正交臨近既有鐵路高邊坡的高鐵路塹爆破

李新繼,胡青松

(1.西成鐵路客運專線四川有限公司,成都610036;2.四川路橋橋梁工程公司,成都610031)

近年來隨著高鐵建設(shè)的飛速發(fā)展,臨近既有鐵路新建高鐵線路的工程建設(shè)項目越來越多,特別是臨近既有鐵路的高鐵路塹、隧道的土石方開挖爆破施工對既有鐵路的安全影響突顯。在保證新鐵路線工程建設(shè)穩(wěn)步推進的同時,如何確保既有鐵路的運營安全,日益受到重視。目前國內(nèi)在臨近既有鐵路的土石方工程、隧道工程施工對既有鐵路的安全影響及防護措施方面研究較多。林發(fā)展[1]對上跨既有鐵路的隧道爆破施工進行了振動測試與擬合分析,佐證了賦存臨空面對減小爆破振動效應(yīng)的有利影響;葉宗毅[2]提出在繁忙的運營鐵路線復(fù)雜環(huán)境條件下如何采用安全防護措施,高效進行施工作業(yè)。按照鐵路安全管理條例[3]、鐵路營業(yè)線施工安全管理辦法[4]、爆破安全規(guī)程[5]的有關(guān)規(guī)定,在既有運營鐵路周邊進行爆破作業(yè)時,需對爆破施工方案進行一系列審查和報批,分級進行安全監(jiān)管,由鐵路部門配合施工和安全管理。臨近既有鐵路爆破施工效率高,但存在一定的危害效應(yīng),而石方靜態(tài)破碎配合機械開挖對既有鐵路的安全影響小,但工效低下。如何解決或平衡這一工程建設(shè)過程中的實際問題,成為燃眉之急。目前對臨近既有鐵路的爆破施工有害效應(yīng)和極限短距離優(yōu)化方案鮮有研究,本文介紹了基于西成高鐵劍門關(guān)車站路塹開挖正交臨近既有寶成鐵路的工程實踐,從保證既有鐵路正常安全運營的角度出發(fā),對爆破方案設(shè)計、施工防護措施等方面進行的研究和分析,闡述了對路塹施工方案進一步優(yōu)化的設(shè)想和見解。

1 工程概況

新建西成高鐵劍門關(guān)車站,D3K424+649.9～+860段為深路塹土石方開挖工程,全長210.1 m,線路走向與既有寶成鐵路線垂直交叉(通過橋梁上跨正交),該段路塹臨近既有寶成鐵路沙溪壩至竹園壩區(qū)間ZK387+120-ZK387+320下行線區(qū)段,小里程處于既有鐵路左側(cè)山坡上接橋梁臺尾,開挖邊界距既有鐵路最近水平距離為13.27 m,高差31.12 m。路塹開挖與既有鐵路位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 路塹與既有鐵路關(guān)系Fig.1 Relation of road cutting and existing railway

1)地質(zhì)情況。地層從上至下分別為粉質(zhì)黏土、碎石土、泥巖夾砂巖。砂巖主要為細～中粒結(jié)構(gòu),中厚～厚層狀,鈣質(zhì)膠結(jié),巖質(zhì)堅硬,節(jié)理發(fā)育,多屬Ⅳ級軟石。

2)施工分2個區(qū)。D3K424+649.9～+720段采用靜態(tài)破碎加機械開挖,方量為4.9萬m3;D3K424+720～+860段采用淺孔爆破開挖,方量為9.5萬m3。爆破距既有鐵路最近水平距離70 m,距附近民房133 m,距石油管道80 m(見圖2)。

圖2 施工區(qū)域環(huán)境Fig.2 Environmental of the construction area

2 爆破方案

2.1 深路塹開挖

根據(jù)工程環(huán)境特點和巖石地質(zhì)情況,確定在距寶成線70 m范圍外路塹開挖,采用露天淺孔小臺階延時松動控制爆破方案;70 m范圍內(nèi)采用靜態(tài)破碎與機械配合開挖。靜態(tài)破碎機械開挖從緊鄰寶成鐵路邊坡頂部向大里程成都方向開挖;淺孔爆破從遠離寶成線的大里程向小里程方向開挖,即爆破主臨空面朝向成都方向。為防止爆破飛石、爆破地震波等對既有鐵路電力、信號、通信網(wǎng)路等設(shè)施造成破壞,根據(jù)路塹橫向較寬的情況,采用分區(qū)爆破方式,即“中間縱向預(yù)留隔墻臺階爆破法”進行開挖。沿線路縱向中間預(yù)留隔墻3～6 m寬,隨著兩側(cè)爆破開挖后臺階的降低再對隔墻進行爆破,由兩側(cè)向中部采用排間延時起爆。路塹主爆破區(qū)臺階高度2～3 m,采用逐排延時起爆網(wǎng)路。為保證路塹基面巖石的完整性,開挖臨近基面小于1.0 m時,采用小孔徑密集鉆孔,小藥量延時爆破,遇到巖石比較破碎松軟時,用人工撬挖或挖掘機振動錘破碎等方法。路塹兩側(cè)邊坡進行預(yù)裂爆破,保證路塹邊坡坡面平整,坡度一致。爆體頂部采用重型主動防護網(wǎng)或炮被覆蓋,在既有鐵路方向一側(cè)采用移動式簡易防護排架等防止爆破飛石。

