溶洞對巖質邊坡爆破開挖的影響研究

黃倫勝

（四川省國土空間生態修復與地質災害防治研究院，成都 610084）

0 引言

在喀斯特地區開展爆破施工時會因為溶洞的存在而產生較大的不確定性，使爆破施工的效果難以提升。學者陳述云[1]分析了相關喀斯特巖層特征和喀斯特巖層臺階爆破技術，對爆破效果進行探究，余紅兵等[2]用ANSYS/LS-DYNA對爆區附近的溶洞進行分析，巖體位移和振速是否受到爆破施工的直接或者間接影響；學術論文[3～7]對喀斯特地區爆破施工的技術措施進行研討；江政杰[8]在巖質高邊坡爆破施工過程中對既有線的防護措施進行深入分析。為探究巖質邊坡溶洞對爆破開挖施工的影響，本文以六盤水—黃果樹高速公路高巖質邊坡開挖為例，基于有限元對巖質邊坡深孔爆破過程進行數值模擬過程，研究改進爆破施工關鍵技術。

1 溶巖巖質邊坡爆破參數

六盤水—黃果樹高速公路邊坡一標段范圍內有多個巖質邊坡，最高挖方高度達59 m，同時該工程多處邊坡臨近高壓線、民房、省道等對爆破敏感建（構）筑物。根據現場情況，擬采用的爆破參數見表1。

表1 爆破參數

2 溶巖巖質邊坡爆破有限元模擬

分析爆破作業時溶洞對邊坡開挖的實際影響，采取兩種不同的工況，一種是溶洞不存在的情況，另外一種是裝藥正好通過溶洞的情況。在分析的過程中需要對爆破過程加以考慮，溶洞在靠近臨空面時對爆破的影響相對來說過于明顯，所以對臨空面附近的溶洞情況進行重點分析，為了便于分析將半邊溶洞建于臨空面，見圖1（a）。為了讓整個內容更加簡單化，溶洞通常塑形為橢圓形，溶洞高為2.5 m，半寬為1.6 m，上臺階面與溶洞頂部距離為4500 mm，和臨空面的最小距離為900 mm，黏土溶洞內部的主要填充物為黏土。對不同的兩種工況，炮孔的半徑是0.04 m，主要爆破方式是斜孔爆破，邊坡坡比為1，炮孔與邊坡臨空面距離為2500 mm，最小抵抗線也是500 mm。除了網格劃分外，數值模型也采用四邊形單元，為了提高計算精度，將炮孔附近的網格加密，所有模型一共劃分成為3709 個相同的單元，邊界用投射邊界，總體數值模型圖見圖1（b）。

圖1 溶巖巖質邊坡爆破模型

2.1 數值模擬參數

邊坡巖體為強風化的白云巖，物理力學參數見表2。

表2 巖體物理力學參數

炸藥采用JWL狀態方程進行模擬，其表達式為：

式中：A、B、R1、R2和ω為材料常數；P 為壓力；V 為相對體積；E0是初始比內能。炸藥材料的主要輸入參數見表3。

表3 炸藥參數

2.2 不同工況計算結果分析

2.2.1 兩種工況下動應力分布特征

圖2 爆破載荷下巖質邊坡動應力分布

①不存在溶洞工況，動應力分布見圖2（a），由圖2（a）可知，巖體剝離區內動應力值相對較小，而且沿著炮孔方向動應力分布比較均勻，表明爆破后巖體破碎將較為均勻；②存在溶洞工況，動應力分布見圖2（b），由圖2（b）可知，爆破剝離區內部的動應力變大，沿炮孔方向動應力分布不均勻，動應力較大的區域破碎效果較好，動應力較小的區域破碎效果較差。

