摘要：爆破技术是加快施工进度和保证施工质量的有效措施，并在公路石方路基施工中的应用广泛。本以海南海屯高速公路工程为例，对高速公路路基石方爆破技术进行了阐述，可为相类似的工程提供参考借鉴。
关键词：公路工程；路基；爆破；施工质量；进度；稳定性
我国地势条件不一，道路施工条件愈发复杂，由于许多自然条件的阻碍和制约，导致工程进展缓慢且可能会导致质量下降。因此，在这样地质条件复杂的地方进行公路施工，为了保证施工的效率、质量以及进度，采用的最常用的方法就是爆破。本文通过工程实例，从结硐室爆破技术、深孔爆破技术以及路堑边坡控制爆破技术三方面对公路路基石方爆破技术进行了详细论述。
1 高速公路工程爆破技术
随着交通基础设施建设规模的不断扩大，高速公路石方爆破技术迎来了重要的发展机遇。王鸿渠创建了“多边界石方爆破理论”，建立了一整套因地制宜的公路石方综合爆破方法。20世纪90年代以来，随着高速公路建设规模的不断发展，深孔爆破、预裂爆破、光面爆破技术等在公路工程中得到越来越广泛的应用，进一步丰富和发展了高速公路石方开挖的技术手段。
1.1 硐室爆破技术
1.1.1 多边界石方爆破理论与技术
多边界石方爆破理论与系列技术，是北京工业大学与我国公路部门合作研究建立的，专门用来开挖山包、山梁路基和线路通过鸡爪地形发育地段的一套有效的爆破设计方法。
多边界药量计算公式是多边界石方爆破体系的核心。基于机械能守恒、功能平衡原理以及量纲分析结果，并辅之以适当假设，王鸿渠建立了具有独创性的多边界药量计算公式：
Q=KW3F（E，α）=KW3φ（E）f（α） （1）
式中：E为抛掷率（或抛坍率）（%）；F（E，α）为药包性质指数；α为自然地面坡度（°）；φ（E）为抛掷率的函数。
在新建山区公路中，所遇到的多面临空地形多半是山脉的侧面、受地质作用和表面径流作用形成的突出山包、山峰支脉、与路线相交的冲沟地形，以及路线通过的波浪起伏的峡谷或鸡爪地形发育地段。多面临空地形的路堑，按其长度以及路基中心开挖深度的不同，可分为小、短、长、深4种类型。多面临空地形爆破理论和设计方法是专门用来开挖该4类地形路基石方的施工方法，其中最具代表性的成果当数“三多爆破法”，即在深挖路堑中采用多层、多次起爆的多面临空地形爆破，使深挖路堑一次爆破成型。
多边界石方爆破体系的主要特点为：药包的爆破作用同时考虑了各类地形条件的变化；爆破理论以炸药提供的动能和介质中潜在的位能共同作用为基础，消除不同地形下的多余爆能以及过多的炸药用量；建立了因地制宜并与各类地形边界条件相适应的爆破设计方法；药量计算公式中包含了地形边界条件与爆破效果，即建立了炸药量、地形边界条件和抛掷率三者的关系。
1.1.2 条形药包硐室爆破技术
山区高速公路工程建设，大量石方必须采用爆破方法开挖。提高爆后边坡质量、确保边坡稳定，对于降低工程成本、保障运营安全具有十分重要的意义；同时，也对高速公路石方爆破技术提出了新的更高要求。
硐室爆破具有施工简单、工期短、成本低等优点，其缺点是大块率较高，且易损坏边坡。为了充分发挥其优点、克服其缺点，硐室爆破的装药结构由以集中药包为主逐步发展到以条形药包为主。条形药包与集中药包相比最显著的特点是能量分布均匀，相对减少大块和过度粉碎，爆破振动有害效应小，对边坡破坏较轻，侧向飞散少，且有利于抛体堆积和集中。
条形药室硐室爆破通用药量计算公式：
Q=f（n）KW2L （2）
式中：Q为药包装药量（kg）；K为条形药包标准单位炸药消耗量（kg/m3）；W为药包最小抵抗线（m）；f（n）为爆破作用指数函数，在W≤25m时，如n≤1，一般f（n）=0.5（1+n2）。
近年来，高速公路石方路堑设计，对边坡质量提出了更高要求，大多明确提出不允许进行硐室爆破施工。硐室加预裂一次成型综合爆破技术很好地解决了这一问题。
