復雜環境下鐵路復線路塹爆破開挖安全控制技術

孫崔源 郭云龍 孟海利 薛里 康永全 劉世波

（中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081）

工程爆破技術已在鐵路、交通、礦山、建筑、水利、國防等領域廣泛應用。工程爆破高效又經濟，但也存在爆破振動等問題。國內外學者從爆破振動和爆破飛散物防護兩方面進行了相關研究。黃昌富［1］在鐵路路塹爆破過程中采用大孔距、小抵抗線、逐孔起爆等技術控制爆破有害效應；趙明生等［2］為了減小近距離保護物處的爆破振動，采用孔內微差與不耦合裝藥相結合方式，控制了爆破振動的影響；王書兵，唐海等［3-4］在復雜環境下采用多層覆蓋防護措施對爆破飛散物進行了主動防護，有效控制了爆破飛散物對周邊民房等保護物的危害。

本文在前人研究的基礎上，根據渝懷二線漾頭車站站改工程的特點，從爆破技術、安全防護措施等方面探討爆破飛散物和爆破振動的控制技術，為類似緊鄰既有線和民房復雜環境下爆破施工提供參考。

1 工程概況

渝懷二線漾頭車站站改工程位于貴州省與湖南省交界處，對應既有渝懷鐵路里程為K554+832—K555+421，全長589 m。該站改工程需對既有渝懷線路基北側進行路基填筑和路塹開挖，其中路基土石方填方量2.7×104m3，土方挖方量4.1×104m3，石方挖方量1.6×104m3。由于土石方開挖量較大，工期緊，故采用爆破開挖方式。爆區周邊環境見圖1。

圖1 爆區周邊環境

現場爆區西側緊鄰鐵路高壓輸電線路和車站站房，東側逐漸并入既有鐵路。現場地形呈斜坡狀，爆區在山坡頂部，坡面朝向既有鐵路和居民民房。根據地勘資料該區域地層中存在軟弱夾層。在復雜地質和不利地形條件下爆破產生的振動和飛石是本工程防控重點。爆破施工時需采用控制爆破技術和安全防護措施，以減小爆破振動和控制爆破飛散物對周邊鐵路設備設施、民房和居民生活的影響。

2 總體開挖方案

從安全、高效、低成本的角度出發，根據本工程的地形地質和周邊環境條件，GB 6722—2014《爆破安全規程》［5］以及TB 10313—2019《鐵路工程爆破振動安全技術規程》［6］中對路基、接觸網、邊坡、涵洞、站房等設備設施振動速度的要求，確定鐵路設備設施爆破振動速度允許值在5.0 cm/s內。

總體開挖方案如下：

1）整體采用預留巖墻精準微振控制爆破技術。距既有鐵路較遠處采用深孔爆破開挖，臺階高10 m；在預留巖墻外6 m范圍內采用淺孔爆破，臺階高3 m，以此確保巖墻高度始終高于主爆區3 m，起到屏障的作用，見圖2。

圖2 不同的爆破方式分布示意

2）預留巖墻采用淺孔松動爆破和機械破碎相結合的方式逐層拆除。在遠離既有線側采用淺孔松動爆破，抵抗線長度為1.0～1.2 m，緊挨既有線側采用機械破碎的方式拆除。

3）依據現有地形和起爆順序，設置爆區拋擲方向背對既有鐵路。根據爆區的位置，嚴格控制爆破炸藥單耗藥量、最大單響藥量和一次爆破規模。深孔區和淺孔區爆破均采用逐孔起爆的方式，最大限度地減少爆破振動對周邊環境的影響。

4）為提升預裂爆破質量，減少爆破開挖對路塹的損傷，采用了新型同心不耦合護壁結構，見圖3。在孔內增加護壁裝置，使用半壁管作為裝藥載體，為偏心柔性材料不耦合護壁結構連續裝藥。炮孔中一側充填泡沫材料，另一側裝填半卷乳化炸藥。

