高速公路路基石方爆破技術探討

謝博松 楊許強 張文

海南省爆破技術工程院 海南海口 570206

摘要：爆破技術是加快施工進度和保證施工質量的有效措施，并在公路石方路基施工中的應用廣泛。本以海南海屯高速公路工程為例，對高速公路路基石方爆破技術進行了闡述，可為相類似的工程提供參考借鑒。

關鍵詞：公路工程；路基；爆破；施工質量；進度；穩定性

我國地勢條件不一，道路施工條件愈發復雜，由于許多自然條件的阻礙和制約，導致工程進展緩慢且可能會導致質量下降。因此，在這樣地質條件復雜的地方進行公路施工，為了保證施工的效率、質量以及進度，采用的最常用的方法就是爆破。本文通過工程實例，從結硐室爆破技術、深孔爆破技術以及路塹邊坡控制爆破技術三方面對公路路基石方爆破技術進行了詳細論述。

1 高速公路工程爆破技術

隨著交通基礎設施建設規模的不斷擴大，高速公路石方爆破技術迎來了重要的發展機遇。王鴻渠創建了“多邊界石方爆破理論”，建立了一整套因地制宜的公路石方綜合爆破方法。20世紀90年代以來，隨著高速公路建設規模的不斷發展，深孔爆破、預裂爆破、光面爆破技術等在公路工程中得到越來越廣泛的應用，進一步豐富和發展了高速公路石方開挖的技術手段。

1.1 硐室爆破技術

1.1.1 多邊界石方爆破理論與技術

多邊界石方爆破理論與系列技術，是北京工業大學與我國公路部門合作研究建立的，專門用來開挖山包、山梁路基和線路通過雞爪地形發育地段的一套有效的爆破設計方法。

多邊界藥量計算公式是多邊界石方爆破體系的核心。基于機械能守恒、功能平衡原理以及量綱分析結果，并輔之以適當假設，王鴻渠建立了具有獨創性的多邊界藥量計算公式：

Q=KW3F（E，α）=KW3φ（E）f（α） （1）

式中：E為拋擲率（或拋坍率）（%）；F（E，α）為藥包性質指數；α為自然地面坡度（°）；φ（E）為拋擲率的函數。

在新建山區公路中，所遇到的多面臨空地形多半是山脈的側面、受地質作用和表面徑流作用形成的突出山包、山峰支脈、與路線相交的沖溝地形，以及路線通過的波浪起伏的峽谷或雞爪地形發育地段。多面臨空地形的路塹，按其長度以及路基中心開挖深度的不同，可分為小、短、長、深4種類型。多面臨空地形爆破理論和設計方法是專門用來開挖該4類地形路基石方的施工方法，其中最具代表性的成果當數“三多爆破法”，即在深挖路塹中采用多層、多次起爆的多面臨空地形爆破，使深挖路塹一次爆破成型。

多邊界石方爆破體系的主要特點為：藥包的爆破作用同時考慮了各類地形條件的變化；爆破理論以炸藥提供的動能和介質中潛在的位能共同作用為基礎，消除不同地形下的多余爆能以及過多的炸藥用量；建立了因地制宜并與各類地形邊界條件相適應的爆破設計方法；藥量計算公式中包含了地形邊界條件與爆破效果，即建立了炸藥量、地形邊界條件和拋擲率三者的關系。

1.1.2 條形藥包硐室爆破技術

山區高速公路工程建設，大量石方必須采用爆破方法開挖。提高爆后邊坡質量、確保邊坡穩定，對于降低工程成本、保障運營安全具有十分重要的意義；同時，也對高速公路石方爆破技術提出了新的更高要求。

硐室爆破具有施工簡單、工期短、成本低等優點，其缺點是大塊率較高，且易損壞邊坡。為了充分發揮其優點、克服其缺點，硐室爆破的裝藥結構由以集中藥包為主逐步發展到以條形藥包為主。條形藥包與集中藥包相比最顯著的特點是能量分布均勻，相對減少大塊和過度粉碎，爆破振動有害效應小，對邊坡破壞較輕，側向飛散少，且有利于拋體堆積和集中。

條形藥室硐室爆破通用藥量計算公式：

Q=f（n）KW2L （2）

式中：Q為藥包裝藥量（kg）；K為條形藥包標準單位炸藥消耗量（kg/m3）；W為藥包最小抵抗線（m）；f（n）為爆破作用指數函數，在W≤25m時，如n≤1，一般f（n）=0.5（1+n2）。

