水壓預裂爆破新技術在硅質巖路塹施工中的應用

齊 超

（中鐵第一勘察設計院集團有限公司，陜西 西安 710043）

近年來，我國黔、滇、桂地區高速鐵路、公路的建設進入快速發展期，在建工程數量較多，受區域地形、地質條件影響，造成路基石方工程施工數量大大增加，在石方工程施工過程中，選用合理的爆破方案是優質、高效施工的關鍵，硅質巖地質構造特殊，采用傳統的爆破方法，鉆爆開挖后坡面不平整，超欠挖現象嚴重，且對坡面巖層爆破擾動較大，安全隱患高，因此，如何利用現代爆破技術達到經濟、優質、高效施工，是亟待解決的難題，本文以資興高速公路硅質巖施工實例，對新的水壓預裂爆破技術進行了探討。

1 工程概況

1.1 設計概況

廣西資源至興安高速公路起自桂林市資源縣梅溪鄉，終至桂林市興安縣嚴關鎮，路線全長82.656公里，全線共計橋梁74座，隧道9座，橋隧占路線比例為 36.1%，高填深挖路基段落較多，其中硅質巖路基主要位于廣西自治區桂林市資源縣天門村單面山，自然山坡橫坡較陡（約1:2），該段落不僅挖方施工困難，為增加填方穩定性，設計還采用了齒墻加填碎石臺階處理（見圖1），在國內工程實例中應用較為罕見，齒墻的基礎開挖也涉及硅質巖挖方施工，范圍小、數量大，更增加了施工難度，總計挖方量約為24.889×104m3。

1.2 地層巖性

元古界震旦系硅質巖（ZbdnSi），地表出露，青灰色，礦物成份以蛋白石、石英為主，巖體較破碎，巖質堅硬，節理裂隙以張開為主，中風化，巖芯呈柱狀。巖層產狀：298°∠25°。RQD為 61，為較差巖石。VI級堅石，fa0=2000Kpa，C=120Kpa，ф=50°。位于資新斷裂帶，斷層產狀294°∠25°，為低角度正斷層。

1.3 現場施工狀況及采用水壓預裂爆破施工方法的原因

K20+200～K27+288段單面山硅質巖路塹于2014年底開始施工，由于工點位于資興斷裂帶，受斷裂影響，該處硅質巖節理發育，巖質極為堅硬，通過外委檢測對硅質巖物理性質進行檢測，檢測其抗壓強度為188.9MPa（圖2），遠超普通VI級堅石標準，屬于極硬巖，邊坡開挖面與巖層層里面傾斜相同，屬順層邊坡，常規爆破施工對爆破部位上部的巖體擾動大，容易造成上部巖層整體順節理面滑塌，引發工程事故，且爆破效果不理想，坡面不平順，見圖 3。現場根據設計文件及施工規范，對爆破施工參數進行了多次調整，結果仍然達不到設計要求，鑒于施工極為困難，特邀請國內著名爆破專家何廣沂教授對硅質板巖爆破方法進行現場指導，專家建議使用隧道常用的水壓爆破開挖的方法，可以有效減小對非爆破巖體的破壞，后經現場爆破試驗，最終確定了將水壓爆破與預裂爆破相結合的施工方法。

2 水壓預裂爆破工作原理與確定爆破參數

2.1 工作原理

預裂水壓爆破是在預裂爆破原理的基礎上，采用水壓爆破的裝藥結構，在炮眼相應位置注入一定量的水，用炮泥回填堵塞，利用水不可壓縮的特點，無損失傳遞炸藥爆破能量，通過水和炮泥復合堵塞，有效利用爆破膨脹氣體作用，并通過預裂孔預先沿設計輪廓線爆出一條具有一定寬度的貫穿裂縫，減輕邊坡巖體在主爆區爆破時受到的破壞，從而獲得較為平整的邊坡輪廓。

2.2 爆破參數確定

選擇正確的爆破參數是取得良好爆破效果的保證，預裂水壓爆破的爆破參數沒有既有的經驗可循，由于此種方法是基于預裂爆破的原理，采用水壓爆破的裝藥結構，因此爆破參數的選擇參照預裂爆破選取，經現場試驗后得到。

2.2.1 預裂孔徑（d）

預裂孔孔徑應結合施工機械及現場實際使用的炸藥藥卷直徑進行選擇，本項目使用的炸藥藥卷的直徑為φ70mm、φ32mm，選取d=90mm。

2.2.2 預裂孔孔距（a）

一般預裂孔孔距a=(8～12)d。根據硅質巖巖質堅硬，巖體較破碎的巖性，施工現場試驗了600mm、800mm、1000mm三個孔距參數，通過試驗對比，a取較小值，即a=8xd=8x90mm=720mm(實際取800mm)。現場取得的預裂爆破效果較好。

