聚能預裂爆破方法在高速公路路基邊坡開挖的關鍵技術研究

唐云峰，粟瓊林，李慶昌，唐睿哲

（廣西工程技術研究院有限公司，廣西南寧 530200）

0 引言

在高速公路路基邊坡施工過程中，爆破工藝不僅要破碎和崩落作用巖石，而且要保留設計保護的巖石［1］。預裂爆破可以減少開挖作業面超挖和欠挖，降低作業面破壞程度，形成光滑的開挖輪廓面［2］。因此，預裂爆破被廣泛使用于爆破工程中，但是在目前采用的預裂爆破裝藥技術通常在炮孔內直接填裝藥包，一般使用不耦合裝藥［3］。藥卷無聚能裝置，無法實現炮孔連線處巖體裂紋的劈裂貫通，無法形成光滑的預裂面，實際爆破效果與預期效果不符［4］。目前，針對預裂爆破的裝藥結構優化，通常是在實際施工中進行多次試爆，然后根據試爆結果設計和調整裝藥結構。該方式不僅耗費人力和財力且缺乏一定的科學性，還嚴重影響爆破工程進度［5］。基于此，本文對聚能預裂爆破方法的關鍵技術進行研究，利用聚能槽裝藥在預裂面形成能量射流的集聚，實現孔壁連線處裂紋的貫通。

1 工程概況

天峨—北海公路巴馬至平果段（巴馬至羌圩）三分部K29+255～K29+400 路基爆破點，位于廣西大化瑤族自治縣乙圩鄉坡連正南方，設計路線大致呈北—南走向，屬深挖方路塹段，長度為150 m，開挖高度為32 m，設計公路采用整體式路基以全路塹的方式從山坡中上部通過。邊坡坡形采用臺階式，各級邊坡都按照1∶0.75 的比例進行放坡，每級坡高4～8 m。路基主線為北—南走向，北面為主線的巖灘水庫大橋。爆破點北面和西面都有民房，爆破點距離北面的那乙圩鄉坡連屯民房最近為70 m。爆破點南面為山地，植被以桉樹和雜草叢為主。項目1 000 m 范圍內沒有設置鐵路，爆區周邊無地上和地下管線。預計爆破工程量約14萬m3。

邊坡區屬剝蝕丘陵地貌，地形起伏較大，自然斜坡坡度為10°～30°。根據地質調繪揭示，邊坡表層多覆蓋第四系坡殘積粉質黏土，硬塑狀，局部混碎石，層厚1.5～5.0 m；下伏基巖主要為三疊系中統百逢組（T2b）地層，邊坡巖性主要為泥質粉砂巖，薄～中厚層狀構造，強風化狀態為主，局部風化不均勻，節理發育，巖體破碎，層厚8.0～14.0 m；中風化巖層埋藏較深；邊坡巖層產狀為304°/SW∠35°（214°∠35°）。

2 聚能預裂爆破方法的機理及特點

2.1 聚能預裂爆破方法的機理

通過沿聚能槽方向的高能射流，加強切槽方向巖體的裂縫形成，降低非設定方向的應力作用。爆炸時，由于在聚能槽處產生的應力集中，高溫、高壓爆轟產物形成高能射流，對稱聚能槽連線上形成的裂隙不斷擴展，最終巖體的開裂方向符合設計方向［6］。爆炸產生的應力波先從聚能槽處卸載，對爆炸過程中產生的巨大能量有一定的緩沖和抑制作用，使傳遞到孔壁上的應力急劇降低，降低應力對炮孔壁的破壞作用。相鄰炮孔產生的裂紋得以貫穿，最終形成較普通預裂爆破更為光滑的控制面。

利用預先加工好的強約束聚能管制作聚能藥包，并將其放入炮孔內，使兩孔連線方向與聚能槽開口方向一致。在雙向聚能槽切槽連線方向上，炸藥爆轟產物運動速度最大，炮孔內沖擊波和應力波沿著切槽方向優先積聚釋放，射流作用于切槽方向的孔壁上，巖體沿炮孔連線開始破裂，徑向預裂縫與聚能槽開口方向一致。雙向切槽結構的強約束和不耦合介質的存在不僅能形成炮孔連線上的高能射流，而且弱化了爆轟產物對兩側孔壁的作用，側向孔壁裂紋不明顯，維持了圍巖的穩定性。