所谓硐室加预裂一次成型爆破技术，是在路堑主体石方爆破部位采用集中或条形药包爆破，路堑边坡采用预裂爆破；在硐室药包作用比较薄弱的部位，根据具体情况可适当布置深孔以改善破碎质量。该项综合爆破技术充分利用了硐室、深孔、预裂爆破的各自优点，一次起爆分段延时，使路堑开挖按设计要求一次成型。工程实践表明，硐室加预裂一次成型爆破技术在公路尤其是高等级公路路基石方开挖施工中将有广阔的发展前景。
1.2 深孔爆破技术
随着深孔钻机和装运设备的不断改进、控制爆破技术的不断完善和爆破器材的发展，深孔爆破在改善和控制爆破质量、实现石方机械化作业和快速施工等方面的优越性越来越明显，并已成为高速公路石方爆破的首选作业方式。深孔爆破技术及其发展主要体现在3个方面，即布孔方式、装药结构和起爆方式。
1）钻孔布置主要体现在宽孔距、小抵抗线爆破技术。该技术是在保持炮孔负担面积不变的前提下，加大孔距、减小抵抗线，即增大炮孔密集系数的一种爆破技术。研究和实践表明，该项技术对于改善爆破质量、降低炸药单耗、增大延米爆破量等具有优势。
2）装药结构一般采用连续装药结构和分段装药结构，而混合装药结构和孔底间隔装药结构则是深孔爆破技术的进展。所谓混合装药结构，系指在炮孔内通过自动装药技术改变炸药密度，或者在孔底装高威力炸药、上部装普通炸药；所谓孔底间隔装药结构，系指在炮孔底部留出一段长度不装药，以空气、水或柔性介质为间隔介质，以此来改变炸药的爆炸作用，控制爆破对周围岩石的过度破碎。
3）起爆方式主要体现在毫秒爆破技术的广泛应用。所谓毫秒爆破，系指相邻孔间、排间或孔内以毫秒级时间延期顺序起爆的爆破技术。首先，采用毫秒爆破技术，由于应力波的叠加作用，加强了爆炸应力场的做功能力；其次，先爆炮孔形成的爆破漏斗和漏斗外的微裂隙对后爆炮孔而言，相当于新增加了临空面；再次，当前一响炮孔起爆、破碎岩块尚未落地时，后续炮孔起爆，岩块在空中相遇并相互碰撞，产生了补充破碎作用。由于毫秒爆破显著减少了单响药量，因此无论在时间上还是在空间上都降低了爆破振动的有害影响，同时显著改善了爆破破岩效果，因而在路基石方爆破工程中得到广泛应用。
1.3 路堑边坡控制爆破技术
获得平整、顺直、稳定并与设计轮廓基本吻合的边坡，对于路基工程具有特别重要的意义。路堑边坡控制爆破，即是一种控制设计开挖轮廓成型的爆破技术，其特点是通过采取减少装药、均匀布药的措施使开挖边界之外的岩体中的应力和破裂减至最低程度。预裂爆破和光面爆破技术是目前控制轮廓质量最常用也是最有效的方法。
1）预裂爆破预裂爆破是在主炮孔爆破之前先起爆布置在开挖线的预裂孔，爆破的结果是在相邻孔之间形成裂缝，整个预裂孔的布孔平面形成一个断裂面，以减弱主爆孔爆破时地震波向边坡岩体的传播并阻断向边坡外发展的裂隙。采用预裂爆破，由于在开挖区和保留区之间预先形成一条裂缝，主爆区爆破的应力波传到预裂缝时将被反射掉一部分，使透射到保留岩体中的应力波强度减小，从而达到减振的目的。另外，预裂缝切断了爆区传来的裂缝，避免其伸入保留岩体内，使其不被破坏。
2）光面爆破光面爆破是沿设计开挖边界布设密集炮孔，采用不耦合装药或装填低威力炸药，在主爆区爆破之后起爆的，以形成平整开挖轮廓的爆破作业。光面爆破的特点在完整岩体中表现得十分明显，爆破后形成的开挖面光洁平整，非常美观，并且爆破裂隙不发育。但是，在软岩中，特别是在一些不均匀的岩体和构造发育的岩体中采用光面爆破时，从表面上看效果不明显，有时甚至连一个炮孔的痕迹也看不到。但是，在破碎岩体中进行光面爆破时，它在减轻围岩破坏、减少超挖等方面作用不可忽视。
2 应用研究
2.1 工程概况
海屯高速公路工程路线全长72.3837公里，起点至丘海互通5.78公里（含丘海互通）由海口市按城市道路建设；丘海互通至终点段66.6037公里，采用高速公路标准，双向四车道，路基宽26米。拟建高速公路沿线山体自然状态下基本稳定，大部分岩石质地坚硬，风化程度较大。爆破岩石主要为花岩石，表层岩石风化严重，节理裂隙比较发育。部分爆破施工区域需采取有效的防治措施，以确保周围设施、各类建（构）筑物以及既有交通线安全。