2.2 爆破參數(shù)

1)爆破順序和臺階布設(shè)。由大里程向小里程,由上至下逐層爆破開挖,邊坡采用預(yù)裂爆破技術(shù),沿邊坡線按設(shè)計坡度斜向鉆孔,預(yù)先爆破開一條裂縫面,然后再爆破主爆體。主爆體采用分層和小臺階爆破開挖,每層2～3 m,每次爆破時起爆6～8排孔,側(cè)向主臨空面指向大里程,采用方形布置炮孔(見圖3),臺階爆破橫斷面如圖4所示。

圖3 炮孔布置(平面)Fig.3 Layout of blast holes(plan)

圖4 臺階爆破橫斷面Fig.4 Bench blasting cross-section

2)孔網(wǎng)參數(shù)及單孔裝藥量。采取縱向多排延時爆破方法,具體孔網(wǎng)參數(shù)及實際單孔裝藥量如表1所示。隔墻孔孔網(wǎng)參數(shù)及裝藥量根據(jù)現(xiàn)場實際隔墻厚度及臨空面等因素適當(dāng)調(diào)整。

表1 淺孔爆破參數(shù)及單孔裝藥量Table 1 Short-hole blasting parameters and amount of charge per hole

根據(jù)淺孔爆破經(jīng)驗和現(xiàn)場試驗情況,炸藥單耗取0.28 kg/m3,主爆體單孔裝藥量按公式Q=Kab H計算[5],其中K為炸藥單耗,kg/m3;a、b為炮孔間距和排距,m;H為臺階高度,m。

邊坡預(yù)裂孔裝藥量按公式Q=q線h計算[6],其中q線為線裝藥量,現(xiàn)場取q線=0.26 kg/m;h為孔深,m。主爆孔采用底部連續(xù)裝藥,填塞長度1.0～1.3 m;預(yù)裂孔采用間隔裝藥,填塞長度0.6～0.8 m。

2.3 起爆網(wǎng)路

按照邊坡孔先起爆,主爆區(qū)炮孔后起爆的起爆順序,主炮孔采用“逐排孔外毫秒延時起爆網(wǎng)路”方式(見圖5)。炮孔內(nèi)均用MS7段雷管。邊坡預(yù)裂孔及第1排孔采用MS1段毫秒雷管引爆;孔外排間用MS2段或MS3段毫秒雷管(延時25 ms或50 ms)逐排引爆,每次同時起爆5～8排炮孔,每排同段最多起爆6個炮孔,最大起爆藥量13.2 kg。

圖5 毫秒延時起爆網(wǎng)路Fig.5 Millsecond dealy initiation network

3 防護措施

臨近既有鐵路路塹爆破,首要考慮的問題是如何控制爆破飛石危害。

3.1 爆破體覆蓋及移動式排架防護

1)在爆破體上覆蓋膠皮炮被或布魯克網(wǎng)加土袋進行防護,且每一次爆破作業(yè)都要覆蓋炮被或布魯克網(wǎng)。當(dāng)網(wǎng)格在10 cm×10 cm以上時,其內(nèi)側(cè)再增加柔性小規(guī)格鋼絲網(wǎng),土袋置于網(wǎng)上炮孔處(見圖6)。

圖6 覆蓋防護斷面Fig.6 Cover protection section

2)采用移動式簡易防護排架。用鋼管和柔性鋼絲網(wǎng)結(jié)合,加工成高5～6 m的排架,爆破時放置在較近的既有鐵路方向一側(cè),距爆區(qū)后排炮孔2.0 m的位置,作為第2道防線,防止爆破飛散物向鐵路方向飛出。

