复杂条件下深路堑高边坡石方开挖爆破防护技术应用样本

复杂条件下深路堑高边坡石方开挖爆破防护技术应用中交二航局五分公司大岳高速第一合同段曹林祥刘银摘

要：复杂条件下深路堑边坡开挖爆破是我标段路基工程施工一种重点和难点。重难点重要在于高边坡右侧坡顶危石清理，既要保证危石清理工作自身安全可靠，又要保证右侧临湘方向坡下坟地及岳阳方向坡下农田安全无损。复杂环境下爆破开挖总方量约2.4万立方。核心词：工程地质状况、边坡稳定性分析、滚石和飞石1.工程地质状况1.1地形地貌构造剥蚀丘陵，山体最大高程264.8m,相对高差50～60m，山体自然坡度30～40度，山坡植被发育，谷地多辟为农田，路线重要沿两丘坡中通过，路基设计最大边坡高度为58.5m，中心最大挖深21.0m。1.2地层岩性（1）花岗岩（r）：全风化，灰黄色，灰白色，原岩构造已基本破坏，除石英外，矿物成分基本风化，岩心呈砾砂状，厚1～5.0m。（2）花岗岩（r）：强风化，灰黄色夹灰白色，原岩构造已大某些破坏，块状构造，节理裂隙发育，岩心经机械扰动后，岩心呈砾砂状，厚18～22m。（3）花岗岩（r）：中风化，灰黄色，灰白色，重要有长石、石英、云母及暗色矿物构成，中粒～粗粒构造，块状构造，裂隙稍发育，钻探揭露厚度为5.6m。1.2工程地质条件花岗岩（r）：全风化：r=18～19KN/m3,c=12～16KPa,∮=20～22。强风化：r=22～23KN/m3，∮=45～55。中风化：r=26～27KN/m3，∮=65～70。1.4水文地质该段地表水不发育，地下水重要为基岩裂隙水，受季节影响小。2.边坡稳定性分析右侧边坡最大高度约33米，左侧边坡最大高度约58.5米，边坡岩体为强风化花岗岩，经分析该边坡破坏形式重要为坡体沿强风化中风化分界面产生类土质圆弧滑动，计算采用理正软件，计算得改边坡开挖后安全系数为0.963.3.重要施工工艺及规定3.1工程办法依照边坡稳定性分析评价，拟采用如下边坡加固防护办法：（1）边坡坡率路堑边坡采用台阶式边坡，左侧1～4级边坡坡率采用1：1。台阶式边坡每隔8m设一级平台，平台宽2米，右侧坡率采用：1～4级边坡坡率采用1：1；5～7级边坡坡率采用1：1.25。台阶式边坡每隔8m设一级平台，平台宽2米。（2）边坡加固工程左侧1～3级边坡采用非预应力锚杆框架加固，右侧1～5级边坡采用预应力锚索框架加固，（3）坡面防护工程为保证边坡开挖及运营工程中坡面稳定，防止雨水冲刷及坡面松弛，改进美化坡面景观，采用骨架护坡及锚索框架内植草防护等工程办法。（4）排水工程办法本段边坡坡体地下水不发育，设计未采用仰斜排水孔引排地下水，但应依照边坡施工开挖状况，及时进行动态跟踪设计，保证边坡排水畅通。3.2详细施工办法3.2.1施工组织按照逆作法工序施工，按从上之下开挖施工顺序逐级开挖，做到边坡开挖一级防护一级。3.2.2土石方工程对于设有锚固工程高边坡工程开挖，待上级边坡锚固工程所有实行并产生加固作用后（依照实际状况可采用有效可行暂时加固或预加固工程办法）方可进行下级边坡土方开挖作业，逐级开挖，逐级加固，直至所有防护工程结束，保证边坡稳定和构造安全。对于石质边坡开挖，接近路堑边坡工程部位禁止采用大爆破，规定距设计坡面一定范畴内一律采用光面控制爆破，对于硬质岩石石方应采用光面、预裂爆破，规定配备可锁定炮眼倾角潜孔钻，以尽量减少或避免爆破施工对岩体破坏作用和影响。