巖質邊坡爆破開挖施工方法優化研究

閆紅強

（中鐵十六局集團第四工程有限公司 北京 101400）

1 引言

爆破是現代巖質邊坡工程開挖最主要的施工方法之一，但爆破開挖必然會對邊坡保留巖體產生不利影響，如對巖質邊坡設計坡面和平臺巖體造成較大的損傷，將會導致邊坡失穩。根據相關規范，在爆破開挖將到達巖質邊坡設計坡面和平臺時，需要嚴格控制爆破作業參數，避免對巖質邊坡設計坡面和平臺巖體造成較大損傷，從而影響巖質邊坡的穩定性。魏星［1］等結合40 m高邊坡，通過試驗得出預裂控制爆破可有效減小邊坡巖體振動損壞的結論。吳燕開［2］等采用數值模擬，分析總結了爆破作用下巖質高邊坡的質點振動衰減規律和位移規律。

本文結合關花大道巖質高邊坡爆破開挖，建立有限元模型，分析不同深孔爆破方式下開挖臺階的穩定性，并確定出相關施工參數。

2 工程概況

（1）設計情況

安順關花大道道路工程設計等級為城市主干路，設計速度60 km／h。一標段起點樁號為K0＋015.902，終點樁號為K15＋300，主線長度15.284 km。根據規劃及兩側用地條件，道路全線共設22 m、25 m及40 m三種寬度橫斷面。K6＋320～K6＋780段最大開挖深度59 m，共設四級平臺，挖方邊坡以10 m為一級邊坡進行放坡，第一級及第二級邊坡坡率為1∶1，三級邊坡坡率為1∶1.25，第四級及以上邊坡坡率為1∶1.5，兩級邊坡之間設2 m寬平臺。

（2）工程地質

沿線褶皺和斷層發育，受其切割強烈，溝谷、岸坡分布有較多崩坡積碎石土。

3 巖質邊坡爆破開挖

3.1 開挖方法

巖質邊坡周邊環境簡單，地質條件相對較好，適于采用爆破開挖。露天邊坡爆破開挖方式包括深孔爆破和淺孔爆破兩大類。深孔爆破一般指鉆孔直徑＞75 mm、孔深＞5 m的炮孔爆破技術；淺孔爆破俗稱“淺眼爆破”或者“露天淺孔爆破”，一般指炮孔直徑≤50 mm、深度≤5 m的爆破作業。

在實際爆破施工中，深孔爆破和淺孔爆破各有優勢和特點。深孔爆破適合大方量、爆破環境好時的爆破開挖施工；淺孔爆破適用方量較小、爆破環境不好（如周邊有建筑物，對爆破振動、爆破拋石距離等有要求）時的邊坡、基坑、巷道等爆破施工。本工程邊坡開挖施工擬選用深孔爆破開挖。

深孔爆破作業，根據鉆孔形式不同可分為垂直鉆孔和傾斜鉆孔兩種形式。傾斜鉆孔在爆破效果方面較垂直鉆孔有較多優點，但在鉆鑿過程中操作比較復雜，在相同臺階高度情況下傾斜鉆孔比垂直鉆孔要長，而且裝藥時易堵孔，給裝藥工作帶來一定困難。所以實際工程中，垂直鉆孔的應用較傾斜鉆孔要廣泛得多［3－4］。

由于擬開挖邊坡鄰近省道，在爆破時不宜產生過多飛石，并綜合考慮邊坡圍巖情況確定最終采用深孔爆破方式。

3.2 深孔爆破技術分析

根據永久邊坡設計情況，深孔爆破采用高度為10 m一個平臺進行爆破開挖，通過分析豎直深孔爆破和斜孔深孔爆破開挖邊坡穩定性選取合理的開挖形式，在此基礎上確定深孔爆破施工參數。

（1）巖體力學參數確定

邊坡巖體強度參數的確定包括巖體地質力學分類法（RMR體系）和地質強度指標（GSI）法，本文采用 RMR 法［5－7］。

根據設計方提供的地質資料，該邊坡表層為第四系松散堆積層，覆蓋于坡體表面，覆蓋層厚度為0.2～1 m。區內地層巖性以碳酸鹽巖系為主，巖性主要為灰巖，以強風化為主。根據勘探設計方提供的資料，結合附近區域爆破后現場巖體露頭，將強風化巖體分為兩類，采用RMR法估算爆破后巖體的參數。根據RMR方法得出現場兩類巖體RMR評分，如表1所示。