3.2 緊貼高邊坡柔性網(wǎng)加剛性排架組合防護

臨近既有鐵路兩側(cè)200 m安裝柵欄,左側(cè)坡面處設(shè)置柔性和剛性組合防護,即坡面貼合式柔性網(wǎng)加雙層鋼管竹排架組合的防護措施。

1)貼合式柔性網(wǎng)。在坡面鉆孔安裝錨桿,從上向下鋪設(shè)主動防護網(wǎng),先安裝縱橫方向的支撐繩,再安裝主網(wǎng),主網(wǎng)間搭接重疊寬度不小于5 cm,兩張網(wǎng)搭接以及網(wǎng)與支撐繩間用φ1.2 mm鐵絲按1 m間距進行綁扎。

2)雙層鋼管竹排架。為防止石塊滾落、滑動影響既有鐵路行車安全,路塹開挖前,在既有鐵路高邊坡一側(cè)設(shè)雙層鋼管竹排架,對滾落、滑動的石塊進行攔截,作為最后一道防線,其兩側(cè)設(shè)置被動防護網(wǎng)。

鋼管竹排排架長61.2 m,高31.17 m,由φ48 mm鋼管、φ22 mm錨桿、竹排等拼組而成。鋼管豎桿、橫桿間距1.5 m,交叉結(jié)點用錨桿(φ22 mm,長3 m)錨固在邊坡巖體內(nèi),錨桿外露部分與排架鉸接,增加排架穩(wěn)定性,排架的頂部用鋼絲繩(φ12 mm)拉地錨固定。鋼管內(nèi)側(cè)綁扎竹排封閉,形成全封閉雙層鋼管竹排架防護體系。鋼管排架安設(shè)時頂部要超出原地面線2 m,隨著路塹開挖高度的降低適時從上而下拆除(見圖7)。

圖7 坡面防護Fig.7 Slope protection

4 爆破安全校核及探討

由于本工程路塹開挖臨近既有鐵路高邊坡,因此由鐵路部門和專家等對施工方案進行評審和論證后,最終確定在距寶成線70 m范圍內(nèi)的路塹開挖采用靜態(tài)破碎配合機械開挖,70 m范圍外的路塹開挖采用露天淺孔松動控制爆破的方案。其目的是為了最大程度地降低爆破開挖對既有寶成鐵路的安全影響。因此,為了對既有鐵路的保護,進行了爆破振動與爆破飛石的驗證。

4.1 爆破振動效應(yīng)的安全距離驗算

由于路塹爆破區(qū)域周邊有需要保護的民宅、鐵路、石油管道等,因此必須考慮路塹開挖爆破振動的危害效應(yīng),按照《爆破安全規(guī)程》(GB 6722-2014)[5]規(guī)定,采用薩道夫斯基爆破振動速度公式:

式中:v為測點處的質(zhì)點振動速度,cm/s;Q為裝藥量(齊發(fā)爆破時為總藥量,延時爆破時為單段最大裝藥量),kg;R為測點至爆破中心(藥包中心)的直線距離,m;K為與爆破場地條件有關(guān)的衰減系數(shù);α為與地質(zhì)條件有關(guān)的衰減指數(shù)。

根據(jù)爆破區(qū)域為中等硬度的砂巖和村民住宅位于爆破區(qū)域東南方的情況,選取K=200,α=1.5。主爆區(qū)按排間順序延時起爆,同段最多起爆6個炮孔,其最大裝藥量為13.2 kg。將主爆破區(qū)與既有鐵路設(shè)定的最近距離,與民房、石油管道對應(yīng)的不同距離等分別代入式(1)計算,得到需要保護點的最大振動速度值(見表2)。

表2 爆區(qū)不同距離對應(yīng)的爆破振動速度Table 2 Blasting particle vibration velocity for different distance of blasting area

村民房屋、石油管道處的爆破振動速度值均小于《爆破安全規(guī)程》[5]規(guī)定的安全值,經(jīng)綜合考慮確定的安全允許值為2.5、2 cm/s。對于既有鐵路爆破振動速度值,規(guī)程未具體規(guī)定,加之淺孔爆破振動的主頻率與鐵路運行列車引起地面振動的頻率[7](10～100 Hz)范圍基本一致,與重載列車通過時引起的地面振動效應(yīng)相似,爆破振動持續(xù)時間較短,因此綜合考慮,認為振動速度值取5 cm/s較為合適,其值以下不會對鐵路路基和設(shè)備、設(shè)施的安全造成影響。因而在爆區(qū)距既有鐵路最近距離至少為30 m時,爆破振動效應(yīng)對既有鐵路是安全的。由于同段裝藥量13.2 kg分別裝在長度為8 m的6個炮孔內(nèi),其實際爆破地震波效應(yīng)比計算值要更小,因此路塹爆破不會對村民房屋、石油管道、既有鐵路等造成振動危害。

