岩溶区邻近边坡岩体爆破技术研究

李保文，陈文尹

(中铁四局集团第七工程分公司，安徽 合肥 230031)

岩溶是指可溶性岩石(碳酸盐岩、石膏、岩盐等)受到含有CO2的流水的化学溶蚀作用以及冲蚀、潜蚀和崩塌等机械作用而形成的特殊地貌，往往呈奇特形状，有洞穴、溶洞、峭壁、石沟等形态。在岩溶区邻近边坡岩体爆破开挖施工中，岩溶构造的存在不仅会降低爆炸能量的利用率，产生较多的大块及爆破根底[1-3]，也会诱发严重的爆破飞石[4-5]，不利于施工质量、进度、安全与成本控制。针对岩溶发育情况下的邻近边坡轮廓岩体爆破开挖进行科学研究，对保障岩溶区岩体爆破开挖工作安全、高效、经济的开展及提高边坡轮廓成型效果具有极为重要的意义。

众多工程技术人员与科学研究人员针对岩溶区爆破技术开展了细致的研究工作。杨庭林等[6]分析了溶洞对爆破效果的影响，提出了“避、移、变、堵、托”五种处理方法。孙新礼等[7]发现采取优化爆破孔网参数、使用空气间隔和孔底起爆的方法，能有效减少根底和大块。李春辉等[8]探讨了溶洞的大小、与炮孔相对位置、洞内填充物等对爆破抛掷方向、爆破方量及安全技术的影响，并提出了相应的工程措施，较好地解决了岩溶发育地区爆破安全问题。近年来，数码电子雷管因具有延时精度高、延期时间设置灵活、安全性好、操作简单方便等优点，受到了广大工程技术人员和科学研究人员的关注[9-11]。任翔等[12]指出通过高精度雷管实现逐孔起爆能有效避免溶洞引起的拒爆事故，数码电子雷管被逐渐应用于岩溶区岩体爆破开挖中。这些研究工作为岩溶区岩体的爆破开挖提供了很好的参考，但多数只针对孔网参数、装药结构、起爆方式及起爆网路中的一方面或几方面作出了优化和改进，没有针对岩溶区岩体爆破整个开挖工作形成全面、系统的施工方案。除此之外，现有研究侧重于提高岩溶区岩体破碎效果，对于岩溶区临近边坡岩体轮廓面成型质量的控制技术关注较少。

综上，目前关于岩溶区邻近边坡轮廓岩体爆破技术还需要开展更加深入的研究工作，本文针对岩溶区邻近边坡轮廓岩体爆破开挖过程中存在的问题，研究了集炮孔布置优化、钻孔质量控制、溶洞位置及大小探测、装药结构优化、起爆网路优化等方法于一体的爆破技术，工程应用取得了良好的爆破效果。

1 岩溶区邻近边坡轮廓岩体爆破开挖问题

岩溶区邻近边坡轮廓岩体爆破开挖施工过程中，经常遇到的岩溶类型地表以上的为溶穴或称溶蚀漏斗，地表以下的为溶洞[12]。地表上的溶穴、地表下的溶洞、岩体节理面及裂隙面等相互连通情况十分复杂，精确定位所有溶洞的位置、走向和深度是困难的，需要花费大量的时间和成本，这对于实现岩溶区邻近边坡轮廓岩体安全高效、快速经济开挖是相当不利的。溶洞的存在会对钻孔爆破施工及爆破效果产生巨大影响，主要表现在：

1)岩溶区钻孔工作中，当钻孔通过溶洞时，易造成偏帮溜眼，使钻孔倾斜，严重时会造成卡钻，导致钻杆、冲击器及钻头的脱落。

2)改变抵抗线方向。当炮孔距溶洞的距离小于设计最小抵抗线时，爆生气体向邻近的溶洞内泄漏，改变了抵抗线方向，炮孔内压力迅速降低，从而导致其他方向的裂隙停止发展，爆破能量分布不均匀，降低了炸药能量利用率，产生较多的大块和飞石。

