正交临近既有铁路高边坡的高铁路堑爆破

李新继,胡青松

(1.西成铁路客运专线四川有限公司,成都610036;2.四川路桥桥梁工程公司,成都610031)

近年来随着高铁建设的飞速发展,临近既有铁路新建高铁线路的工程建设项目越来越多,特别是临近既有铁路的高铁路堑、隧道的土石方开挖爆破施工对既有铁路的安全影响突显。在保证新铁路线工程建设稳步推进的同时,如何确保既有铁路的运营安全,日益受到重视。目前国内在临近既有铁路的土石方工程、隧道工程施工对既有铁路的安全影响及防护措施方面研究较多。林发展[1]对上跨既有铁路的隧道爆破施工进行了振动测试与拟合分析,佐证了赋存临空面对减小爆破振动效应的有利影响;叶宗毅[2]提出在繁忙的运营铁路线复杂环境条件下如何采用安全防护措施,高效进行施工作业。按照铁路安全管理条例[3]、铁路营业线施工安全管理办法[4]、爆破安全规程[5]的有关规定,在既有运营铁路周边进行爆破作业时,需对爆破施工方案进行一系列审查和报批,分级进行安全监管,由铁路部门配合施工和安全管理。临近既有铁路爆破施工效率高,但存在一定的危害效应,而石方静态破碎配合机械开挖对既有铁路的安全影响小,但工效低下。如何解决或平衡这一工程建设过程中的实际问题,成为燃眉之急。目前对临近既有铁路的爆破施工有害效应和极限短距离优化方案鲜有研究,本文介绍了基于西成高铁剑门关车站路堑开挖正交临近既有宝成铁路的工程实践,从保证既有铁路正常安全运营的角度出发,对爆破方案设计、施工防护措施等方面进行的研究和分析,阐述了对路堑施工方案进一步优化的设想和见解。

1 工程概况

新建西成高铁剑门关车站,D3K424+649.9～+860段为深路堑土石方开挖工程,全长210.1 m,线路走向与既有宝成铁路线垂直交叉(通过桥梁上跨正交),该段路堑临近既有宝成铁路沙溪坝至竹园坝区间ZK387+120-ZK387+320下行线区段,小里程处于既有铁路左侧山坡上接桥梁台尾,开挖边界距既有铁路最近水平距离为13.27 m,高差31.12 m。路堑开挖与既有铁路位置关系如图1所示。

图1 路堑与既有铁路关系Fig.1 Relation of road cutting and existing railway

1)地质情况。地层从上至下分别为粉质黏土、碎石土、泥岩夹砂岩。砂岩主要为细～中粒结构,中厚～厚层状,钙质胶结,岩质坚硬,节理发育,多属Ⅳ级软石。

2)施工分2个区。D3K424+649.9～+720段采用静态破碎加机械开挖,方量为4.9万m3;D3K424+720～+860段采用浅孔爆破开挖,方量为9.5万m3。爆破距既有铁路最近水平距离70 m,距附近民房133 m,距石油管道80 m(见图2)。

图2 施工区域环境Fig.2 Environmental of the construction area

2 爆破方案

2.1 深路堑开挖

根据工程环境特点和岩石地质情况,确定在距宝成线70 m范围外路堑开挖,采用露天浅孔小台阶延时松动控制爆破方案;70 m范围内采用静态破碎与机械配合开挖。静态破碎机械开挖从紧邻宝成铁路边坡顶部向大里程成都方向开挖;浅孔爆破从远离宝成线的大里程向小里程方向开挖,即爆破主临空面朝向成都方向。为防止爆破飞石、爆破地震波等对既有铁路电力、信号、通信网路等设施造成破坏,根据路堑横向较宽的情况,采用分区爆破方式,即“中间纵向预留隔墙台阶爆破法”进行开挖。沿线路纵向中间预留隔墙3～6 m宽,随着两侧爆破开挖后台阶的降低再对隔墙进行爆破,由两侧向中部采用排间延时起爆。路堑主爆破区台阶高度2～3 m,采用逐排延时起爆网路。为保证路堑基面岩石的完整性,开挖临近基面小于1.0 m时,采用小孔径密集钻孔,小药量延时爆破,遇到岩石比较破碎松软时,用人工撬挖或挖掘机振动锤破碎等方法。路堑两侧边坡进行预裂爆破,保证路堑边坡坡面平整,坡度一致。爆体顶部采用重型主动防护网或炮被覆盖,在既有铁路方向一侧采用移动式简易防护排架等防止爆破飞石。

2.2 爆破参数

1)爆破顺序和台阶布设。由大里程向小里程,由上至下逐层爆破开挖,边坡采用预裂爆破技术,沿边坡线按设计坡度斜向钻孔,预先爆破开一条裂缝面,然后再爆破主爆体。主爆体采用分层和小台阶爆破开挖,每层2～3 m,每次爆破时起爆6～8排孔,侧向主临空面指向大里程,采用方形布置炮孔(见图3),台阶爆破横断面如图4所示。

图3 炮孔布置(平面)Fig.3 Layout of blast holes(plan)

