论高速公路石方路堑爆破开挖的工法

周炎林 中交二公局笫四工程有限公司

1 前言

纵观我国高速公路建设历程，我国高速公路经历了“瓶颈制约”、“总体缓解”、“基本适应”、“适度超前”等多个发展历程。截至2020年，我国高速公路达16.1万公里，公路规模总量位居全球前列。在高速公路如火如荼建设过程中，建设基础环境高度复杂，石方基础开始出现，为爆破开挖工法的应用提供了良好的条件。但是，因爆破开挖工法需应用炸药、雷管等爆破材料，安全风险极大，对操作者的专业技术水平具有较高要求。因此，探究高速公路石方路堑爆破开挖的工法具有非常重要的意义。

2 高速公路石方路堑操作项目

某高速公路项目主线起点为K0+000，终点为K112+450，通过互通连接已建成的高速公路，同时经下场、新井与拟改建高速公路相接，路线全长112.45km，辅道85.632km。该高速公路项目岩性上部主体为云母石英片岩+大理石斜长角闪片麻岩，局部分布薄层表土、硬亚黏土，平均挖方高度为8.62m，拟采用爆破法施工，设计爆破工程量为1450000m3。在爆破工程开展过程中，应保证爆破能量产生的地震波参数满足GB 6722—2014《爆破安全规程》中关于质点峰值振动速度的要求。爆破后石方路堑坚硬岩石挖方坡比为1∶75，从上层到下层分级挖方，每级高度为6.00m，中间留设碎落平台，碎落平台宽度为2.00m。

3 高速公路石方路堑爆破开挖的工法

3.1 施爆区调查

在高速公路石方路堑爆破开挖前，操作者应对爆破区内是否存在空中缆线进行调查，若存在空中缆线，则对空中缆线的高度、平面位置进行调查[1]。同时操作者应对爆破区地下是否存在管线进行调查，若存在地下管线，则需要对管线的埋置深度、平面位置进行调查。在这个基础上，操作者应对开挖边界线以外的建筑物进行调查，初步了解建筑物类型，观察建筑物的完好程度，并对建筑物距离开挖界面的距离进行测量。

在场地调查完毕后，测量放样，划定高速公路范围以及第一道坡的开口线，结合路堑设计图纸要求，放出截水沟位置，开始排水施工，保证排水通畅。进而利用挖掘机，将表面疏松、软弱土层清除，暴露坚硬岩石，为钻孔操作开展做好准备。同时面向路堑场地，进行标高的精准测量。根据所测量的数值，进行钻孔深度的严格控制，规避超深爆破下道破的不利影响。

3.2 制定爆破方案

在高速公路石方路堑开挖工法选择时，应综合考虑岩石节理发育程度、风化程度、岩石类别等因素，进行开挖方式判定。对于强风化岩石，可以直接利用机械开挖与人工开挖配合的方式，对于中风化岩石，则需要运用中小型爆破法。对于高速公路石方路堑爆破开挖，根据工程特点，结合进度要求和资源配置等因素，药壶法、光面法较为常用。主要目的：一是减少对路堑边坡及路堑基床下部岩石的爆破松动，二是提高开挖边坡的平顺性，减少超挖或欠挖。前者是将炮眼底部进行扩大处理，促使其维持药壶形状，为炸药集中装填提供充足空间。药壶炮炮眼具有较大的深度，适用于均匀致密硬质黏土或者次坚石，不适用于节理发育的软石或者地下水较发育的路堑地质。一般药壶炮的炮眼深度在5.0m～7.0m之间，需要远离高速公路设计边坡（与设计边坡水平距离超过最小抵抗线）。

药壶炮的用药量与单位岩石硝铵炸药消耗量、最小抵抗线（阶梯高度0.5～0.8倍）具有一定关系，而单位岩石硝铵炸药消耗量根据地质的差异也具有一定差异，单位次坚石硝铵炸药消耗量为0.28kg/m3～0.34kg/m3，而单位坚石硝铵炸药消耗量为0.34kg/m3～0.35kg/m3。若为单排群炮用电雷管起爆，则每排内炮眼之间的距离为相邻两炮之间最小抵抗线平均值的0.8倍或1.0倍；若为多排群炮，各群药包之间的距离为相邻两炮之间最小抵抗线平均值的1.5倍。