3)诱发爆破飞石。当溶洞距离自由面较近，可能造成爆炸能量向此方向集中，诱发爆破飞石。

4)导致拒爆。被裂缝或溶洞连通的相邻炮孔的装药产生殉爆时，如果采用导爆索微差起爆网络，爆轰波就会反向传递，改变原设计的起爆顺序，并可能导致成片拒爆。

5)增大边坡局部保留岩体的损伤深度，影响边坡轮廓成型效果。

针对以上情况，在岩溶区邻近边坡轮廓岩体爆破开挖中应采取各项技术措施，消除溶洞产生的不利影响，提升爆破效果。

2 爆破技术研究

对于地表以上的溶穴，先进行工程地质分析，当表层岩体存有溶穴时，记录溶穴的大小和位置，如果溶穴沿深度方向大于1.0 m，或溶穴最大截面最长边大于1.0 m时，则优化炮孔布置方案，避免在此较大溶穴处布置炮孔；对于有炮孔穿越的溶洞，依次采取钻孔质量控制、溶洞位置与尺寸探测、炮孔装药结构优化、起爆网路优化等方法进行处理。

2.1 钻孔质量控制

利用图1所示的孔位校准装置控制钻进方位角。钻孔时，移动吊线，将三角铁锥悬停在需要钻设的炮孔对应的校验孔正上方，钻孔时保证钻杆和吊线对齐重合，没有偏差即可保证炮孔方位角的准确性。钻孔过程中记录钻杆钻进速度，判断是否出现溶洞，若有则记录其具体位置。

图1 炮孔孔位校准装置结构与使用原理示意图

2.2 溶洞位置与尺寸探测

当炮孔穿越溶洞时，需要根据溶洞尺寸选择合适的装药结构。当钻设好炮孔后，通过溶洞位置及尺寸测量装置，复测溶洞的尺寸位置，测量装置如图2所示。该测量装置，基于溶洞的直径要大于炮孔直径的特点，当预留一段处于松弛状态的测线在下放过程中突然张紧，即到达溶洞顶端；当橡胶轮被卡住，装置无法继续下降即达到溶洞下端，这样就可以较为准确地测量炮孔穿越区溶洞的尺寸及位置，并做好记录，便于后续炮孔装药等操作。

图2 溶洞位置及尺寸测量装置

2.3 装药结构优化

根据炮孔类型(主爆孔、缓冲孔与轮廓孔)及溶洞的位置和尺寸，选择合适的炮孔装药结构。对于未穿越溶洞的主爆孔、缓冲孔及轮廓孔，按照爆破设计常规装药。当炮孔穿越溶洞且溶洞尺寸较小(边长小于1 m)，以溶洞为界将炮孔分为上段炮孔和下段炮孔，在上段炮孔中，自孔口至孔底依次为孔口堵塞段、溶洞上段炸药和上段封堵段；在下段炮孔中，自溶洞底部依次为溶洞下段封堵段与下段炸药；导爆索连通在上段炸药和下段炸药之间。实际施工中，首先根据溶洞的大小及分布信息，并结合炮孔参数，确定下段炸药长度、下段封堵段长度、上段封堵段长度、上段炸药长度及导爆索长度；然后把炸药和导爆索绑扎在竹片上，导爆索底端伸入至一节下段炸药的位置，待导爆索底端与下段炸药顶部连接后装入炮孔下部，完成溶洞下段装药，并在溶洞与下段炸药之间用岩屑填充，形成下段封堵段；接着利用支撑杆斜撑在溶洞中，在支撑杆的上方设置间隔袋，支撑杆与间隔袋形成支撑结构，实现上段炸药和下段炸药的分隔；最后，溶洞与上段炸药之间用岩屑进行填充，形成上段封堵段，并利用吊绳辅助进行上段装药，导爆索顶端伸入至一节上段炸药中，起爆雷管设在上段炸药的中部。穿越溶洞的主爆孔、缓冲孔典型装药结构图如图3所示。对于穿越溶洞的轮廓孔，实际施工中上段炸药与下段炸药均绑扎在竹片上，溶洞位置不绑扎炸药，将一定长度的柔性间隔物分别绑扎在溶洞顶部与底部的竹片上，不设置封堵段。

图3 穿越溶洞的主爆孔、缓冲孔典型装药结构示意图

2.4 起爆网路优化

为了避免炸药能量从溶洞处泄漏及溶洞对邻近炮孔的起爆与破岩产生不利影响，同一排较大溶洞周边炮孔同段起爆，穿越溶洞的炮孔与同一排邻近的不含溶洞的炮孔同段起爆，采用高精度数码电子雷管起爆网路，严格按照爆破设计中的起爆延时起爆。