目前，普通二號巖石乳化炸藥的殉爆距離一般不大于3 cm，通過在聚能藥卷尾部加裝聚能穴，將其殉爆距離提升至30～40 cm，從而擺脫預裂爆破在間隔裝藥時必須使用導爆索的困境，減少火工品的使用。

2.2 聚能預裂爆破方法的特點

2.2.1 聚能管參數

聚能管管壁形狀為“D”形，管長30 cm，管壁厚2 mm，采用抗靜電阻燃的特種塑料管［7］。“D”形管壁截面寬度為24.18 mm，截面長度為28.35 mm。“D”形管壁兩邊有對稱的凹槽，稱為“聚能槽”。聚能槽頂角為70°，聚能槽到聚能管頂部的距離為17.27 mm。

2.2.2 聚能藥卷制作

聚能預裂爆破裝藥前需要使用常規炸藥、聚能管、聚能罩制作聚能藥卷。聚能藥卷的制作步驟如下：①取1 節?32 mm 的藥卷，用小刀把藥卷從中間切成2 節。②把聚能管兩端分別插入切好的藥卷中。③用小刀把藥卷一端的金屬環切掉，裝上聚能罩。

2.2.3 聚能藥卷裝填

將聚能藥卷按照30 cm 的間隔綁扎在竹片上送入炮孔，竹片長度與炮孔深度相同，此外需要注意以下幾點：①采用反向起爆，通過聚能藥卷的聚能罩殉爆。②聚能藥卷的聚能罩需朝向孔口。③綁扎藥卷時保持同一條竹片上的聚能藥卷的聚能槽的方向一致，送入孔內后，需調整好每個炮孔的聚能槽方向，保持其與邊坡線平行。

3 聚能預裂爆破方法的關鍵技術研究

3.1 方案設計

3.1.1 爆破參數設計

使用潛孔鉆鉆孔，孔徑為?90 mm。炮孔布置時沿平臺垂直鉆孔或傾斜鉆孔，炮孔朝向及最小抵抗線方向要避開民房等保護對象，臺階高度一般取5～10 m，最高不超過10 m；下文以臺階高度為6 m進行設計。裝滿結構參照圖1，炮孔布置平面圖如圖2所示。

圖1 裝藥結構

圖2 炮孔布置平面圖

（1）孔徑d=90 mm；臺階高度H=6 m（具體根據邊坡高度而定）；W=（25～40）d=（25～40）×0.09=2.25～3.6 m，取W=2.5 m；炮孔間距：孔距a=2.6 m；炮孔排距b=2.5 m；炮孔超深h=0.6 m；炮孔長度L=H+h=6+0.6=6.6 m；炸藥單耗要結合爆破點巖石硬度及施工經驗，取q=0.35 kg/m3；單孔裝藥量Q1=qawH=0.35×2.6×2.5×6=13.65 kg ，取14 kg（邊坡上第1 排）；Q2=kqabH=1.1×0.35×2.6×2.5×6=15.02 kg ，取15 kg（邊坡上第2排及以后）；其中：Q為單孔裝藥量（kg），q為炸藥單位巖石體積消耗量，取q=0.35kg/m3（根據爆破實驗適當調整）。

（2）布孔方式采用梅花形布孔，填塞長度根據《爆破安全規程》中“應大于裝藥頂部抵抗線與底盤抵抗線平均值的1.2 倍”的規定，即h=1.2×（W+b）/2=3.6 m，實際取≥3.6 m；深孔控制爆破最大單段藥量根據爆破點與保護目標的距離確定。深孔控制爆破在不同臺階高度下的爆破參數值見表1。

表1 深孔控制爆破參數表

3.1.2 聚能預裂爆破參數設計

孔徑d取90 mm；孔間距S=（8～12）d，取S=0.8 m。預裂孔采用傾斜孔，炮孔傾角為最終臺階坡面角，預裂炮孔一般不超深，則炮孔深度L=6.5 m；線裝藥密度范圍為L線=250～500 g/m，取L線=300 g/m；填塞長度Lt=（10～20）d，取15d=0.5 m；裝藥長度LC=LLt=6.5-0.5=6.0 m；單孔裝藥量Q=LC×L線=6.0×300=1.8 kg；采用不耦合裝藥，聚能藥卷按照30 cm 的間隔綁扎在與炮孔深度相同的竹片上送入孔內，每節聚能藥卷重量為0.3 kg。

3.1.3 起爆網絡設計

根據公安部門的監管要求，普通的露天爆破使用數碼電子雷管起爆網路［8］。數碼電子雷管實現精確控制的關鍵在于其微型電子芯片，它不僅能控制通往引火頭的電源，還極大地提高了延時精度。在爆破開始之前，應根據現場試爆情況適當調整爆破網路分段段位。