表1 各巖層RMR分值

通過RMR評分值，得到各個巖層的總分值，如表2所示。

表2 各巖層RMR總評分值

根據 RMR法結合 Mohr-Coulomb強度理論、Hoek-Brown強度準則進行計算，并考慮爆破修正，確定出巖體的抗剪強度參數，如表3所示。

表3 各巖層抗剪強度

（2）爆破開挖臺階穩定性

根據邊坡穩定性規律，考慮到最不利情況，選取最下面兩層爆破開挖平臺為對象，分析爆破后平臺的安全性。采用3種工況，爆破后平臺邊坡坡率分別為 1∶0（豎直深孔爆破）、1∶0.25 和 1∶0.5。假設爆破平臺坡率與深孔爆破孔的斜率一致，則平臺邊坡坡率為 1∶0、1∶0.25和1∶0.5分別代表豎直深孔爆破、76°斜孔深孔爆破和63°斜孔深孔爆破。爆破開挖過程中平臺高度及寬度均為10 m。為了反映平臺在施工期間的穩定性，根據現場實際情況，在平臺上施加100 kPa均布載荷以代表平臺上的施工載荷。為保守起見，平臺范圍內材料參數采用表1～表3提供的巖體強風化I參數，從而得出不同深孔爆破方式下平臺穩定性模型，如圖1～圖2所示。

圖1 爆破后平臺穩定性分析模型（1∶0.25）

圖2 爆破后平臺穩定分析有限元模型

根據表1～表3得出的爆破后巖體強度參數，采用有限元強度折減法進行計算［8－9］，得出各種平臺下典型破壞形態，如圖3所示。

從圖1～圖3可以得出，深孔爆破后邊坡穩定性安全系數隨斜孔角度變化規律如圖4所示。

圖3 不同深孔爆破方式下平臺穩定性分析結果

圖4 深孔爆破方式平臺穩定安全系數與斜孔角度變化關系

從圖4可以看出，該工程在深孔爆破開挖時，平臺坡率越大，平臺穩定性越好，這符合一般規律。從計算結果看，采用豎直深孔爆破開挖，在考慮施工載荷作用下，一次起爆開挖10 m高度后，形成的爆破平臺安全系數為1.37，滿足安全要求。所以在本工程中采用豎直深孔爆破、一次開挖10 m滿足安全要求。

同時，從計算結果可以看出，當兩個平臺之間預留寬度超過10 m時，可以考慮兩個臺階同時開挖，同樣滿足安全要求。所以在工期緊張時，可以考慮增加開挖工作面，但為了安全起見，兩個平臺之間要預留足夠的寬度。

3.3 強風化灰巖深孔爆破參數確定

根據以上分析結果，設計主體采用深孔臺階爆破，臺階形成前剝離及爆后零星孤石用淺眼爆破處理［10－12］。深孔爆破方案為：采用豎直深孔臺階爆破，臺階高度約為10 m，鉆孔直徑為90 mm。

（1）裝藥量一般按單位體積控制，根據現場巖石硬度情況，宜選用的裝藥量為0.2～0.45 kg／m3，最終藥用參數經現場試爆后確定。

（2）填塞長度：L2＝W1＝2.0～4.5 m。

（3）最小抵抗線：底盤最小抵抗線 Wd＝3～4.5 m。

（4）炮眼間距 a和行距 b：a＝3～5.5 m；b＝3～4.5 m（根據爆破后的塊度進行相應調整）。

（5）炮眼深度：L＝Ht＋（0.15 ～0.35）Wd（根據爆破后留根底情況進行調整）。

（6）單孔藥量計算（最大）：Q ＝q×a×b×H ＝0.3×3.5×3×10＝31.5 kg。

3.4 爆破施工

（1）采用分集間斷柱裝藥，可以使巖石破碎塊度更加均勻，炮孔除裝藥段和孔口保留段，必須滿堵以保證堵塞質量。

（2）深孔控制爆破堵塞采用鉆孔渣回填，回填至孔口段時，采用軟粘泥封口，并用竹桿搗實，防止孔口段注水時漏水。孔口段必須保留50 cm深的空孔段，采取環保注水回填，以起到爆破防塵降噪作用。

（3）深孔爆破起爆網絡采用塑料導爆管接力復式網絡，先傳后爆：主爆孔從爆破作業面一端向另一端逐個炮孔起爆，每排復始。為保障控制爆破效果，采用微差爆破技術。

4 結束語

安順關花大道道路工程采用RMR方法確定爆破后巖體強度參數，基于有限元強度折減法分析了不同深孔爆破方式下開挖臺階的穩定性，對爆破施工參數進行優化，減小了爆破對設計邊坡巖體的破壞和損傷程度，降低了施工風險，減少了人工刷坡工作量，共節約工期45 d，節約成本112.5萬元。

（1）采用豎直深孔爆破，一次爆破臺階高為10 m所形成的邊坡滿足穩定和施工要求。

（2）深孔爆破過程，若工期較緊張，可以采用上、下兩個平臺同時開挖，但建議平臺預留安全寬度不小于10 m。