坡顶危石清理方案制定是本次爆破设计重点，坡顶危石一旦滚落，就会顺着坡面越来越快，直接冲击到坡下坟地，其后果不堪设想；同样，爆破产生飞石也会顺坡而变成滚石，危害同样大；而对于普通土石爆破振动危害，由于危石爆破浅孔小药量而得到了有效控制，从而不需要考虑了。因而，在制定坡顶危石清理方案是重点考虑是爆破飞石和滚石二方面。3.2.3危石危害控制办法3.2.3.1危石清理办法选取危石清理重要办法有三种，一是人工削方清理，二是爆破破碎清理，三是膨胀碎裂清理。其中人工削方清理办法合用于强风化岩层、岩体破碎且无大岩块处，普通是从上向下清除，采用重要工具是风镐和撬棍；爆破破碎清理办法合用于岩体坚硬、块度大处，普通从危岩外缘开始逐级钻孔装炸药松动爆破破碎，再配以人工清除；膨胀碎裂清理办法与爆破破碎清理办法相似，合用于岩体坚硬、块度大处，也是通过钻孔装药（静态膨胀剂）膨胀破碎再配以人工清除，此法施工简朴、安全，但投资略高。考虑到现场实际状况，拟定采用人工削方和爆破破碎相结合清理办法对大岳高速一标K2+190～K2+352复杂条件下深路堑边坡开挖工程坡顶危石进行清理，即：对于风镐和撬棍能撬动危石，采用人工削方办法进行清理，对于人工无法撬动危石，则采用爆破破碎办法进行清理。3.2.3.2危石清理工作布局为了保证整个危石清理工作安全有效地开展，必要要将整个危石清理工作从空间和时间上进行合理地分布。从空间分区上看，将整个开挖区别为二大某些，即危石清理区和常规爆破区，如图4-1所示。危石清理区重要指产生爆破滚石可以影响到右侧岳阳方向坡下坟地开挖区域，原则上坟地水平线上方区域都是该区域；其她区域则为常规爆破区域。常规爆破区危石清理区常规爆破区危石清理区图3-1危石清理区基本位置图危石清理顺序从开挖时间顺序上看，先清理靠岳阳方向危石，让其直接滚落到山下征收空地中，形成有效补偿空间，再逐渐向临湘方向进行清理，最小抵抗线方向尽量朝向岳阳方向或路基方向；清理工作基本上遵从由上往下顺序，即先清理上面，再逐渐向下清理。当爆破最小抵抗线方向只能朝向临湘方向，即朝向坟地方向时，必要采用更密钻孔、更小装药，并视状况采用炮孔覆盖防护办法，必要保证最大限度地减少爆破飞石和爆破振动。危石清理顺序图3-2危石清理顺序示意图3.2.3.3危石爆破破碎技术路堑爆破工作布局：依照现场爆破详细状况，主体爆破采用全双路堑分层台阶爆破开挖，局部爆破采用半路堑分层/单层台阶爆破开挖，相应边坡处都采用预裂光面爆破开挖，如下图所示。光面孔光面孔光面孔光面孔a-倾斜孔b-垂直孔（1）半路堑炮孔布置剖面图光面孔上层下层（2）全路堑炮孔布置剖面图为了有效控制飞石飞散，减少爆破块度，依照爆破条件变化，合理拟定炸药单耗和爆破参数，采用岩屑堵塞孔口并捣实，保证炮孔堵塞长度和质量，采用密打孔少装药。必要时，依照保护对象安全规定，可在孔口用竹笆加砂袋和粗尼龙绳网进行覆盖保证不浮现岩石飞散现象。3.2.3.4滚石危害控制办法（1）滚石基本形成普通来说，爆破滚石重要有二个来源，一是主体松动爆破松散碎石顺坡滚下，二是爆破引起非爆破区边坡原有岩石破裂滑移后顺坡流下。对于第一种来源，即爆破松散碎石顺坡滚下形成滚石，是比较容易理解，虽然能控制到爆破岩石散而不抛（事实上是难以做到），坡面势能也会推动碎石下滚形成滚石。对于第二个来源，也就是爆破振动对非爆破区边坡自身影响，这在国内外也曾有许多实例。