圖3 新型同心不耦合護壁結構示意

5）爆破后大塊巖石采用機械破碎，既要保證施工安全，又要有利于挖裝作業的連續進行，提高裝車出渣效率。

6）爆破施工在鐵路維修天窗內進行，根據位置的不同選取多元立體化綜合防護措施，對爆破分散物進行防護，避免飛散物對既有鐵路運營安全和鄰近居民生產生活產生影響。

3 爆破方案

3.1 爆破參數

秉承精細爆破設計理念，結合不同區域斷面特點及其與既有鐵路的位置關系，將爆破區域分為6個分區（圖4），以便針對性地采取爆破方法。

圖4 爆區精細劃分

各分區典型剖面如圖5所示。

圖5 各爆區典型剖面示意

深孔爆破炮孔直徑90 mm，經現場試驗確定炸藥單耗取0.35 kg/m3，炮孔深度8～10 m；淺孔松動爆破和常規淺孔爆破的炮孔直徑均為42 mm，炸藥單耗分別為0.30，0.40 kg/m3，炮孔深度2.5～2.7 m。為減少爆破飛石，深孔爆破分層裝藥。路塹邊坡處采用預裂爆破，預裂炮孔直徑90 mm，采用新型同心不耦合護壁裝藥結構。不同方式的爆破參數見表1。

表1 不同方式的爆破參數

3.2 起爆網絡

文獻［7-10］研究發現：多排孔爆破時炮孔內采用高段雷管，孔外采用低段雷管，可有效控制爆破振動波的疊加，進而減小爆破振動。根據現場實際情況，淺孔爆破和深孔爆破孔內均使用MS12段導爆管雷管連接，孔間使用MS3段導爆管雷管連接，排間使用MS5段導爆管雷管連接。預裂爆破采用導爆索串聯，預裂炮孔采用新型護壁裝藥結構，以減弱爆破對預留巖體的影響。起爆網絡連接如圖6所示。

圖6 起爆網絡連接示意

4 爆破有害效應控制

4.1 爆破振動驗算

對爆破振動進行安全距離計算，校核爆破設計的裝藥量，控制一次最大單響藥量，盡量減弱振動效應，確保爆區四周建（構）筑物和設施的安全。

按照GB 6722—2014中薩道夫斯基經驗公式進行計算。

式中：V為最大安全振動速度，cm/s；Q為允許最大單響藥量，kg；R為爆區到保護物的距離，m；K，α均為與地質條件有關的系數。

根據現場地質條件，中硬巖石按K=150，α=1.7取值，計算振動速度5.0 cm/s時不同距離允許最大單響藥量，計算結果見表2。

表2 爆區距既有線不同距離的允許最大單響藥量

根據爆破方案，距既有鐵路近的區段采用淺孔松動爆破，最大單孔藥量為0.7 kg；次近區為常規淺孔爆破，最大單孔藥量為1.3 kg；遠區為深孔爆破，最大單孔藥量為27.6 kg。通過優化起爆網絡，調整單響藥量，孔內分層裝藥，可以滿足振動速度限值的要求。

4.2 飛石飛散距離驗算

根據Lundborg的統計規律法，結合工程實踐經驗，炮孔爆破飛石飛散距離可采用下式［11］計算。

式中：Kf為與爆破方式、填塞長度、地形和地質條件有關的系數，取值范圍 1.0～1.5；q為炸藥單耗，kg/m3；d為炮孔直徑，mm。

不同爆破方式下炮孔爆破飛石飛散距離計算結果見表3。

表3 不同爆破方式下飛石飛散距離計算結果

爆區處于既有鐵路旁，附近還有重要公共設施，必須把飛石控制在安全范圍。在爆破設計及施工過程中，采取的主要措施包括：①合理確定抵抗線大小，避免臨空面指向鐵路；②嚴格控制炸藥單耗和裝藥結構；③選擇黃黏土和石粉作為填塞材料，保證堵塞長度；④爆區表面覆蓋防護，覆蓋材料一般選擇強度高、質量大、韌性好的材料；⑤在爆區和鐵路之間搭設鋼管排架和防護網，高度不得低于6 m。

