基于深孔預裂爆破技術的高邊坡路基施工研究

1 深孔預裂爆破技術

1.1 深孔預裂爆破技術所需材料

在實際應用深孔預裂爆破技術時，一般需要用到導爆索、炸藥和雷管等材料。 為了保證爆破技術的應用效果，在選擇導爆索時，需要保證導爆索具有防潮、耐熱、彎曲、耐冷和良好的傳爆效果等要求，能夠在承受一定重量的藥塊與拉力的同時，有效發揮引爆的作用。 對于炸藥的選擇和配置，通常選擇藥卷直徑為32 mm 的巖石硝銨炸藥，對于炸藥成分的配置，需要結合工程的實際需要來對水分和炸藥的猛度進行調整[1]。而對于起爆雷管的選擇， 則需要在結合工程實際需要對起爆雷管的外徑、長度和腳線長度確定之后，選擇起爆雷管的具體型號。

1.2 深孔預裂爆破技術的應用原理

在高邊坡路基施工中應用深孔預裂爆破技術， 炸藥的埋深決定了爆破的實施效果。 當炸藥的埋藏深度較大時，由于炸藥的爆破作用難以達到自由面， 在這種情況下就會產生巖體爆破的內部作用；而當炸藥的埋藏深度較小時，炸藥的爆破作用能夠達到自由面，就會產生巖體爆破的外部作用。

從巖體爆破的內部作用角度來看， 在炸藥爆炸之后會在巖體中形成應力波， 在對巖體的破壞特征進行總結分析之后可以將巖體區域的巖石劃分為壓縮區、 破裂區以及振動區3個部分；而從巖體爆破的外部作用角度來看，炸藥爆炸不僅會對巖體內部產生破壞作用，同時也會對地表產生破壞作用[2]。 在外部作用的情況下， 爆破技術的實際應用效果可以用爆破作用指數n 來表示：

式中，r 為爆破漏斗底圓半徑；W 為最小抵抗線。

基于爆破漏斗在爆破技術原理和應用效果研究中的作用，利文斯頓提出爆破漏斗理論，并以此為基礎建立了爆破漏斗的最佳藥量和最佳埋深公式：

式中，Lj為炸藥最佳埋深；E 為彈性變形系數；Q0為最佳藥包重量；Δ0為最佳深度比。

2 深孔預裂爆破技術在高邊坡路基施工中的應用

以巴基斯坦KKH 公路改線項目為例，對深孔預裂爆破技術在高邊坡路基施工中的應用進行分析。

2.1 依據項目地形情況來確定爆破方案

在應用深孔預裂爆破技術之前， 首先需要結合工程項目的實際情況來確定具體的爆破方案。巴基斯坦KKH 公路改線項目是為修建DASU 水電站而將淹沒的N35 公路段進行的改建，線路沿線兩側山高壁陡谷深，各種地貌發育，地質構造發育，地層多樣，巖性多為變質巖且復雜多變。 由于沿線地形、地質情況復雜，為了保證開挖邊坡的穩定性，在實施爆破作業時需要采用科學合理的爆破開挖方式。

該項目能夠根據路基施工圖紙，現場采用“橫向分層，縱向分段，階梯掘進”的總體施工方法，在鉆爆模式上使用預裂爆破，根據設計邊坡高度，每次鉆孔深度H=10 m，爆破后每層開挖高度h=5 m，各施工段落間距l 約50 m。 如圖1 所示。

圖1 巴基斯坦KKH公路改線項目施工方法原理

2.2 爆破設計和鉆孔作業

爆破技術從本質上來說是一種炮孔爆破技術，在施工中應用深孔預裂爆破技術， 一般需要保證鉆孔直徑能夠超過75 mm， 爆破范圍直徑超過5 m。 基于爆破技術本身的成本低、操作簡便、效果好的應用優勢，當前高邊坡路基施工中經常應用該技術來達到路基開挖的目的。 實際工程施工中應用的深孔預裂爆破技術大部分爆破范圍直徑會超過10 m，通常需要事先依據設計圖紙在爆破區域留出一條貫穿的裂縫，以便能夠對應用爆破技術后產生的振動波進行緩沖和釋放，盡可能減少爆破技術應用過程中對路基周邊巖體造成的不良影響，保證在爆破技術應用后能夠形成一種較為平整的爆破輪廓。

在進行爆破作業的過程中， 依據深孔預裂爆破技術應用的實際要求，選擇預裂爆破方式來進行爆破設計。 預裂爆破主要是指沿開口線鉆布較為密集的預裂孔， 采用不耦合裝藥模式，在主爆孔起爆之前，先起爆邊坡預裂孔，通過形成一道有一定寬度的貫穿裂縫將保留邊坡與主爆區分開， 以減弱主爆區對邊坡的破壞，并形成平整的邊坡輪廓面的爆破作業。