近年來，高速公路石方路塹設計，對邊坡質量提出了更高要求，大多明確提出不允許進行硐室爆破施工。硐室加預裂一次成型綜合爆破技術很好地解決了這一問題。

所謂硐室加預裂一次成型爆破技術，是在路塹主體石方爆破部位采用集中或條形藥包爆破，路塹邊坡采用預裂爆破；在硐室藥包作用比較薄弱的部位，根據具體情況可適當布置深孔以改善破碎質量。該項綜合爆破技術充分利用了硐室、深孔、預裂爆破的各自優點，一次起爆分段延時，使路塹開挖按設計要求一次成型。工程實踐表明，硐室加預裂一次成型爆破技術在公路尤其是高等級公路路基石方開挖施工中將有廣闊的發展前景。

1.2 深孔爆破技術

隨著深孔鉆機和裝運設備的不斷改進、控制爆破技術的不斷完善和爆破器材的發展，深孔爆破在改善和控制爆破質量、實現石方機械化作業和快速施工等方面的優越性越來越明顯，并已成為高速公路石方爆破的首選作業方式。深孔爆破技術及其發展主要體現在3個方面，即布孔方式、裝藥結構和起爆方式。

1）鉆孔布置主要體現在寬孔距、小抵抗線爆破技術。該技術是在保持炮孔負擔面積不變的前提下，加大孔距、減小抵抗線，即增大炮孔密集系數的一種爆破技術。研究和實踐表明，該項技術對于改善爆破質量、降低炸藥單耗、增大延米爆破量等具有優勢。

2）裝藥結構一般采用連續裝藥結構和分段裝藥結構，而混合裝藥結構和孔底間隔裝藥結構則是深孔爆破技術的進展。所謂混合裝藥結構，系指在炮孔內通過自動裝藥技術改變炸藥密度，或者在孔底裝高威力炸藥、上部裝普通炸藥；所謂孔底間隔裝藥結構，系指在炮孔底部留出一段長度不裝藥，以空氣、水或柔性介質為間隔介質，以此來改變炸藥的爆炸作用，控制爆破對周圍巖石的過度破碎。

3）起爆方式主要體現在毫秒爆破技術的廣泛應用。所謂毫秒爆破，系指相鄰孔間、排間或孔內以毫秒級時間延期順序起爆的爆破技術。首先，采用毫秒爆破技術，由于應力波的疊加作用，加強了爆炸應力場的做功能力；其次，先爆炮孔形成的爆破漏斗和漏斗外的微裂隙對后爆炮孔而言，相當于新增加了臨空面；再次，當前一響炮孔起爆、破碎巖塊尚未落地時，后續炮孔起爆，巖塊在空中相遇并相互碰撞，產生了補充破碎作用。由于毫秒爆破顯著減少了單響藥量，因此無論在時間上還是在空間上都降低了爆破振動的有害影響，同時顯著改善了爆破破巖效果，因而在路基石方爆破工程中得到廣泛應用。

1.3 路塹邊坡控制爆破技術

獲得平整、順直、穩定并與設計輪廓基本吻合的邊坡，對于路基工程具有特別重要的意義。路塹邊坡控制爆破，即是一種控制設計開挖輪廓成型的爆破技術，其特點是通過采取減少裝藥、均勻布藥的措施使開挖邊界之外的巖體中的應力和破裂減至最低程度。預裂爆破和光面爆破技術是目前控制輪廓質量最常用也是最有效的方法。

1）預裂爆破預裂爆破是在主炮孔爆破之前先起爆布置在開挖線的預裂孔，爆破的結果是在相鄰孔之間形成裂縫，整個預裂孔的布孔平面形成一個斷裂面，以減弱主爆孔爆破時地震波向邊坡巖體的傳播并阻斷向邊坡外發展的裂隙。采用預裂爆破，由于在開挖區和保留區之間預先形成一條裂縫，主爆區爆破的應力波傳到預裂縫時將被反射掉一部分，使透射到保留巖體中的應力波強度減小，從而達到減振的目的。另外，預裂縫切斷了爆區傳來的裂縫，避免其伸入保留巖體內，使其不被破壞。

2）光面爆破光面爆破是沿設計開挖邊界布設密集炮孔，采用不耦合裝藥或裝填低威力炸藥，在主爆區爆破之后起爆的，以形成平整開挖輪廓的爆破作業。光面爆破的特點在完整巖體中表現得十分明顯，爆破后形成的開挖面光潔平整，非常美觀，并且爆破裂隙不發育。但是，在軟巖中，特別是在一些不均勻的巖體和構造發育的巖體中采用光面爆破時，從表面上看效果不明顯，有時甚至連一個炮孔的痕跡也看不到。但是，在破碎巖體中進行光面爆破時，它在減輕圍巖破壞、減少超挖等方面作用不可忽視。