2.2.2 兩種工況下破壞范圍分布特征

另外一個重要參數是等效塑性應變勢。①不存在溶洞工況等效塑性應變分布見圖3（a），由圖3（a）可知，等效塑性應變最大值分布于炮孔兩側，且沿炮孔方向等效塑性應變分布較為均勻，爆破后，巖體破碎相對來說比較均勻；②存在溶洞工況等效塑性應變分布見圖3（b），由圖3（b）可知，分布于炮孔兩側的是等效塑性應變最大值，沿炮孔方向等效塑性應變分布不均勻，特別是與溶洞同邊坡自由面兩者之間的區域內，等效塑性應變相對不大，造成爆破后巖體破壞不均勻，產生大塊巖體。

圖3 爆破載荷下巖質邊坡等效塑性應變分布

2.2.3 兩種工況下爆破振動速度的分布特征

存在溶洞工況下質點振動速度分布見圖4（a），不存在溶洞工況下質點振動速度分布見圖4（b）。如果不存在溶洞，它的振速能夠從炮孔往兩側逐漸傳播，如果存在溶洞，振動波沿溶洞界面產生反射作用，溶洞內部自身的填充物擁有相對較大的振動速度，但是溶洞外側巖體振速相對不大，可能造成兩種不同的結果產生：①存在較大溶洞的外側巖體如果有良好的整體性，結合上述動應力同等效塑性應變的分析可知此處巖體可能難以破碎，在爆破后也容易形成大塊巖體；②溶洞外側巖體相對較為破碎，且強度不大，此時溶洞內部振速較大，動能可以傳遞于破碎的巖塊，巖塊得到了相對較大的動能，產生飛石。

圖4 爆破載荷下巖質邊坡振動速度分布

3 溶巖巖質邊坡爆破施工關鍵技術

3.1 施工方案

巖質邊坡控制爆破開挖技術適用于對巖質邊坡坡面和平臺的平整性有要求的邊坡爆破開挖，同時也適用于巖質邊坡對爆破振動有限制的工程。

巖質邊坡的爆破開挖中，當遠離對爆破敏感的建筑物時，在主爆區主要采用深孔控制爆破，為了控制大塊率和抵抗線，采用斜孔爆破形式，在臨界邊坡設計坡面和設計平臺時，為防止對設計坡面和平臺的損傷，采取如下措施：①待邊坡開挖至邊坡設計線6～8 m 時，先采用靜態爆破預裂邊坡設計面，在邊坡坡面和開挖石方之間形成減震帶，減小深孔爆破對設計永久坡面的影響，提高施工質量，減少人工刷坡工作量；②對爆破振動波向下傳播進行消能，在孔底鋪設松砂，并在砂上方放置鐵砂混凝土球，利用球體反射爆炸沖擊波，使得沖擊波由豎向傳播變為水平傳播，不僅有利于減小爆破留根率，提高爆破效率，還可以減小沖擊波對平臺巖石的損傷，并通過球下的砂墊層進一步消耗沖擊波的能量，起到保護孔底預留的邊坡平臺巖體的作用，減少平臺巖體的損傷和擾動，提高開挖施工質量，避免邊坡爆破開挖中超欠挖或人工刷坡的工作量。

巖質邊坡的爆破開挖中，當附近存在既有建筑物時，應采取如下措施：①控制爆破單響的藥量，采用淺孔爆破，必要時采用靜態爆破設置預裂減振縫；②側向飛石控制需要優化孔距和抵抗線設計，防止抵抗線過小導致大量飛石；向上飛石采用砂袋壓孔，避免形成孔口漏斗導致大量飛石；整個爆破區域采用炮被覆蓋，控制個別飛石；③在既有建筑物前設置防護措施；④通過爆破振動監測，不斷優化爆破施工方案。