4.2 爆破飛石最小安全距離驗算

采用淺孔小臺階延時松動爆破[6],按爆破飛石計算公式Rf=20Kfn2W計算,其中Rf為爆破飛石距離,m;Kf為與地形、風(fēng)力等有關(guān)的系數(shù)(無風(fēng)時1～1.5,有風(fēng)時1.5～2.0),本次爆破背向鐵路和民房,取小值Kf=1.2;n為爆破作用指數(shù),松動爆破取n=0.7;W為抵抗線,取W=1.2 m。經(jīng)計算,在沒有炮被防護情況下Rf=14.11 m;在爆體上采用炮被及沙袋等防護措施時,爆破飛石可控制在更小范圍內(nèi),因此爆破飛石最小的安全距離取Rf=14 m。保守認為是距高邊坡防護排架的最小距離,由于邊坡頂部邊緣距既有鐵路邊線水平距離13.27 m,最小高差12.18 m,則爆破飛石最小安全距離為29.87 m,取30 m。由此判定爆區(qū)距既有鐵路最小距離為30 m時,爆破飛石安全可控。

綜上所述,實際的路塹開挖方案還有較大的優(yōu)化空間,理想爆破區(qū)邊界距既有鐵路的最小距離為30 m,爆區(qū)縱向長度范圍還可擴大40 m。采用優(yōu)化的爆破方案其石方量增加2.29萬m3,靜態(tài)破碎配合機械開挖的石方量相應(yīng)減少2.29萬m3,工效上將會有極大的提高。按相關(guān)預(yù)算定額計算分析,優(yōu)化方案有望使施工成本節(jié)約500萬元以上。

然而從爆破工程安全驗算的結(jié)果來看,70 m的范圍界線并沒有什么理論依據(jù),只是現(xiàn)階段人們較普遍認為爆破距離越近就越不安全,爆破距離遠則相對安全。由此如何找距離最近和安全的平衡點,或者說進行方案比選以求得爆破方案最優(yōu)化是應(yīng)加以深思和探討的。

基于本方案的施工環(huán)境,在爆破方式采用淺孔小臺階松動控制爆破、爆破體進行覆蓋防護及在既有鐵路高邊坡進行組合式防護措施等均不變的條件下,路塹開挖方案的優(yōu)劣即是采取淺孔臺階爆破的范圍大小差別,在安全的前提下,爆破范圍越大、爆破開挖方量越大、距離既有鐵路越近,則認為方案越優(yōu)。而爆破施工對既有鐵路的安全影響應(yīng)主要考慮爆破振動、爆破飛石等的危害效應(yīng)。

5 結(jié)語

西成高鐵劍門關(guān)站深路塹石方爆破開挖歷時4個月順利完工,施工中未出現(xiàn)安全事故,路塹邊坡順直平整,保證了臨近寶成鐵路的正常安全運行。爆破施工的成功表明,在臨近既有鐵路進行路塹石方開挖時,根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境、地形地質(zhì)條件,距既有鐵路遠近不同,應(yīng)采用針對性的施工方案,區(qū)別不同開挖方向,如橫向分區(qū)、縱向分臺階、豎向分層等。進行合理的爆破參數(shù)設(shè)計和選擇,利用縱向隔墻分區(qū)、采用淺孔小臺階爆破、延時起爆網(wǎng)路等技術(shù),是確保施工效率和既有鐵路運營安全的基礎(chǔ)。

采用安全防護措施是臨近既有鐵路高邊坡路塹開挖爆破施工安全管理的重點。施工時除建立爆破安全組織機構(gòu),配備相應(yīng)的安全防護人員,在既有鐵路外設(shè)置24小時人員值班防守外,還應(yīng)采取在爆破體上覆蓋、高邊坡處設(shè)置柔性網(wǎng)加鋼排架等組合式防護措施,每一次爆破均應(yīng)在列車通過的間隙進行,并且在有效的安全監(jiān)管和現(xiàn)場指揮下進行鉆孔、裝藥、填塞、聯(lián)線、覆蓋、警戒和起爆,繼而巡查、排險、解除警戒,這些均是路塹開挖爆破施工中保證既有鐵路安全運行的有效手段。

臨近既有鐵路路塹爆破施工方式多樣,地形、地質(zhì)、環(huán)境等條件各異,具體施工方案的提出和確定,需要根據(jù)現(xiàn)場情況,鐵路營業(yè)線施工安全管理的有關(guān)規(guī)定[3-4]等不斷比較和完善,文中闡述的爆破開挖方案仍有進一步優(yōu)化的空間,供同行在類似工程實踐、安全管理等方面予以借鑒和參考。