研究表白：当边坡质点振动速度达13.5~24.7cm/s时，边坡岩石产生细微裂纹或原有裂纹张开。由于在进行爆破前，已经进行了人工清表；加之，爆破碎石沿坡面向下滚动产生破坏更大；因而本方案重点考虑滚石危害来源于爆破碎石顺坡下滚。（2）滚石危害控制通过对爆破区周边环境调查，以及其她工程实践总结，飞石和滚石是影响周边环境安全最重要因素，而两者中滚石危害更大。由于山高坡陡且爆区紧临坟地，万一滚石落入坡下坟地，将会产生不良社会影响和导致重大经济损失。因而，控制滚石危害应从主、被动二个方面入手，重点考虑四个问题：一是如何减少滚石速度，二是如何减小滚石块度，三是如何削弱滚石弹跳，四是如何拦截滚石。（3）减少滚石速度由于惯性作用和补偿空间需要，爆破后碎石必然要向坡下滚动，其滚动初速度取决于炸药爆炸破碎岩石后剩余能量，也正是该剩余能量为滚石提供了初速度。基于此，减少滚石速度重要办法就是减少炸药单耗。在进行药孔参数设计时，炸药爆炸作用指数必要按照微量松散爆破漏斗来开展，通过理论分析和现场实验，拟定合理最低炸药单耗。微量松动爆破设计理念，就是炸药爆炸只在岩石中产生大量微裂隙，达到岩石“松而不散，散而不抛”目，后期尽量发挥人工机械作用。对每个岩块来说，实际单耗是随着详细状况及实际施工是不断变化，施工过程中必要随时关注且不断调节。爆破参数中炮孔底盘抵抗线、炮孔填塞长度、炸药单耗、地形地质条件变化都影响爆破能量合理分布，稍有变化就会浮现炸药爆炸能量过剩，从而推动碎石运动，增长了飞石和滚石初速度。装药施工必要依照地形地质状况调节装药，起爆网路联结和毫秒微差雷管段数选用也对飞石产生影响。（4）减小滚石块度虽然可以精确而有效地控制炸药单耗，保证不会产生飞石和滚石。山坡存在，也会促使碎石向坡下滚动。这样，减少滚石动能破坏另一外重要办法就是减少单个碎石块度，必要保证爆破块度均匀，尽量不浮现特别大块石。其控制重要办法就是优化孔网参数，即：一是采用微倾斜炮孔，使得抵抗线基本均匀；二是采用梅花形布孔，保证炮孔分布均匀；三是保证填塞长度适中，不能太大也不能太小，同步保证填塞质量；四是减少炸药在炮孔中集中限度，尽量沿全长均匀分布；五是必要提前清除面上松石和浮石。（5）削弱滚石弹跳爆破碎石沿山坡向下滚动，当其遇到突出物后，互相碰撞，如果碰撞角度适当，会产生撞击跳动。依照动量守恒原理，碎石越小弹跳越高，碎石越大，弹跳越低。滚动距离越长，碎石势能转化为动能越多，滚石速度就越大，破坏力就越大，拦截难度也就越大。因而，削弱滚石弹跳重要办法为：一是优化爆破破碎顺序，尽量由下向上开挖，减少碎石随坡一路滚下也许；二是密打孔优化块度，避免块度不均匀；三是及时清除爆破碎石和坡面松石，减少二次碰撞。(6)构筑滚石拦截台由于坡面角比较大，人工削方和爆破破碎后松石都会顺坡由上向下滚动，直接威胁到坡下坟地，因而必要采用必要拦截防护办法。拦截防护是一种被动防护，常用防护办法有落石平台、落石槽、拦石墙、拦石网和拦石堤等。综合考虑坡度、成本及拦截效果，拟定采用滚石拦截防护重要办法为构筑滚石拦截台，用以拦截滚石关承办爆破碎石或机械清理落下碎石。滚石拦截台设立于待保护坟地上方，如图4-6所示，由落石槽、拦石墙和拦石网三个重要某些构成，如图4-7、4-8所示。