投影長度58 m。該路段地形復雜、山高坡陡，原有公路寬約9 m，從山腳向上沿山腰修建，中樁左側有大量廠房和民宅，最近的民房不足10 m，爆破環(huán)境十分復雜。這條公路要往山體里拓展加寬，擴建后寬度約為36 m，故需進行大量的山體削坡爆破工程。爆區(qū)環(huán)境見圖1、圖2所示。

圖1 爆區(qū)環(huán)境示意圖Fig. 1 Surrounding environment of blasting area

圖2 爆區(qū)環(huán)境剖面示意簡圖Fig. 2 Schematic diagram of the blasting area profile

該地段山體主要為喀斯特地貌的石灰?guī)r，地表層巖體崎嶇不平、孤石溶洞很多。在喀斯特地區(qū)開展爆破施工時會因為溶洞的存在而產(chǎn)生較大的不確定性，使爆破施工的效果難以提升[11]。起初采用普通露天深孔爆破方法進行削坡爆破，爆破參數(shù)和孔網(wǎng)布置主要以破巖為目的，采用松動爆破、自由面即為山體坡面、各孔由外及里順序起爆的技術路線。在實際操作中，雖然采用以減小藥量的松動爆破來控制飛石，但由于石灰?guī)r的特質決定了表層巖體溝壑溶洞叢生，表面又多被浮土覆蓋，使得坡面邊緣孔的設計抵抗線和實際的抵抗線間存在很大差異，致使爆破飛石極難控制，爆破多次造成山腳下的廠房、民宅受到飛石的侵擾(如圖3)，引發(fā)投訴和公司的大量賠付，嚴重延誤了工期。加之部分民房幾乎緊靠原有公路，與爆破山體邊坡最近水平距離不足50 m，且位于爆破山體下方，更易被飛石擊中，爆破難度極大。為此，必須解決這種陡幫削坡爆破的飛石危害問題，同時這類問題在公路和鐵路路基開挖的山體爆破中也較為常見。

圖3 坡底民宅屋頂被爆破飛石擊中Fig. 3 The roof of a house was hit by a flying stone by blasting

2 飛石產(chǎn)生原因與對策分析

在最初的方案設計中也提出爆破抵抗線方向應平行山體坡面，但由于在削坡巖體上部的爆破工作面很窄，只能布1、2排孔，從有利破巖和操作方便方面，實際作業(yè)中采取了順著山體成排布孔，由外向里順序逐排爆破方式。正是這種操作，即使采用了松動爆破方法，減小了用藥量，但由于坡面本身的凸凹不平，巖層又多被表層松土所覆蓋，肉眼無法看到山體的實際情況，因此依地表情況計量坡面邊緣孔負擔的破巖體積十分困難、難以準確，尤其在坡面凹進去的部位，其實際巖層厚度可能遠小于設計估值，這就使得爆破的實際最小抵抗線遠小于設計的估計取值，也就造成該部位的炸藥單耗遠大于設計單耗，形成強拋擲爆破效果，則極易在該部位形成大的爆破飛石。

由于石灰?guī)r的特質決定了其地表一定厚度巖層的凸凹不平和有表層浮土覆蓋，人工無法確定和判斷巖體的實際邊界，因此實際操作中爆破飛石極難控制。為此，正是這種巖性的表層爆破即使采用松動爆破也可能出現(xiàn)較大爆破飛石的現(xiàn)實，采取按松動爆破設計藥量、定向拋擲為預防的孔網(wǎng)布置，引導可能出現(xiàn)的爆破飛石向指定方向拋出，更易滿足爆破安全要求。此時，只要飛石拋出方向避開了保護目標，即可實現(xiàn)對爆破飛石的安全控制，避免或減小削坡爆破對山下廠房和民宅的危害。本工程沿山體延伸方向，即原公路的延伸方向均為施工場地，沒有保護目標物，因此該方向能安全容納有較大爆破飛石的產(chǎn)生。這樣就將爆破中可能產(chǎn)生飛石引向該方向，只要其朝平行山體坡面方向飛行，就不會對山下廠房和民宅造成危害。