图4 台阶爆破横断面Fig.4 Bench blasting cross-section

2)孔网参数及单孔装药量。采取纵向多排延时爆破方法,具体孔网参数及实际单孔装药量如表1所示。隔墙孔孔网参数及装药量根据现场实际隔墙厚度及临空面等因素适当调整。

表1 浅孔爆破参数及单孔装药量Table 1 Short-hole blasting parameters and amount of charge per hole

根据浅孔爆破经验和现场试验情况,炸药单耗取0.28 kg/m3,主爆体单孔装药量按公式Q=Kab H计算[5],其中K为炸药单耗,kg/m3;a、b为炮孔间距和排距,m;H为台阶高度,m。

边坡预裂孔装药量按公式Q=q线h计算[6],其中q线为线装药量,现场取q线=0.26 kg/m;h为孔深,m。主爆孔采用底部连续装药,填塞长度1.0～1.3 m;预裂孔采用间隔装药,填塞长度0.6～0.8 m。

2.3 起爆网路

按照边坡孔先起爆,主爆区炮孔后起爆的起爆顺序,主炮孔采用“逐排孔外毫秒延时起爆网路”方式(见图5)。炮孔内均用MS7段雷管。边坡预裂孔及第1排孔采用MS1段毫秒雷管引爆;孔外排间用MS2段或MS3段毫秒雷管(延时25 ms或50 ms)逐排引爆,每次同时起爆5～8排炮孔,每排同段最多起爆6个炮孔,最大起爆药量13.2 kg。

图5 毫秒延时起爆网路Fig.5 Millsecond dealy initiation network

3 防护措施

临近既有铁路路堑爆破,首要考虑的问题是如何控制爆破飞石危害。

3.1 爆破体覆盖及移动式排架防护

1)在爆破体上覆盖胶皮炮被或布鲁克网加土袋进行防护,且每一次爆破作业都要覆盖炮被或布鲁克网。当网格在10 cm×10 cm以上时,其内侧再增加柔性小规格钢丝网,土袋置于网上炮孔处(见图6)。

图6 覆盖防护断面Fig.6 Cover protection section

2)采用移动式简易防护排架。用钢管和柔性钢丝网结合,加工成高5～6 m的排架,爆破时放置在较近的既有铁路方向一侧,距爆区后排炮孔2.0 m的位置,作为第2道防线,防止爆破飞散物向铁路方向飞出。

3.2 紧贴高边坡柔性网加刚性排架组合防护

临近既有铁路两侧200 m安装栅栏,左侧坡面处设置柔性和刚性组合防护,即坡面贴合式柔性网加双层钢管竹排架组合的防护措施。

1)贴合式柔性网。在坡面钻孔安装锚杆,从上向下铺设主动防护网,先安装纵横方向的支撑绳,再安装主网,主网间搭接重叠宽度不小于5 cm,两张网搭接以及网与支撑绳间用φ1.2 mm铁丝按1 m间距进行绑扎。

2)双层钢管竹排架。为防止石块滚落、滑动影响既有铁路行车安全,路堑开挖前,在既有铁路高边坡一侧设双层钢管竹排架,对滚落、滑动的石块进行拦截,作为最后一道防线,其两侧设置被动防护网。

钢管竹排排架长61.2 m,高31.17 m,由φ48 mm钢管、φ22 mm锚杆、竹排等拼组而成。钢管竖杆、横杆间距1.5 m,交叉结点用锚杆(φ22 mm,长3 m)锚固在边坡岩体内,锚杆外露部分与排架铰接,增加排架稳定性,排架的顶部用钢丝绳(φ12 mm)拉地锚固定。钢管内侧绑扎竹排封闭,形成全封闭双层钢管竹排架防护体系。钢管排架安设时顶部要超出原地面线2 m,随着路堑开挖高度的降低适时从上而下拆除(见图7)。

图7 坡面防护Fig.7 Slope protection

4 爆破安全校核及探讨

由于本工程路堑开挖临近既有铁路高边坡,因此由铁路部门和专家等对施工方案进行评审和论证后,最终确定在距宝成线70 m范围内的路堑开挖采用静态破碎配合机械开挖,70 m范围外的路堑开挖采用露天浅孔松动控制爆破的方案。其目的是为了最大程度地降低爆破开挖对既有宝成铁路的安全影响。因此,为了对既有铁路的保护,进行了爆破振动与爆破飞石的验证。

4.1 爆破振动效应的安全距离验算

由于路堑爆破区域周边有需要保护的民宅、铁路、石油管道等,因此必须考虑路堑开挖爆破振动的危害效应,按照《爆破安全规程》(GB 6722-2014)[5]规定,采用萨道夫斯基爆破振动速度公式:

式中:v为测点处的质点振动速度,cm/s;Q为装药量(齐发爆破时为总药量,延时爆破时为单段最大装药量),kg;R为测点至爆破中心(药包中心)的直线距离,m;K为与爆破场地条件有关的衰减系数;α为与地质条件有关的衰减指数。

