溶洞对岩质边坡爆破开挖的影响研究

黄伦胜

（四川省国土空间生态修复与地质灾害防治研究院，成都 610084）

0 引言

在喀斯特地区开展爆破施工时会因为溶洞的存在而产生较大的不确定性，使爆破施工的效果难以提升。学者陈述云[1]分析了相关喀斯特岩层特征和喀斯特岩层台阶爆破技术，对爆破效果进行探究，余红兵等[2]用ANSYS/LS-DYNA对爆区附近的溶洞进行分析，岩体位移和振速是否受到爆破施工的直接或者间接影响；学术论文[3～7]对喀斯特地区爆破施工的技术措施进行研讨；江政杰[8]在岩质高边坡爆破施工过程中对既有线的防护措施进行深入分析。为探究岩质边坡溶洞对爆破开挖施工的影响，本文以六盘水—黄果树高速公路高岩质边坡开挖为例，基于有限元对岩质边坡深孔爆破过程进行数值模拟过程，研究改进爆破施工关键技术。

1 溶岩岩质边坡爆破参数

六盘水—黄果树高速公路边坡一标段范围内有多个岩质边坡，最高挖方高度达59 m，同时该工程多处边坡临近高压线、民房、省道等对爆破敏感建（构）筑物。根据现场情况，拟采用的爆破参数见表1。

表1 爆破参数

2 溶岩岩质边坡爆破有限元模拟

分析爆破作业时溶洞对边坡开挖的实际影响，采取两种不同的工况，一种是溶洞不存在的情况，另外一种是装药正好通过溶洞的情况。在分析的过程中需要对爆破过程加以考虑，溶洞在靠近临空面时对爆破的影响相对来说过于明显，所以对临空面附近的溶洞情况进行重点分析，为了便于分析将半边溶洞建于临空面，见图1（a）。为了让整个内容更加简单化，溶洞通常塑形为椭圆形，溶洞高为2.5 m，半宽为1.6 m，上台阶面与溶洞顶部距离为4500 mm，和临空面的最小距离为900 mm，黏土溶洞内部的主要填充物为黏土。对不同的两种工况，炮孔的半径是0.04 m，主要爆破方式是斜孔爆破，边坡坡比为1，炮孔与边坡临空面距离为2500 mm，最小抵抗线也是500 mm。除了网格划分外，数值模型也采用四边形单元，为了提高计算精度，将炮孔附近的网格加密，所有模型一共划分成为3709 个相同的单元，边界用投射边界，总体数值模型图见图1（b）。

图1 溶岩岩质边坡爆破模型

2.1 数值模拟参数

边坡岩体为强风化的白云岩，物理力学参数见表2。

表2 岩体物理力学参数

炸药采用JWL状态方程进行模拟，其表达式为：

式中：A、B、R1、R2和ω为材料常数；P 为压力；V 为相对体积；E0是初始比内能。炸药材料的主要输入参数见表3。

表3 炸药参数

2.2 不同工况计算结果分析

2.2.1 两种工况下动应力分布特征

图2 爆破载荷下岩质边坡动应力分布

①不存在溶洞工况，动应力分布见图2（a），由图2（a）可知，岩体剥离区内动应力值相对较小，而且沿着炮孔方向动应力分布比较均匀，表明爆破后岩体破碎将较为均匀；②存在溶洞工况，动应力分布见图2（b），由图2（b）可知，爆破剥离区内部的动应力变大，沿炮孔方向动应力分布不均匀，动应力较大的区域破碎效果较好，动应力较小的区域破碎效果较差。

2.2.2 两种工况下破坏范围分布特征

另外一个重要参数是等效塑性应变势。①不存在溶洞工况等效塑性应变分布见图3（a），由图3（a）可知，等效塑性应变最大值分布于炮孔两侧，且沿炮孔方向等效塑性应变分布较为均匀，爆破后，岩体破碎相对来说比较均匀；②存在溶洞工况等效塑性应变分布见图3（b），由图3（b）可知，分布于炮孔两侧的是等效塑性应变最大值，沿炮孔方向等效塑性应变分布不均匀，特别是与溶洞同边坡自由面两者之间的区域内，等效塑性应变相对不大，造成爆破后岩体破坏不均匀，产生大块岩体。

图3 爆破载荷下岩质边坡等效塑性应变分布

2.2.3 两种工况下爆破振动速度的分布特征

存在溶洞工况下质点振动速度分布见图4（a），不存在溶洞工况下质点振动速度分布见图4（b）。如果不存在溶洞，它的振速能够从炮孔往两侧逐渐传播，如果存在溶洞，振动波沿溶洞界面产生反射作用，溶洞内部自身的填充物拥有相对较大的振动速度，但是溶洞外侧岩体振速相对不大，可能造成两种不同的结果产生：①存在较大溶洞的外侧岩体如果有良好的整体性，结合上述动应力同等效塑性应变的分析可知此处岩体可能难以破碎，在爆破后也容易形成大块岩体；②溶洞外侧岩体相对较为破碎，且强度不大，此时溶洞内部振速较大，动能可以传递于破碎的岩块，岩块得到了相对较大的动能，产生飞石。