除药壶法外，还可以运用光面爆破法。光面爆破法主要是以控制爆破作用的方向、范围为对象，沿开挖线轮廓进行小间距炮孔的平行布置。利用不耦合装药+小药卷空间间隔装药模式，进行少量低密度、低爆速、低猛度炸药（如2#岩石乳化炸药）装填，控制炮眼装药高度为炮孔深度的1/3～1/2（特殊情况需小于2/3）后，进行封堵。进而利用电雷管+非电毫秒雷管在同一时刻引爆。爆破时，因爆破振动作用较少，沿炮孔中心连接线会破裂为光面，可为石方路堑开挖轮廓控制提供帮助。光面法爆破开挖时炮眼深度可根据岩石坚硬程度计算，眼间距则需综合考虑岩石节理发育程度、岩石类别进行计算，一般采用电雷管起爆的眼间距为最小抵抗线的0.8倍或2.3倍。若选择多排炮爆破，需要选择梅花形布置方式，进行炮眼布置，并控制每一排炮之间的距离为同一排炮孔之间距离的0.86倍。

对于案述工程中开挖深度小、坡度平缓的路段K0+000～K111+435，沿着路堑边坡横断面，逐层推进中小型爆破开挖。第一步，利用单排药壶炮开挖阶梯，阶梯宽度为12.5m～14.5m，阶梯深度为4.00m。同时将4个最小抵抗线为4.00m的孔装入横断面，控制炮眼之间的距离为最小抵抗线的0.8倍，每一个炮眼用药量为19.5kg。第二步，利用药壶炮排炮爆破，形成阶梯，阶梯宽度为12.5m～14.5m。同时将4个最小抵抗线为3.12m的孔装入横断面，控制炮眼之间的距离为每孔最小抵抗线的0.8倍。为保障爆破效果并控制个别飞石的飞散，每一排药包之间的距离为3.00m，每一个炮眼用药量为9.5kg。第三步，利用光面炮，沿着边坡爆破，形成开挖边坡。

对于案述工程中开挖深度小、坡度陡峭的路段K111+435～K112+450，沿着路堑横断面，逐层推进爆破。即横断面上部采用药壶炮，将4个最小抵抗线为3.12m的孔装入横断面，炮眼之间的距离为3.00m，每孔装入9.50kg的炸药；横断面下部采用光面炮，将2个最小抵抗线为6.00m的孔装入横断面，炮眼之间的距离为7.60m，每个孔内需要装入52.1kg的炸药，促使横断面形成阶梯，阶梯宽度为14.0m～15.5m。

4 高速公路石方路堑爆破开挖的质量控制要点

4.1 平整场地钻孔

爆破作业在施工前，进行详细设计并进行爆破试验，通过试验进一步修正爆破设计。根据本标段实际情况选择浅孔爆破法，台阶高度3m～4m，由风动凿岩机钻孔，炮孔方向大致与台阶壁面垂直或平行，采用塑料导爆管非电复式起爆网路，孔内和孔外相结合的微差爆破网路，起爆网路布置方式为大孔径、小排距梅花形，可以在提高破碎效果、降低大块率的同时，降低爆破振动效果对周边构筑物、植被的冲击。同时严格控制用药量，确保爆破后基床、边坡和堑顶山体的稳定、不松动，爆出的坡面平顺，底板平整。

根据设计图可知，案述高速公路石方路堑爆破方量为102.58万立方米，零点标高左右下挖7.25m。根据现场勘测爆破作业区，结合给定零点标高，可以进行布孔平面图的绘制。进而依据坡高6.00m的标准，进行两排孔眼打设，第一排孔与开口线相距3.00m，第二排孔与开口线相距6.00m。同时确定钻孔深度，孔与孔之间的距离为3.00m，每一排孔之间的距离为3.00m[2]。钻孔应尽量具有一定倾斜度，孔倾斜方向与坡面相同。一般可利用多排垂直孔布置工法，沿着与石方路堑面呈90°（或80°）的方向，钻设直径为90.00m的孔，为岩石粉状乳化炸药装填做好准备。

在确定工法操作方案后，操作者可以利用挖掘机与推土机配合，将现场区域内路堑覆盖层、强风化岩石完全清除后，进行现场便道平整修理，恢复路基中线，并将边线放出，牢固钉上边桩。在平整场地后，放出孔位样点，根据表1要求，利用冲击式钻孔机械，依据先边缘后中间、先前方再后方的顺序，进行钻机对位[3]。钻机对位后，依据硬质岩体快速钻设、软质岩体缓慢钻设的原则，进行机械钻孔操作，保证孔洞口完整、孔壁光滑。

表1 钻孔参数计算

钻孔阶段需要进行孔位偏差、倾角的严格管控，在确定两者均与规范要求相符后，可以移开钻机。钻孔完成后，需要将炮孔内废弃渣土清出孔洞，并根据设计值，进行孔与孔之间的距离、每一排孔之间的距离、孔倾斜度、孔深度等检查。成孔后，操作者应将保护钻孔作为首要任务，严格禁止设备碾压以及碎石堵塞。