根据爆破区域为中等硬度的砂岩和村民住宅位于爆破区域东南方的情况,选取K=200,α=1.5。主爆区按排间顺序延时起爆,同段最多起爆6个炮孔,其最大装药量为13.2 kg。将主爆破区与既有铁路设定的最近距离,与民房、石油管道对应的不同距离等分别代入式(1)计算,得到需要保护点的最大振动速度值(见表2)。

表2 爆区不同距离对应的爆破振动速度Table 2 Blasting particle vibration velocity for different distance of blasting area

村民房屋、石油管道处的爆破振动速度值均小于《爆破安全规程》[5]规定的安全值,经综合考虑确定的安全允许值为2.5、2 cm/s。对于既有铁路爆破振动速度值,规程未具体规定,加之浅孔爆破振动的主频率与铁路运行列车引起地面振动的频率[7](10～100 Hz)范围基本一致,与重载列车通过时引起的地面振动效应相似,爆破振动持续时间较短,因此综合考虑,认为振动速度值取5 cm/s较为合适,其值以下不会对铁路路基和设备、设施的安全造成影响。因而在爆区距既有铁路最近距离至少为30 m时,爆破振动效应对既有铁路是安全的。由于同段装药量13.2 kg分别装在长度为8 m的6个炮孔内,其实际爆破地震波效应比计算值要更小,因此路堑爆破不会对村民房屋、石油管道、既有铁路等造成振动危害。

4.2 爆破飞石最小安全距离验算

采用浅孔小台阶延时松动爆破[6],按爆破飞石计算公式Rf=20Kfn2W计算,其中Rf为爆破飞石距离,m;Kf为与地形、风力等有关的系数(无风时1～1.5,有风时1.5～2.0),本次爆破背向铁路和民房,取小值Kf=1.2;n为爆破作用指数,松动爆破取n=0.7;W为抵抗线,取W=1.2 m。经计算,在没有炮被防护情况下Rf=14.11 m;在爆体上采用炮被及沙袋等防护措施时,爆破飞石可控制在更小范围内,因此爆破飞石最小的安全距离取Rf=14 m。保守认为是距高边坡防护排架的最小距离,由于边坡顶部边缘距既有铁路边线水平距离13.27 m,最小高差12.18 m,则爆破飞石最小安全距离为29.87 m,取30 m。由此判定爆区距既有铁路最小距离为30 m时,爆破飞石安全可控。

综上所述,实际的路堑开挖方案还有较大的优化空间,理想爆破区边界距既有铁路的最小距离为30 m,爆区纵向长度范围还可扩大40 m。采用优化的爆破方案其石方量增加2.29万m3,静态破碎配合机械开挖的石方量相应减少2.29万m3,工效上将会有极大的提高。按相关预算定额计算分析,优化方案有望使施工成本节约500万元以上。

然而从爆破工程安全验算的结果来看,70 m的范围界线并没有什么理论依据,只是现阶段人们较普遍认为爆破距离越近就越不安全,爆破距离远则相对安全。由此如何找距离最近和安全的平衡点,或者说进行方案比选以求得爆破方案最优化是应加以深思和探讨的。

基于本方案的施工环境,在爆破方式采用浅孔小台阶松动控制爆破、爆破体进行覆盖防护及在既有铁路高边坡进行组合式防护措施等均不变的条件下,路堑开挖方案的优劣即是采取浅孔台阶爆破的范围大小差别,在安全的前提下,爆破范围越大、爆破开挖方量越大、距离既有铁路越近,则认为方案越优。而爆破施工对既有铁路的安全影响应主要考虑爆破振动、爆破飞石等的危害效应。

5 结语

西成高铁剑门关站深路堑石方爆破开挖历时4个月顺利完工,施工中未出现安全事故,路堑边坡顺直平整,保证了临近宝成铁路的正常安全运行。爆破施工的成功表明,在临近既有铁路进行路堑石方开挖时,根据现场环境、地形地质条件,距既有铁路远近不同,应采用针对性的施工方案,区别不同开挖方向,如横向分区、纵向分台阶、竖向分层等。进行合理的爆破参数设计和选择,利用纵向隔墙分区、采用浅孔小台阶爆破、延时起爆网路等技术,是确保施工效率和既有铁路运营安全的基础。

采用安全防护措施是临近既有铁路高边坡路堑开挖爆破施工安全管理的重点。施工时除建立爆破安全组织机构,配备相应的安全防护人员,在既有铁路外设置24小时人员值班防守外,还应采取在爆破体上覆盖、高边坡处设置柔性网加钢排架等组合式防护措施,每一次爆破均应在列车通过的间隙进行,并且在有效的安全监管和现场指挥下进行钻孔、装药、填塞、联线、覆盖、警戒和起爆,继而巡查、排险、解除警戒,这些均是路堑开挖爆破施工中保证既有铁路安全运行的有效手段。

临近既有铁路路堑爆破施工方式多样,地形、地质、环境等条件各异,具体施工方案的提出和确定,需要根据现场情况,铁路营业线施工安全管理的有关规定[3-4]等不断比较和完善,文中阐述的爆破开挖方案仍有进一步优化的空间,供同行在类似工程实践、安全管理等方面予以借鉴和参考。