本工程在應用預裂爆破作業的過程中， 重點關注鉆孔和裝藥兩個環節的關鍵技術內容。 在鉆孔作業中，于施工前做好開口線放樣，保證預裂孔位置正確；對于炮孔深度的確認應在平整地面后進行，將炮孔深度的誤差控制在±2.5%左右；對于鉆孔位置誤差為1 倍的炮孔直徑時， 如因鉆孔位置無法滿足要求導致炮孔位置變化，應進行相應的爆破參數的調整。 鉆孔過程中須控制好方向精度，方向誤差為1°。 具體而言，本工程于一般地段采用深孔預裂爆破法，鉆孔直徑D=100 mm，一般開挖深度控制在10 m 左右。 對于首排底盤抵抗線w 可取（35~40）D。 此處炮眼直徑D=100 mm，取w=40D=4.0 m；孔排距b=0.75w=0.75×4 m， 取b=3.0 m； 孔間距a=（1.0~1.2）b，a=3.0~3.6 m；超深h1=（0.1~0.15）w，D=100 mm，取h1=0.5 m；孔深L=H+h1=10+0.5=10.5 m； 堵 塞 長 度h0= （30~35）D 或=（1.2~1.4）w=3.5~4.0 m；主爆孔單孔藥量Q=0.3~0.4 kg/m3。

裝藥和填塞的過程中， 在裝藥前先將炮眼內殘渣清理干凈，清除炮眼內積水，并采用不耦合間隔裝藥的裝藥模式，將一定數量的藥卷間隔分開， 與導爆索綁扎形成藥串后慢慢放入孔內，隨后用沙土、炮灰等松散材料進行堵孔，不必搗實。 然后再按照圖2 所示的裝藥結構來進行填塞

圖2 不耦合間隔裝藥結構

2.3 預裂爆破設計

在確定好預裂爆破的準備工作之后， 還需要結合工程項目的實際情況進行預裂爆破的具體設計。 在預裂爆破設計中最為重要的就是預裂爆破參數的選擇。

以理論計算法為例， 在對預裂爆破的主要爆破參數進行選擇時，需要保證預裂爆破的各項參數能夠滿足式（3）所示力學方程的要求：

式中，σz為作用在預裂孔壁上的最大徑向壓應力；σT為作用在預裂孔中心連線上巖石的最大切向拉應力；σ拉為巖石的極限抗拉強度；σ壓為巖石的極限抗壓強度。

在滿足相應的要求之后，還需要對裝藥密度進行計算，在確保孔壁巖石不被壓碎的情況下， 根據炮眼內爆炸應力波的作用理論，可以得到裝藥密度的計算公式：

式中，Δ 為最佳裝藥密度；Q＇為炸藥的爆熱能量。

基于這一公式，可以得到常見巖石預裂爆破線裝藥密度，總結分析可以得到表1。

表1 常見巖石預裂爆破線裝藥密度與經驗值

對于預裂爆破中爆破網絡的敷設， 需要在確定爆破孔內所用雷管段別的基礎上， 在裝藥完成后及時利用鉆孔巖屑來將孔口堵塞，并將雷管和導爆管連接好。 而在網路連好之后，還需要對雷管段別和連接的質量再次進行檢查， 用以保證爆破網絡的敷設質量。 在應用塑料導爆管孔外內微差起爆技術敷設爆破網絡（見圖3）的過程中，需要對用于爆破的各種器材進行檢查，并事先進行試爆，在確定最佳的爆破方案之后再進行爆破作業。

圖3 微差起爆網絡圖

2.4 爆破效果和注意事項

對巴基斯坦達蘇水電KKH-01 標的高邊坡路基進行多次試爆，并對各項指標進行了統計，結果顯示：預裂控制爆破能夠取得明顯的效果，對減小爆破導致的邊坡擾動起到了明顯的作用。 實踐證明，深孔預裂爆破技術能夠應用到高邊坡路基施工當中，對于提高高邊坡路基結構的穩定性具有重要的作用。

在實際的施工中， 為了能夠進一步提高爆破技術的應用效果，一方面需要對深孔預裂爆破技術的施工工序進行優化調整，并保證在爆破作業中嚴格遵守相應的施工工序，另一方面，需要結合工程項目的實際情況，對實際應用的爆破方案進行優化。在制訂爆破方案的過程中， 需要遵循盡可能減少對巖體進行破壞的原則，減少由于爆破震動對邊坡穩定性產生的影響，同時也需要重視高邊坡路基施工周邊環境的安全問題， 對最大單段的起爆藥量進行合理控制。 除此之外，在實際應用爆破技術的過程中，還需要重視施工監控對于保證爆破技術應用效果的作用，在對爆破技術應用的實際情況進行監測的過程中，重點關注內部應力應變和外部變形觀測，并根據監測結果，及時調整施工方法。 同時，在爆破設計的區域范圍邊界需要設置安全警戒，在保證爆破技術統一指揮和安排的前提下， 讓爆破作業的相關人員能夠及時撤離，確保爆破技術的實際應用安全和效果。

3 結語