如果部分邊坡開挖區域沒有爆破條件，采用靜態爆破結合機械開挖的方式。

3.2 淺孔爆破設計

3.2.1 炮孔設計

淺孔臺階爆破選用鑿巖機鉆孔，鉆孔直徑d 為36 mm＜d＜42 mm；臺階高度H=1～3 m；最小抵抗線W 根據所需控制飛石方向而定，取1.8～1.0 m。鉆孔深度一般取2.0～3.0 m，可根據現場實際情況作調整；堅硬巖石孔距a=（0.7～0.9）W，排距b=（0.85～1.0）a。淺孔臺階爆破的炸藥單耗值K 取0.55～0.70 kg/m3，最終通過進行1～2次試爆確定K值。按梅花形布孔（見圖5），在施工中，可根據實際地形變化情況，作適當調整。

圖5 淺孔爆破炮孔布置示意圖

3.2.2 裝藥和堵塞

淺孔裝藥采用連續性裝藥形式。炮孔除了裝藥段和孔口保留段外，其余必須滿堵，保證堵塞質量。

3.2.3 爆破網絡

（1）起爆次序和雷管選擇。采用孔內延期逐孔起爆方式，同一排孔起爆時間間隔為20 ms，不同排孔起爆時間間隔為50～55 ms。為了準確控制起爆時間間隔，采用數碼電子雷管進行起爆。

（2）爆破網絡設計。每排前面孔依次逐孔先起爆，后排對應孔跟隨后起爆，形成斜向起爆方式。為了安全起見，主網絡兩發以上雷管均采用復式聯結。反綁地面網絡雷管，使用擊發針激發起爆。每次或每區域爆破炮孔數目控制在35個以內，每排炮孔控制在8個以內（見圖6a）。

圖6 起爆網絡示意圖

3.3 深孔控制爆破參數設計和施工

3.3.1 炮孔設計

按經驗公式，最小抵抗線W=（0.6～0.8）H =2.4～3.2 m。根據a=mW，式中m 為炮孔密集度系數（即孔距與排距之比），一般取1～1.2。a=（1.0～1.2）W=2.4～3.2 m；孔距a 取3.0 m、排距b 取2.0 m。炮孔按矩形布置。

3.3.2 分集間斷柱裝藥結構

單孔分多段進行裝藥，不少于兩段，根據實際情況適當地加孔底部位裝藥量，裝藥過程中，孔口1/3 部位裝藥相對較少，存留一定的藥柱間的間隔長度，孔口需依據標準回填堵塞，各起爆雷管置于藥柱段的2/3 處，采用條狀藥卷加工起爆體。分集間斷裝藥結構見圖7。

圖7 深孔爆破炮孔分集間斷裝藥結構圖

3.3.3 堵塞

炮孔除裝藥段和孔口保留段需要堵塞之外，其余一定要滿堵，保證堵塞質量。深孔爆破炮孔保證孔口堵塞長度不能小于2.8 m，并且滿足比最小抵抗線大的要求，依據炮孔深度以及最小抵抗線確定各個藥柱間的堵塞長度。當堵塞回填到孔口段時，采用軟粘泥進行封口，并用竹桿搗實，防止孔口段漏水。孔口段必須保留50 cm 深的空孔段，采用環保注水進行回填，以便起到爆破防塵降噪作用。

3.3.4 爆破網絡

所有施爆雷管均采用非電毫秒雷管或數碼電子雷管，其準爆率達到99.9%以上。采用Ms-2 或MS3、Ms-5 段和Ms-11 段3 種段別雷管進行孔內外微差延期起爆，Ms-2或MS3段為孔外（地面）逐孔網絡傳送延期雷管，Ms-5段為每排延遲雷管。每排前面孔依次逐孔先起爆，后排對應孔跟隨后起爆，形成斜向起爆方式。主網絡兩發以上的雷管均采用復式聯結，每次或每區域爆破炮孔數目控制在35個以內，每排炮孔控制在8個以內（見圖6b）。

4 結語

六盤水—黃果樹高速公路一標段高巖質邊坡開挖工程綜合采用了淺孔爆破、深孔爆破和靜態破碎劑的方法進行施工，同時采用靜態預裂和阻抗消能的方法，降低了邊坡開挖施工風險，提高了施工質量，減少了后期人工修坡的費用，取得了良好的效果。