2 應用研究

2.1 工程概況

海屯高速公路工程路線全長72.3837公里，起點至丘海互通5.78公里（含丘海互通）由海口市按城市道路建設；丘海互通至終點段66.6037公里，采用高速公路標準，雙向四車道，路基寬26米。擬建高速公路沿線山體自然狀態下基本穩定，大部分巖石質地堅硬，風化程度較大。爆破巖石主要為花巖石，表層巖石風化嚴重，節理裂隙比較發育。部分爆破施工區域需采取有效的防治措施，以確保周圍設施、各類建（構）筑物以及既有交通線安全。

2.2 路基爆破方案設計

2.2.1 爆破設計方案

根據開挖路段的設計資料、周邊環境以及工程地質條件，確定如下控制爆破方案。

1）采用深孔松動爆破方案，根據路基設計臺階形式，逐層爆破開挖，典型炮孔布置如圖1所示；同時嚴格控制炮孔堵塞長度及裝藥量，將爆破飛石距離控制在一定范圍內。

圖1 K23+550橫斷面炮孔布置

2）采用數碼電子雷管，實現逐孔（或逐排）精確延期控制爆破；對于孔深超過10m的炮孔，采用孔內與孔外延時相結合，控制爆破振動對路塹邊坡穩定性的影響。

3）基于地形地質條件，選擇合理的裝藥結構，即適度加大孔底藥量、分層裝藥、分層堵塞等，在嚴格控制爆破振動和飛石的前提下，改善爆破破巖效果。

4）臨近設計路塹路塹邊坡，采用緩沖爆破技術，通過控制孔網參數和單孔裝藥量，最大限度地減緩主炮孔爆破對路塹邊坡的破壞。

2.2.2 深孔爆破參數選擇

1）孔徑Φ采用潛孔鉆機，孔徑Φ取90～110mm。

2）孔深L根據路塹開挖深度h和超鉆深度確定，一般開挖深度h為5～10m。鉆孔設計時，根據路塹臺階高度確定；臨近路塹路塹邊坡，兼顧路塹邊坡設計、控制巖體損傷來布置鉆孔。

3）孔網參數結合現場地形、地質條件，設計最小抵抗線W=2.5～3.0m，孔距a=3.0～4.0m，排距b=2.5～3.5m。

4）堵塞長度根據巖石性質和周邊環境，堵塞長度ΔH控制在（0.8～1.2）W，同時加強炮孔堵塞質量。

2.2.3 藥量計算

根據能量守恒原理和巖體爆破作用特性，多邊界條件下深孔爆破裝藥量計算公式：

Q=KF（E，α）·aWh （3）

式中：E為拋擲率（%）；F（E，α）為藥包性質指數，其中α為地形坡度（°）；K為單位炸藥消耗量，取K=0.35～0.40kg/m3。采用拋坍控制爆破，基于多邊界藥量計算公式、巖體性質以及現場試爆，計算得到不同孔深主炮孔藥量如表1所示。

表1 深孔爆破裝藥量計算

2.2.4 逐孔精確延時起爆技術

基于路基爆破開挖工程的環境條件以及類似工程研究成果，采用電子雷管起爆技術，設計孔間延期時間為10ms；排間根據鉆孔布置，由外側向路塹邊坡延期時間50～125ms。

2.3 振動監測與分析

路基開挖爆破振動監測點布置如圖2所示，振動速度與頻譜分析如圖3所示，下臺階爆破時沿路塹上邊坡質點峰值振速傳播規律如圖4所示。

圖2 下臺階爆破開挖測點布置示意

圖3 下臺階爆破測點1振動速度波形

圖4 下臺階爆破沿路塹邊坡測點振速衰減

根據圖3，4分析可知，臨近邊坡的測點1（距離爆源21m）振動速度最大，達到29.8cm/s，主振頻域40Hz左右；隨著距離爆源的增加，質點峰值振速衰減緩慢。圖4中測點2峰值速度異常（偏小），可能與現場埋設傳感器位置有關，但是總體速度峰值衰減規律趨近實際。

根據監測結果，參照相關爆破振動控制標準，可以推斷路塹邊坡巖體局部雖有輕微拉裂破壞現象，但不會影響邊坡整體的穩定性。

3 結語

總之，在高速公路建設工程中，經常會遇到石方爆破作業，這是一項關鍵性的作業，因為石方爆破的質量直接制約著工程的進度，合理的爆破方案、嚴格的過程控制、專業的爆破隊伍是保證爆破質量和安全的關鍵。因此，在對路基石方爆破施工的過程中，管理人員一定要提升管理意識，做好協調與統籌，對于施工中遇到問題需要及時加以妥善處理，并保證其平整度達到規范要求，避免影響填方路基的壓實效果，造成路基成型后的不均勻沉降、邊坡的垮塌等后果，從而進一步提升工程施工的效率。

參考文獻：

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