其中，拦石墙是由工地片石构筑起来一种高2米、顶宽1米、底宽2米梯形构造，并在该拦石墙底下钻了一排直径42mm、深2m孔，钻孔中浇筑用于加固长约2m工字钢梁或者大直径螺纹钢，其重要作用是缓冲滚石速度并拦截大某些滚石；拦石网是由钢架管和夹板等构成，高约4米，其重要作用是拦截由拦石墙上弹跳起来个别石块；落石槽是一种宽约4米（全球挖机行走）、深约2米槽形构造，重要用于收纳坡顶滚石，由挖机提前开挖成型。滚石拦截台位置滚石拦截台位置图3-3滚石拦截台详细位置图斜支撑斜支撑拦石网落石槽拦石墙危石区固定钢管地坟地图3-4滚石拦截台剖面构造示意图拦石墙拦石墙拦石网坟地危石区坟地固定钢管地图3-5滚石拦截台正面构造示意图（7）滚石破碎清运每次爆破碎石会沿坡面自然滚落到拦石墙前方落石槽中进行收纳，当滚石收纳到一定数量时，必要进行及时破碎并清运，只有完毕有效清理并检查合格后，才干进入下一次爆破作业。滚石破碎：对于个别大块滚石破碎，原则上不再采用爆破法解体，可以采用液压机械破碎法或人工钻孔“尖劈”办法等解决。碎石清运：在拦落石槽中积滚石达到一定数量时，可从拦石墙两头分别用人工/机械运走。3.2.3.5爆破飞石控制办法（1）爆破飞石形成石方爆破时，某些岩块脱离岩体抛掷至远处，形成爆破飞石。个别飞石是由于炸药爆炸能量在破碎岩石后，尚有较多剩余继续作功于碎石，使之获得很大动能及初速度。如遇有岩体构造上薄弱面（断层、裂隙、软夹层等），强大气体能量即从该处集中冲出，使该某些碎石获得极大动能并以很高初速（有时不不大于岩体鼓包运动速度几倍）向外飞出，同步爆炸应力波也会在构造面处产生反射拉伸作用从而形成飞石。在露天进行爆破时，从地质弱面或台阶炮孔上部冲出个别岩块所形成飞石可达数百米，也许对爆区周边人员、建筑和设备导致危害。可依照炮孔直径和爆破安全规程规定拟定个别飞石范畴，在炮孔抵抗线作用方向或下坡方向，个别飞石范畴更大。依照矿山爆破事故记录，露天爆破飞石伤人事故占整个爆破事故27%。（2）爆破飞石距离飞石抛落距离取决于抛射角、初速和地形、风向等各种因素，飞石自身形状和尺寸也有很大影响。山区爆破要考虑地形影响，沿山坡下方抛散时飞石抛落距离为：式中：V0―飞石初速度（m/s）；α―飞石抛射角（°）；β―山体坡角（°）；g―重力加速度，取10m／s2。抛射角α=45°时飞散最远，大量测试数据表白，松动爆破时飞石初速约为10~20m/s，本处山体坡角约45度，于是可以计算出爆破飞石最远距离为：20～80m。实践证明，正常浅孔松散爆破飞石普通不会太远。但是，由于填塞长度过小或最小抵抗线过小而形成爆破漏斗效应，以及岩石中具有软弱夹层，或由于过量装药、穿孔位置错误、工作面局部超挖、介质不均匀性、岩体有薄弱面、起爆顺序错误等种种因素，个别飞石距离也许不不大于200m，甚至更远。（3）飞石控制办法爆破飞石重要控制办法为：按设计方案科学施工，严格测量验收，是爆破飞石控制核心。钻孔前应当将表面覆土清除干净；装药前应认真校核各炮孔最小抵抗线及间/排距，如有变化，必要修正装药量，不准超装药量。施工过程中，要注意避免药包位于岩石软弱夹层或基本接打面，以免从这些薄弱面冲出飞散物。慎重对待断层、软弱带、张开裂隙、成组发育节理、溶洞、采空区、覆盖层等地质构造，采用间隔填塞、调节药量、避免过量装药等办法。保证填塞质量，既要保证足够填塞长度，更要保证填塞质量，堵塞物中要避免夹杂碎石。采用低爆速炸药，不耦合装药、挤压爆破和微差起爆等，可以起到控制飞石作用。在爆破施工中，需严格控制飞石时，应对爆破体采用覆盖或防护办法。比较有效办法为覆盖防护，如图4-9所示。其详细做法是：