2.2 路基爆破方案设计
2.2.1 爆破设计方案
根据开挖路段的设计资料、周边环境以及工程地质条件，确定如下控制爆破方案。
1）采用深孔松动爆破方案，根据路基设计台阶形式，逐层爆破开挖，典型炮孔布置如图1所示；同时严格控制炮孔堵塞长度及装药量，将爆破飞石距离控制在一定范围内。
图1 K23+550横断面炮孔布置
2）采用数码电子雷管，实现逐孔（或逐排）精确延期控制爆破；对于孔深超过10m的炮孔，采用孔内与孔外延时相结合，控制爆破振动对路堑边坡稳定性的影响。
3）基于地形地质条件，选择合理的装药结构，即适度加大孔底药量、分层装药、分层堵塞等，在严格控制爆破振动和飞石的前提下，改善爆破破岩效果。
4）临近设计路堑路堑边坡，采用缓冲爆破技术，通过控制孔网参数和单孔装药量，最大限度地减缓主炮孔爆破对路堑边坡的破坏。
2.2.2 深孔爆破参数选择
1）孔径Φ采用潜孔钻机，孔径Φ取90～110mm。
2）孔深L根据路堑开挖深度h和超钻深度确定，一般开挖深度h为5～10m。钻孔设计时，根据路堑台阶高度确定；临近路堑路堑边坡，兼顾路堑边坡设计、控制岩体损伤来布置钻孔。
3）孔网参数结合现场地形、地质条件，设计最小抵抗线W=2.5～3.0m，孔距a=3.0～4.0m，排距b=2.5～3.5m。
4）堵塞长度根据岩石性质和周边环境，堵塞长度ΔH控制在（0.8～1.2）W，同时加强炮孔堵塞质量。
2.2.3 药量计算
根据能量守恒原理和岩体爆破作用特性，多边界条件下深孔爆破装药量计算公式：
Q=KF（E，α）·aWh （3）
式中：E为抛掷率（%）；F（E，α）为药包性质指数，其中α为地形坡度（°）；K为单位炸药消耗量，取K=0.35～0.40kg/m3。采用抛坍控制爆破，基于多边界药量计算公式、岩体性质以及现场试爆，计算得到不同孔深主炮孔药量如表1所示。
表1 深孔爆破装药量计算
2.2.4 逐孔精确延时起爆技术
基于路基爆破开挖工程的环境条件以及类似工程研究成果，采用电子雷管起爆技术，设计孔间延期时间为10ms；排间根据钻孔布置，由外侧向路堑边坡延期时间50～125ms。
2.3 振动监测与分析
路基开挖爆破振动监测点布置如图2所示，振动速度与频谱分析如图3所示，下台阶爆破时沿路堑上边坡质点峰值振速传播规律如图4所示。
图2 下台阶爆破开挖测点布置示意
图3 下台阶爆破测点1振动速度波形
图4 下台阶爆破沿路堑边坡测点振速衰减
根据图3，4分析可知，临近边坡的测点1（距离爆源21m）振动速度最大，达到29.8cm/s，主振频域40Hz左右；随着距离爆源的增加，质点峰值振速衰减缓慢。图4中测点2峰值速度异常（偏小），可能与现场埋设传感器位置有关，但是总体速度峰值衰减规律趋近实际。
根据监测结果，参照相关爆破振动控制标准，可以推断路堑边坡岩体局部虽有轻微拉裂破坏现象，但不会影响边坡整体的稳定性。
3 结语
总之，在高速公路建设工程中，经常会遇到石方爆破作业，这是一项关键性的作业，因为石方爆破的质量直接制约着工程的进度，合理的爆破方案、严格的过程控制、专业的爆破队伍是保证爆破质量和安全的关键。因此，在对路基石方爆破施工的过程中，管理人员一定要提升管理意识，做好协调与统筹，对于施工中遇到问题需要及时加以妥善处理，并保证其平整度达到规范要求，避免影响填方路基的压实效果，造成路基成型后的不均匀沉降、边坡的垮塌等后果，从而进一步提升工程施工的效率。
参考文献：
[1]刘医硕；王喜博；钱立坤.控制爆破在石方路基中的应用研究[J].科技致富向导.2013（03）
[2]刘杰.石方路基施工中爆破方法的综合运用[J].中国科技博览.2012（17）
论文作者:谢博松,杨许强,张文
论文发表刊物:《基层建设》2015年33期
论文发表时间:2016/11/24
标签：路基论文; 技术论文; 药量论文; 药包论文; 地形论文; 炸药论文; 光面论文; 《基层建设》2015年33期论文;