要控制爆破飛石方向應遵循最小抵抗線原理、多向爆破作用控制原理和群藥包共同作用原理來進行爆破設計，這些原理的核心思想：最小抵抗線方向是爆破破碎、拋擲和堆積的主導方向；在多自由面爆破時，最小抵抗線方向是爆破破碎、拋擲、堆積的主導方向；同時起爆的兩個以上相鄰的且能產(chǎn)生共同作用的藥包，其拋擲和堆積主要是沿藥包聯(lián)合作用所決定的方向拋出，即與炮孔連心線垂直方向是爆破聯(lián)合作用方向、是巖石拋出的主方向。為此，本次爆破要將爆破飛石方向引向山體延伸方向，即與山體坡面平行方向，首先應在待爆巖體側面開出一個自由面(可采用淺孔爆破方法先予形成，且側向自由面的高度要大于一個深孔爆破分層的高度)，使待爆巖體是處于兩個自由面狀態(tài)，且在側向有一個相對整齊的邊界，即使只能單排布孔也須如此。其次，布孔要確保爆破的最小抵抗線方向是指向側向自由面的，即山體橫向孔間距要明顯大于縱向的排間距，即使是單孔也要明顯使距側向自由面距離小于坡面自由面距離，以引導爆破拋擲指向側面、與坡面平行方向。同時，為減小飛石的飛行距離，采取小孔網(wǎng)參數(shù)、大間隔延時的逐孔起爆，這樣一方面避免了炮孔間的共同作用，又使得即使出現(xiàn)巖體嚴重內(nèi)凹，炮孔裝藥中心距坡面的實際巖層厚度相對側面自由面距離可能更小，但這種差異不會特別懸殊，此時雖然爆破體處于多自由面狀態(tài)，這種不特別懸殊側面自由面會削弱爆破飛石向坡面方向、相對抵抗線更小方向的拋出。此外，整體采用小炸藥單耗的松動爆破、長填塞(填塞長度要達到該孔最小抵抗線的1.1倍以上)、逐孔預判最小抵抗線方向、由里向外的順序起爆設計。尤其在多排炮孔爆破時，采取先中間，再里邊，最后坡面邊緣孔的順序起爆，使最邊緣孔承擔的破巖體成為其他孔爆破的天然防護墻。

3 爆破方案設計

3.1 淺孔爆破

先進行淺孔爆破，其主要任務是先為削坡主爆破創(chuàng)造出一個新的側向自由面。根據(jù)削坡深孔臺階爆破所取臺階高度8 m，淺孔一次爆破深度3 m，3次9 m，匹配深孔爆破一個臺階的側向自由面所需高度(見圖4所示)。采取40 mm的鉆頭，配φ32 mm藥卷，抵抗線和排距0.8～1.2 m，孔距1～1.5 m，炸藥單耗0.3～0.35 kg/m3。

圖4 爆破開挖施工方法與順序Fig. 4 Construction method and sequence of blasting excavation

爆破參數(shù)計算如下：

(1)炮孔深度

L=H+Δh

(1)

式中：L為炮孔深度，m；H為臺階高度，m；Δh為超深，本工程取0.2 m。經(jīng)計算得L=3.2 m。

(2)底盤抵抗線

W1=kd

(2)

式中：W1為底盤抵抗線，m；k為系數(shù)，一般取32～38；d為炮孔直徑，mm。經(jīng)計算得W1=1.5 m。

(3)孔排距的計算

孔距是指同一排跑空中相鄰兩孔的中心線距離，孔距按下式計算

a=mW1

(3)

式中：a為孔距，m；m為炮孔密集系數(shù)，對于露天淺孔臺階爆破，一般取1～1.25。實際孔距取值1.2～1.5 m，排距1.0～1.3 m。

(4)單孔裝藥量

根據(jù)該路段巖性，取淺孔松動爆破的炸藥單耗q=0.3～0.35 kg/m3計算，炮孔的裝藥量可按下式計算

Q=qabH

(4)

式中：Q為單孔裝藥量，kg；a為孔距，b為排距，H為臺階高度，單位均為m。經(jīng)計算得Q=2.2～3 kg。

(5)炮孔堵塞

按照φ32 mm乳化炸藥密度，延米裝藥量為1 kg，采用連續(xù)裝藥結構，堵塞長度必須保證不小于炮孔最小抵抗線。實際堵塞長度控制在1.5～2 m。

(6)炮孔布置

淺孔臺階松動爆破采用梅花形布置方式，結合現(xiàn)場地形地貌進行局部調(diào)整。炮孔布置示意圖如圖5所示。

圖5 臺階炮孔布置示意圖Fig. 5 Schematic diagram of blasting hole layout of step blasting

(7)起爆網(wǎng)路

起爆網(wǎng)路采取非電導爆管毫秒微差起爆網(wǎng)路。為有效降低爆破振動及飛石，采取逐孔起爆技術，孔內(nèi)采用高段位19段雷管，孔外采用3段延時。

3.2 深孔削坡爆破

山體削坡的主爆破，根據(jù)放坡設計要求分臺階自上而下逐級爆破，臺階高度控制在6～10 m范圍?？讖綖棣?0 mm，配φ70 mm的乳化炸藥卷。確保炮孔裝藥中心距側向自由面距離小于距坡面自由面距離，炸藥單耗0.3～0.35 kg/m3。相關參數(shù)的計算方法與淺孔爆破類似，具體的參數(shù)設計如表1所示。