4.2 爆破器材检查与装药

在确定钻设孔洞与要求相符后，专业施爆人员可对爆破区管线进行复核。确认无误后，对现场爆破器材进行检查。同时检查孔位、孔深是否与设计要求相符，若发现卡孔现象，可以利用炮棍或重锤进行孔洞疏通。疏通完毕后，装填炸药及雷管。

基于压渣效果提升要求，选择连续装药法，线性装药密度为5.0kg/m，装药高度为5.00m。装药结构如图1所示。

图1 装药结构

图1中，引爆炸药处于药柱中间位置，基雷管聚能穴则处于炮眼底部。为控制石方路堑爆破开挖效果，操作者可以选择炮眼底部设置一段不装填炸药的空心炮孔，或者在底部或者中间部位进行石子、木棍（长度大于6.00cm、小于10.00cm，直径为炮孔直径的1/3）装填。全程操作需贯彻轻填轻压的原则，设置完备的引爆线路保护装置。为了保证最佳炸药爆炸效果，在装药完毕并清除炮孔内水分后，操作者可以利用砂黏土混合物、砂，进行炮孔堵塞。

4.3 敷设起爆网路并起爆

根据图2敷设起爆孔后，操作者可以依据爆破设计方案，根据爆破负责人指挥，由药室出发，逐步向主线、电源方向接近，完成起爆网络敷设任务。

图2 起爆孔敷设平面图

顺利起爆后，操作者可以将边坡危石清除，利用推土机配合铲运机，沿纵向出土填方。同时观察开挖断面，适当清理暴露孤石、整修边坡，规避超爆现象。在路堑开挖至设计标高后，可以对断面尺寸进行复核，适时开挖排水沟槽，达成一次标准成型验收目标。若爆破后存在瞎炮情况，则需要操作者沿着导洞将塞填物、爆体逐次取出。进而利用水灌的方法完全浸没药室，在促使炸药彻底失去效果后，迅速投入自卸式汽车或挖掘机挖除、运走石方。在石方挖除的同时，修整边坡，保证路堑边坡平顺度。

在运走松散石料边坡成型后，可以开始下一道路堑边坡的爆破挖开。一般需要在距离瞎炮一定距离内另外搭设炮眼爆破，或者直接利用裸露药包爆破的方法（炮眼较浅时）。由上层到下层依据路堑边坡逐级爆破开挖，直至路堑边坡面层开口线、路基处于同一平面内。此时，利用同时起爆开挖路堑边坡，若开挖深度处于较大的数值，可以依据每层12.00m的标准，分层起爆开挖。而在雨季操作时，除了保证开挖现场排水设施完善良好外，操作者还可以进行每层底部纵坡的设置，预先进行路堑边坡厚度的设置，避免雨水冲刷造成路堑边坡失稳。

需要注意的是，在开挖过程中，操作者应时刻关注岩石岩层质地变化，结合前期勘测图纸，判定两者是否存在偏差。对于爆破后高处松动、失稳边坡，应尽早利用挖掘机或自卸汽车清除，或者采取加固措施，确保路堑操作过程稳定安全。

4.4 零星孤石的爆破

在石方路堑向下开挖过程中，随着操作空间变窄，零星孤石成为干扰操作的主要因素。零星孤石一般具有两个以上的临空面，临空面越多，爆破单位体积石块所消耗的炸药量就越少，爆破效果也越好。对同样体积的岩石，每增加一个临空面，单位炸药消耗量可减少10%～20%。因此，在实际施工中，尽可能增加需要爆破石块的临空面，如清除石块周围的堆积物，上次爆破为下次爆破创造临空面等。对于存在裂纹大块零星孤石，操作者可以选择凿岩机凿碎，经自卸式汽车或挖掘机运走，避免零星孤石对后续操作造成干扰。对于坚硬一体的零星孤石，操作者可以选择推土机、装载机逐一推走，避免选择炸药炸碎的方式，这主要是由于炸药炸碎零星孤石过程中会形成“天女散花”似的飞石，造成500.00m以外的挖掘机风挡玻璃击穿效果，具有较大风险。

5 结束语

综上所述，开挖是我国高速公路石方路堑项目建设操作中至关重要的一环，而石方路堑的开挖势必伴随着爆破操作。为了保证爆破作业安全、平稳进行，爆破开挖工应根据高速公路石方路堑特点，制定爆破方案，选择恰当的爆破器材与凿岩机具。进而在起爆网路中，计算爆破振动、爆破飞石的安全距离，针对性制定、开展安全管理措施以及警戒策略。