5 爆破安全與防護

5.1 飛散物防護

1）被動防護網

保證填塞長度和質量的同時，在鄰近既有鐵路一側布設密目布魯克防護網，防止飛散物侵入既有鐵路，影響既有鐵路運營安全。

2）孔口炮被

爆區炮孔表面覆蓋炮被和鋼絲網（圖7），可大大減小飛石的初始速度和飛散距離，避免跳躍現象。

圖7 爆區炮孔表面覆蓋防護

5.2 滾石防護

本段石方開挖均在既有鐵路的路塹邊坡旁進行。由于既有鐵路的邊坡受到以前爆破開挖的影響已有一定損傷，為了防止爆破振動引起鐵路側邊坡巖石開裂滑落，采用柔性和剛性相結合的防護方式。

1）密目主動防護網［12］。用錨桿將密目主動防護網固定在所需防護坡面，以限制坡面巖石滾動，并將滾石控制于一定范圍內。該措施屬于柔性防護，能使局部集中荷載向四周均勻傳遞，發揮整個系統的防護能力，即局部受載、整體作用，從而能承受較大的荷載并降低單根錨桿錨固力。

2）攔石排架［13］。在預留巖墻坡腳處架設攔石排架（圖8），每隔10 m用鋼管架和地錨將竹排固定在坡腳邊的巖體上，地錨深度不小于1.5 m。鋼管采用φ50 mm無縫鋼管，豎向鋼管間距1.0 m，橫向鋼管間距1.0 m。縱橫鋼管交叉采用扣件聯接，在鋼管靠線路側滿鋪竹排封閉。豎向鋼管植入巖層厚度不小于1 m，整個排架每隔1.5 m加設1根斜撐，以保證排架的穩定性。

圖8 攔石排架

3）考慮到鐵路上可能存在薄弱設備，如接觸網支柱，需要對其專項防護。接觸網支柱一旦破壞，整個線路將處于斷電癱瘓狀態。其防護方法：首先在接觸網支柱臨近爆區側埋設工字鋼墻，墻寬為2.0 m，高為3.5 m，底部埋深1.0 m，中間焊接橫撐和斜撐；然后在正對爆區側碼設砂包，起緩沖作用；工字鋼墻與接觸網支柱之間加掛廢舊輪胎，預防工字鋼墻傾倒直接撞擊接觸網支柱。

6 結論

渝懷二線漾頭車站站改工程環境復雜，安全標準要求嚴格。爆破施工時既要保證既有鐵路安全運營和周邊居民安全，又要保證施工進度。主要采取以下爆破和防護措施：

1）通過精細化爆破設計，將爆區精細劃分為6個分區，根據每個分區與保護對象的位置關系，采用了不同的爆破方式，有效控制了爆破振動對保護對象的影響。

2）在鄰近既有線側，預留一定高度的巖墻，起到一定安全防護效果。預留巖墻采用淺孔松動爆破結合機械開挖的方式快速拆除。

3）路塹邊坡側采用了新型護壁裝藥結構，有效減小了炸藥爆炸對邊坡巖石的損傷，邊坡一次成型效果良好。

4）通過優化爆破網絡，實現了逐孔起爆，控制了最大單響藥量，降低了爆破振動。

5）針對不利地形地質條件，采用小規模淺孔爆破和機械作業的方式改變臨空面方向，使其背離保護對象。對炮孔采用專用細沙進行填塞，同時采用多元立體防護措施，有效控制了爆破飛石對既有鐵路和周邊居民的影響。

經實施，高效安全完成施工計劃，爆破振動速度未超過限值，鐵路設備正常運行，未出現損壞現象。爆破飛石未侵入鐵路界限內，同時保證了爆破開挖進度。本工程措施可為類似緊鄰既有鐵路和居民區的復雜環境爆破施工提供參考。