2.2.3 預裂孔與主爆孔間距

合理的預裂孔與主爆孔間距可以有效控制應力波的爆破范圍，以防爆破后主爆孔與預裂孔間的巖石不能充分破壞，產生根底。根據以往經驗，現場試驗了1m、1.2m、1.5m三種間距，最終取值1.5m。

2.2.3 預裂爆破炮孔布置

預裂孔采用“一字型”布孔，主炮孔采用矩形布孔，由于使用水壓爆破的裝藥結構，可以有效減少主爆孔對預裂孔的破壞，因此，不設置緩沖孔。

2.2.4 裝藥結構

根據水壓爆破的裝藥結構，首先往炮眼最底部裝填一節 30cm水袋，隨之在底部裝填一節φ70mm加強藥卷，然后按常規預裂爆破裝藥結構間隔裝填三節φ32mm普通藥卷，用竹條串成藥串，再往炮眼中裝填2節水袋，最后用炮泥堵塞炮眼口，以孔深4m為例

圖1 水壓預裂爆破裝藥結構圖

2.2.5 裝藥量

根據經驗公式及國內外工程實例，根據硅質巖堅硬程度，選用平均線裝藥密度0.45~0.65kg/m，經現場試驗結果，確定線裝藥密度q=0.6kg/m。

3 經濟優勢分析

3.1 炸藥單耗

水壓預裂爆破裝藥結構與常規預裂爆破基本一致，采用間隔裝藥，但在炮孔底部使用一節水袋代替1節Φ70cm底部加強段炸藥，即1.5kg。

3.2 裝藥時間

按施工步驟進行爆破，每個炮眼裝藥延長3~5分鐘。

水壓預裂爆破與常規預裂爆破相比，具有極其顯著的作用與效果，一是提高炸藥利用率，對比常規預裂爆破節省炸藥 15%至20%，有效降低施工成本，提高了經濟效益，每立方可節省費用3至5元，二是提高巖石破碎度，加快清渣進度，縮短裝渣時間。

4 預裂水壓爆破施工方法

4.1 施工步驟：

硅質巖分為三層開挖，每層厚度為2~4m，六大塊施工，如圖所示，根據現場實際情況可將②③合為一體，④⑤⑥合為一體施工，見圖 2。每次施工縱向距離為10m。開挖采用預裂水壓爆破施工。

圖2 硅質巖開挖步驟圖

4.2 水袋及炮泥制作

水袋及炮泥制作均使用專業設備加工而成，制作簡易，成本低，炮泥按照土：砂：水=0.75:0.09:0.16的比例制作，制作好炮泥放置時間不宜太長，最好在使用前 1～2小時制作好，炮泥應不軟也不硬，軟了搗固時容易擠壓出炮眼口，硬了搗固時不易把炮泥搗固碎，堵塞不堅實。

4.3 裝藥

裝藥前，要仔細檢查炮孔情況，清除孔內積水、雜物，按照爆破參數計算的裝藥量及裝藥結構進行裝藥，為確保能完全起爆，采用孔底起爆技術，即選擇較長的雷管腳線將起爆雷管安放在距孔底較近的位置，減少爆破殘藥的可能性。

4.4 炮眼堵塞

按照裝藥結構裝藥完成后，藥卷距離炮眼口應為 1m以內，然后往炮眼中裝填2節水袋；最后用炮泥堵塞，炮泥采用木制炮棍填塞密實直至孔口。

4.5 爆破網絡及起爆方式

理論分析及工程實踐表明，一排預裂孔相鄰炮孔起爆時差越小，預裂效果越好，通過試爆，預裂孔應超前主爆孔100ms 以上起爆。網路采用塑料防水導爆索，導爆索間用MS-2 段非電毫秒雷管隔開，孔內用MS-15 段非電毫秒雷管起爆，孔間接力用MS-2 段非電毫秒雷管，排間采用MS-5 段非電毫秒雷管控制排間微差。為保證各孔準爆率，每響均采用雙發雷管最后由電雷管起爆。

4.6 成縫效果

爆破后，對預裂縫進行了檢查，預裂成縫作用明顯，可以形成0.1~0.3cm的貫通裂縫。

5 結語

硅質巖屬于不常見工程地質，施工難度大，成本高。由于作用機理與常規預裂爆破相同，水壓預裂爆破技術的施工效果與常規預裂爆破相當，見圖2。但對比常規預裂爆破有效降低了施工成本，經濟效果顯著，因此對于巖質較硬、數量較大的石方工程施工，均具有借鑒作用。