項目采用電子數碼雷管起爆網絡，主爆區炮孔采用逐排起爆方式，每排設置10 個炮孔，每次起爆3排，一次爆破單段藥量控制在0.25 t 以內，排間的延時間隔為50 ms；預裂炮孔先于主爆區炮孔100 ms 起爆。為保證預裂爆破效果，預裂孔之間不設置延時，同時起爆，每次超前主爆區炮孔4～5個炮孔。

3.1.4 爆破有害效應分析計算

爆破振動、爆破飛散物是主要的危險因素，在臨近民房時爆破項目中，爆破沖擊波及爆破有害氣體有可能引發安全事故［9］。爆破振動安全距離公式如下：

在公式（1）和公式（2）中：R為爆破振動安全距離，m；K為與爆破地在地形有關的系數；V為爆破安全振動速度，cm/s；α為衰減指數；Q為最大單段藥量，kg。

爆破地震安全速度根據《爆破安全規程》（GB 6722—2014）的規定，取V=2 cm/s，考慮民房的使用年限及其他影響因素，實際取V=0.9 cm/s。根據《爆破安全規程》（GB 6722—2014）中的規定，取K=200，α=1.6，Q=R3×（0.9/200）1.875。

該項目的保護對象主要是民房，取V=0.9 cm/s計算，爆破時保護對象的安全距離及允許的最大單段藥量表見表2。控制爆破最大單段藥量不得超過20.4 kg。因民房和爆破點存在一定的高度差，因此開展監測時候應該將高度差考慮進去［10］。在靠近民房地段的路基開展爆破施工時，應先進行爆破振動監測，對實測數據進行整理和回歸分析，求出K和α值，使爆破振速控制在《爆破安全規程》（GB 6722—2014）規定的范圍內。

表2 爆破時保護對象的安全距離及允許的最大單段藥量表

3.2 施工工藝

聚能預裂爆破施工主要包括爆破設計、測量放線、鉆孔、鉆孔質量檢查、裝藥與堵塞、連接起爆網絡、起爆、通風、爆破效果檢驗與安全檢查等，具體流程如圖3所示。

4 聚能預裂爆破方法的應用效果

4.1 技術效果

采用聚能預裂爆破方法，符合《土方與爆破工程施工及驗收規范》（GB 50201—2012）規定的正常尺寸標準。預裂縫寬度為10 mm 左右，預裂縫沿炮孔中心線貫穿。當邊坡開挖后，未出現邊坡垮落、溜肩現象，聚能預裂爆破對預留巖體破壞作用小，有利于保護高速公路邊坡。從邊坡坡面平整度來看，其平整度均小于15 cm，符合驗收規范要求；對比傳統爆破邊坡，聚能預裂爆破邊坡坡面更平順，可活動碎石較少。坡面半孔率計算如公式（3）所示：

其中：η為坡面半孔率；l0為檢驗區域殘留炮孔長度，m；L0為檢驗區域預裂炮孔長度，m。

通過計算，聚能預裂爆破后的邊坡η2=85%，傳統爆破后的邊坡半孔率η1=10%，聚能管的預裂爆破邊坡半孔率遠高于傳統預裂爆破。邊坡平整度和半孔率成果見表3所示。

表3 邊坡平整度和半孔率成果

4.2 經濟效果

在經濟效益方面，聚能預裂爆破具有較大的優勢，主要體現在提高生產效率、節約爆破器材、降低邊坡人工機械施工成本等方面，與傳統爆破的經濟效益對比見表4。

表4 經濟效益對比

5 結論

本文以天峨—北海公路巴馬至平果段路基邊坡開挖項目為例，總結聚能預裂爆破方法的應用優勢。

（1）聚能預裂爆破方法解決了高速公路邊坡爆破施工容易出現的超欠挖問題，提升爆破后的半壁孔率，降低邊坡不平整度，提高路基邊坡爆破一次成型率。

（2）在相同邊坡長度的前提下，采用聚能預裂爆破，能夠降低單孔藥量，增大邊坡預裂孔孔距，取得優于傳統爆破方式的爆破效果。

（3）在聚能藥卷尾部安裝聚能穴，實現在間隔裝藥的情況下，能夠不依賴導爆索進行殉爆，減少爆破器材的使用。相比傳統爆破，聚能預裂炮孔裝藥量極少。