3 工程应用

3.1 概况

广西麦岭(湘桂界)至贺州高速公路贺州支线土建工程一标段，路线经过杨岩北、大清池北、百富农场，于终点K10+100处设置望高互通立交与国道G323连接，路线全长9.34 km，总造价3.4亿元。公路设计为双向四车道，整体式路基宽度26 m，设计时速为100 km/h。路基挖方95.1万m3，其中挖石方32.1万m3。石方挖方段岩石为石灰岩，表面呈中风化状态。岩体节理裂隙发育，局部发育有小型溶穴。爆破区域距最近的民房约70 m，距施工厂房约130 m，爆破环境十分复杂。

3.2 爆破设计

麦贺支线石方开挖段自上而下分层开挖，根据开挖部位不同，又分为主爆破区和邻近边坡轮廓岩体开挖区，即分层、分区开挖，以麦贺支线K3+120路基横断面中高程162.78～169.45梯段邻近边坡轮廓岩体开挖为例，开挖坡比1∶0.5，实际梯段高度为8.0 m，自梯段前侧临空面至边坡轮廓面依次布置主爆孔、缓冲孔和轮廓孔，主爆孔采用梅花形布孔，其钻孔倾角为90°，采用预裂爆破技术，预裂孔与缓冲孔钻孔倾角与边坡开挖坡比一致。主爆孔间排距为3.0 m×2.5 m，单耗约0.45 kg/m3；缓冲孔距最后一排主爆孔2.0 m，缓冲孔间距为1.5 m，预裂孔间距为0.9 m，预裂孔距缓冲孔1.5 m，炮孔直径均为90 mm，预裂孔线装药密度为500 g/m，主爆孔堵塞长度为1.5～2.5 m，缓冲孔堵塞长度约为2.0 m，预裂孔堵塞长度约为1.0 m。钻孔过程中发现有2个主爆孔、2个预裂孔穿越溶洞，其中1个主爆孔内溶洞较大，调整了此处炮孔布置，如图4所示。

图4 穿越溶洞炮孔在爆区平面位置图

不含溶洞主爆孔装药段采用φ70药卷连续装药，含溶洞主爆孔装药结构示意图如图3所示。缓冲孔未穿越溶洞，缓冲孔装药段采用φ50药卷连续装药。含溶洞预裂孔装药结构示意图如图5所示。炮孔的起爆顺序为：预裂孔→主爆孔→缓冲孔。主爆孔2～3孔一段起爆，缓冲孔3～5孔一段起爆，为控制最大单段药量，预裂孔分两段起爆。穿越溶洞的炮孔内炸药起爆时，炸药能量容易从溶洞处泄漏，且会对邻近炮孔的起爆与破岩产生不利影响，此时，穿越溶洞的炮孔需与同一排邻近的不含溶洞的炮孔同段起爆，若采用导爆管雷管，因高段位导爆管雷管起爆延时误差较大，难以满足工程需求，为了严格控制起爆延时，本工程采用高精度数码电子雷管起爆网路，数码电子雷管型号为ED-GX1/16000P-B8，延期时间≤150 ms时，误差≤±1.5 ms；延期时间≥150 ms时，相对误差≤±1%。

图5 含溶洞预裂孔典型装药结构示意图

3.3 爆破效果

根据爆破过程的高速摄影资料可以发现，各炮孔按照设计的爆破延时依序起爆，未发生拒爆。爆破效果如图6所示，爆后块度不大且比较均匀，未见明显大块，爆后轮廓面比较平整，半孔率较高，边坡保留岩体也未产生明显裂痕，爆破效果良好，保障了岩溶区岩体爆破开挖工作安全、高效、经济的开展。从多次爆后的现场情况可以看出，主爆孔排数以3排为宜，第4排主爆孔因距离临空面较远，岩石块度较大，增加了二次破碎的成本。

图6 爆破效果图

4 结 语

针对岩溶区邻近边坡轮廓岩体爆破开挖过程中存在的问题，提出了岩溶区邻近边坡轮廓岩体爆破技术，首先根据工程地质条件分析得到表层岩体溶腔分布和

大小，并优化炮孔布置方案；然后利用研发的炮孔孔位校准装置严格控制钻进方位角，并根据钻杆钻进速度变化初步判断溶腔位置；接着利用研发的溶洞位置及尺寸测量装置复测溶洞的尺寸及炮孔溶洞位置，并依据测量结果优化炮孔装药结构；最后根据炮孔是否穿越溶洞，优化起爆网路，采用电子雷管起爆网路，严格控制起爆延时。将提出的爆破技术应用于广西麦贺支线岩溶区岩体爆破开挖施工，岩体破碎效果与轮廓面成型效果较好，爆破飞石得到有效控制，工程设计及结果可为同类爆破施工提供参考。