表1 中深孔臺階爆破參數(shù)Table 1 The Parameters of middle-deep hole bench blasting

中深孔爆破采取寬孔距、適當減小抵抗線(即增大炮孔密集系數(shù))、弱裝藥進行布孔作業(yè)。在此總設計原則下，對不同布孔條件需采取不同孔網(wǎng)參數(shù)和起爆順序。主要分為了以下情況。

(1)單孔布置。需削坡的巖層較薄，只能沿設計輪廓線布置一個單孔。此時，需在現(xiàn)場根據(jù)地形條件，逐孔量測設計布孔，其基本原則：每個炮孔距側向自由面的距離明顯小于距坡面自由面距離。再按各孔實際負擔的破巖體積計算該孔所用炸藥量；起爆順序從最靠近側向自由面的炮孔(1號孔)開始，沿設計輪廓線逐孔順序起爆，見圖6所示。

圖6 單孔布置與起爆順序Fig. 6 Single hole arrangement and initiation sequence

(2)兩孔一排。此時，里面孔布置在開挖設計輪廓線上，另一個孔則為坡面邊緣孔，按前述單孔布置要求布置。起爆順序：逐排先里面后外面，逐孔起爆，見圖7所示。

圖7 一排兩孔炮孔布置與起爆順序Fig. 7 Arrangement and initiation sequence of blast holes in a row with two holes

(3)三孔一排及多孔多排爆破。仍按前述要求先布置最里面的輪廓孔和最外面的坡面邊緣孔，其他孔則布置這兩孔之間。此時已趨普通正常臺階爆破，為了確保預設拋擲向側面飛行，且坡面邊緣孔承擔的破巖體成為其他主炮孔爆破的擋墻，起爆順序采取先中間、再里邊，后坡面邊緣孔，再回到后一排的中間，再次重復。即最后起爆坡面邊緣孔的逐孔逐排順序起爆，見圖8所示。尤其當側面工作平臺寬度較大時，就和普通臺階爆破一致，但仍應堅守最邊緣孔單獨設計，確保其朝向側向自由面的距離明顯小于坡面方向的自由面距離，且最后起爆，使該部分巖體未爆前成為其他主爆破的飛石擋墻。

圖8 一排三孔或多孔炮孔布置與起爆順序Fig. 8 Arrangement and initiation sequence of a row of three-hole or multi-hole blastholes

4 爆破效果

根據(jù)優(yōu)化的控制飛石方向爆破設計方案，現(xiàn)場技術人員對削坡爆破的炮孔布置與工人提前交底，依實際地形做相應變化，并在連接起爆網(wǎng)路時嚴格按照方案執(zhí)行。

采取了上述措施有效地控制了209國道恩施龍鳳壩至譚家壩段公路擴寬山體削坡爆破飛石對坡面山下廠房和民宅的危害，大大減少了工程的賠付，有效地杜絕了民事糾紛。此外，為加快施工進度，在邊坡沿線布置多個工作面，使得鉆孔、裝藥、爆破、出渣等作業(yè)可相互交叉、互不干擾，工程得以順利加速進行，并提前完成了全部削坡爆破工程。

5 結論

通過本工程的實踐探索發(fā)現(xiàn)，對山體削坡巖層較薄的爆破，存在爆破飛石的危害，采取相應的措施可以有效的控制爆破飛石向坡面正向的飛行，主要結論如下：

(1)喀斯特地貌的石灰?guī)r山體削坡爆破僅采用松動爆破方法來完全控制爆破飛石很難做到，而預估爆破可能出現(xiàn)飛石，采取措施將可能的飛石引導向安全地點的方法，更加安全可靠和易于實現(xiàn)。

(2)遵循最小抵抗線原理，在相對安全方向開辟出新的自由面，布孔中使該方向的最小抵抗線相較其他方向更小一些，可將可能出現(xiàn)爆破飛石導向指定方向拋出，以實現(xiàn)對保護目標的保護。

(3)多孔爆破應逐孔考慮各孔在爆破中的實際最小抵抗線方向，使其或指向預設方向，或設置能阻斷其向保護目標的飛行的屏障。

(4)逐孔起爆有利于減小可能出現(xiàn)爆破飛石的飛行距離。

(5)坡面邊緣孔應依據(jù)現(xiàn)場情況做獨立設計，嚴格執(zhí)行側向最小抵抗線明顯小于坡面最小抵抗線。

(6)坡面邊緣孔在同排中最后起爆，所負擔爆破巖體在未爆前就是其他孔爆破的安全屏障。