图4 爆破载荷下岩质边坡振动速度分布

3 溶岩岩质边坡爆破施工关键技术

3.1 施工方案

岩质边坡控制爆破开挖技术适用于对岩质边坡坡面和平台的平整性有要求的边坡爆破开挖，同时也适用于岩质边坡对爆破振动有限制的工程。

岩质边坡的爆破开挖中，当远离对爆破敏感的建筑物时，在主爆区主要采用深孔控制爆破，为了控制大块率和抵抗线，采用斜孔爆破形式，在临界边坡设计坡面和设计平台时，为防止对设计坡面和平台的损伤，采取如下措施：①待边坡开挖至边坡设计线6～8 m 时，先采用静态爆破预裂边坡设计面，在边坡坡面和开挖石方之间形成减震带，减小深孔爆破对设计永久坡面的影响，提高施工质量，减少人工刷坡工作量；②对爆破振动波向下传播进行消能，在孔底铺设松砂，并在砂上方放置铁砂混凝土球，利用球体反射爆炸冲击波，使得冲击波由竖向传播变为水平传播，不仅有利于减小爆破留根率，提高爆破效率，还可以减小冲击波对平台岩石的损伤，并通过球下的砂垫层进一步消耗冲击波的能量，起到保护孔底预留的边坡平台岩体的作用，减少平台岩体的损伤和扰动，提高开挖施工质量，避免边坡爆破开挖中超欠挖或人工刷坡的工作量。

岩质边坡的爆破开挖中，当附近存在既有建筑物时，应采取如下措施：①控制爆破单响的药量，采用浅孔爆破，必要时采用静态爆破设置预裂减振缝；②侧向飞石控制需要优化孔距和抵抗线设计，防止抵抗线过小导致大量飞石；向上飞石采用砂袋压孔，避免形成孔口漏斗导致大量飞石；整个爆破区域采用炮被覆盖，控制个别飞石；③在既有建筑物前设置防护措施；④通过爆破振动监测，不断优化爆破施工方案。

如果部分边坡开挖区域没有爆破条件，采用静态爆破结合机械开挖的方式。

3.2 浅孔爆破设计

3.2.1 炮孔设计

浅孔台阶爆破选用凿岩机钻孔，钻孔直径d 为36 mm＜d＜42 mm；台阶高度H=1～3 m；最小抵抗线W 根据所需控制飞石方向而定，取1.8～1.0 m。钻孔深度一般取2.0～3.0 m，可根据现场实际情况作调整；坚硬岩石孔距a=（0.7～0.9）W，排距b=（0.85～1.0）a。浅孔台阶爆破的炸药单耗值K 取0.55～0.70 kg/m3，最终通过进行1～2次试爆确定K值。按梅花形布孔（见图5），在施工中，可根据实际地形变化情况，作适当调整。

图5 浅孔爆破炮孔布置示意图

3.2.2 装药和堵塞

浅孔装药采用连续性装药形式。炮孔除了装药段和孔口保留段外，其余必须满堵，保证堵塞质量。

3.2.3 爆破网络

（1）起爆次序和雷管选择。采用孔内延期逐孔起爆方式，同一排孔起爆时间间隔为20 ms，不同排孔起爆时间间隔为50～55 ms。为了准确控制起爆时间间隔，采用数码电子雷管进行起爆。

（2）爆破网络设计。每排前面孔依次逐孔先起爆，后排对应孔跟随后起爆，形成斜向起爆方式。为了安全起见，主网络两发以上雷管均采用复式联结。反绑地面网络雷管，使用击发针激发起爆。每次或每区域爆破炮孔数目控制在35个以内，每排炮孔控制在8个以内（见图6a）。

图6 起爆网络示意图

3.3 深孔控制爆破参数设计和施工

3.3.1 炮孔设计

按经验公式，最小抵抗线W=（0.6～0.8）H =2.4～3.2 m。根据a=mW，式中m 为炮孔密集度系数（即孔距与排距之比），一般取1～1.2。a=（1.0～1.2）W=2.4～3.2 m；孔距a 取3.0 m、排距b 取2.0 m。炮孔按矩形布置。

3.3.2 分集间断柱装药结构

单孔分多段进行装药，不少于两段，根据实际情况适当地加孔底部位装药量，装药过程中，孔口1/3 部位装药相对较少，存留一定的药柱间的间隔长度，孔口需依据标准回填堵塞，各起爆雷管置于药柱段的2/3 处，采用条状药卷加工起爆体。分集间断装药结构见图7。

图7 深孔爆破炮孔分集间断装药结构图

3.3.3 堵塞

炮孔除装药段和孔口保留段需要堵塞之外，其余一定要满堵，保证堵塞质量。深孔爆破炮孔保证孔口堵塞长度不能小于2.8 m，并且满足比最小抵抗线大的要求，依据炮孔深度以及最小抵抗线确定各个药柱间的堵塞长度。当堵塞回填到孔口段时，采用软粘泥进行封口，并用竹杆捣实，防止孔口段漏水。孔口段必须保留50 cm 深的空孔段，采用环保注水进行回填，以便起到爆破防尘降噪作用。

3.3.4 爆破网络

所有施爆雷管均采用非电毫秒雷管或数码电子雷管，其准爆率达到99.9%以上。采用Ms-2 或MS3、Ms-5 段和Ms-11 段3 种段别雷管进行孔内外微差延期起爆，Ms-2或MS3段为孔外（地面）逐孔网络传送延期雷管，Ms-5段为每排延迟雷管。每排前面孔依次逐孔先起爆，后排对应孔跟随后起爆，形成斜向起爆方式。主网络两发以上的雷管均采用复式联结，每次或每区域爆破炮孔数目控制在35个以内，每排炮孔控制在8个以内（见图6b）。

4 结语

六盘水—黄果树高速公路一标段高岩质边坡开挖工程综合采用了浅孔爆破、深孔爆破和静态破碎剂的方法进行施工，同时采用静态预裂和阻抗消能的方法，降低了边坡开挖施工风险，提高了施工质量，减少了后期人工修坡的费用，取得了良好的效果。