微差爆破施工在公路工程中的应用

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  [摘要] 本文以某一级公路工程为例,针对公路修建时穿越高压电厂区等复杂地区的石方施工,提出了微差爆破法的施工方案,并就其技术设计、施工方法工艺、质量及安全控制措施作了介绍,有效确保了工程的施工进度和施工质量。
  [关键词] 石方路基 施工质量应用 爆破技术 微差爆破 山区高等级公路 爆破方法
  
  前言
  目前,随着我国经济建设的不断发展,高等级公路建设也逐渐由平原区向山岭重丘区发展。为了满足高等级公路的技术标准,必须克服波浪起伏、沟谷相间等不利地形,深挖高填土石方工程难以避免。因此爆破施工成为山区石质地带不可缺少的路基施工方法。路基爆破施工技术主要有:光面爆破,预裂爆破,微差爆破,定向爆破,洞室爆破。本文针对某一级公路修建时穿越高压电线、厂区等复杂地区的石方路基开挖施工,合理的提出了微差爆破法的施工方案,并就其技术设计、施工方法工艺、质量及安全控制措施作了介绍,不仅加快了路基工程的施工进度,而且确保了路基的施工质量。
  1工程概况
  某一级公路扩宽工程全长4.9 km,该项目采用一级公路山岭重丘区标准和平原微丘区标准。全线桥涵设计荷载:汽车一超20 级,挂车一120 级。公路沿线穿过几座大山,路基土石方共36万立方,其中石方总量为17万立方,该公路穿过本市新工业园开发区内,沿线经过厂房较多,地形地貌情况比较复杂,特别是有部分土石方地段上方有220千伏的高压电线架过。
  2爆破方案及安全防护措施
  2.1爆破方案的选择
  针对现场复杂的环境条件,经分析比较,研究决定采用微差爆破法施工。两相邻药包或前后排药包以毫秒的时间间隔依次起爆,称为微差爆破,亦称毫秒爆破,多发一次爆破最好采用毫秒雷管,当装药量相等时,其优点是:可减振1/3~2/3左右,前发药包为后发药包开创了临空面,从而加强了岩石的破碎效果,降低了岩石夹制力,降低一次爆破堆积高度、有利于机械作业、可节省炸药20%,并可增大孔距,提高每米钻孔的炸落方量,炮孔排列和起爆顺序,根据断面形状和岩性。
  根据现场山体特点,地质条件,环境情况及工程技术要求,决定采用潜孔钻成孔,中深孔松动爆破为主,结合浅孔修台阶和局部边坡,必要时以预裂或光面爆破组合人工,机械修整最终边坡。爆破效果要求进行松动爆破,以确保爆破飞石,地震波,冲击波不造成破坏作用。起爆采用电导爆管微差起爆方法。
  3爆破技术设计
  3.1 施工技术要求
  1)爆破施工时,应确保施工进度及施工质量,确保基础底部标高与设计标高偏差控制在±0.2m。
  2)爆破地震波、空气冲击波、飞石等不产生破坏性影响;且施工时,配备20 名专职安全员警戒,现场安装测震仪测振动波。本标段有多处为深路堑地段,开挖深度较深,需分别进行钻爆设计。边坡随开挖随防护,以防边坡顺层滑动,爆破引起的松动岩石及时清除;边坡突出的个别欠挖部分用风镐剥离,使其达到验收标准。清碴采取机械挖装运,人工配合。
  3)路堑爆破设计
  开挖石方采用台阶松动控制爆破,小型潜孔钻机配合风动凿岩机钻孔,坡面预留光爆层。深挖地段,石方面积较大、挖方较深且数量集中,主要采用潜孔钻机钻孔,实施台阶式深孔微差松动控制爆破。对于其余地段挖深较浅和方量不大的边坡、路基面修整采用风动凿岩机钻眼,浅孔微差松动控制爆破。为保证爆破效应,均采用大孔距,小排距,梅花形布孔(邻近系数m=a/b=2.0~2.5),并采用导爆管毫秒雷管实施逐排微差挤压爆破。为提高边坡稳定性和美观程度,在本合同段深挖路堑采用预留光爆层法进行光面爆破,边坡设计有台阶时分台阶进行光爆,设计无台阶时,从路堑顶沿坡面钻孔一次爆破到位。
  3.2爆破施工的安全技术措施有:
  ①炮眼应严格按规定的药量装药填塞。填塞时应注意保持导火索、导爆索及电雷管脚线的完整。
  ②装药必须用木棒把炸药轻轻压入炮孔,严禁冲捣和使用金属棒。堵塞炮泥时切不可击动雷管。
  ③炮孔深度超过4米时,须用两个雷管起爆;如深度超过10米,则不得用火花起爆。
  ④在闪电鸣雷时,禁止装药、安装电雷管和联接电线等操作,应迅速将雷管的脚线和电线的主线两端短路。
  3.3针对现场特点,确定以下安全防护措施:
  ① 警戒范围为对爆破区域所在公路两端200米进行封闭,并对爆破点辐射山头200范围进行清场封闭。
  ②为保护低矮通讯线、光缆线,采用毛竹剖成两半去芯后将光缆线包围在中间进行防护。
  ③在电线杆周围3米范围内不进行爆破作业,以保证现场原有架线线路的安全。
  ④在爆破区域外沿公路布设建筑脚手片防护墙,下部采用三排脚手片,上部采用双排脚手片,高度为6米左右。
  4爆破参数选择与计算
  爆破参数按设计值经过试爆,并在生产实践中不断对各项参数遂步调整和优化,以达到良好的爆破效果。
  (1)梯阶高度(H):H=2~8米
  (2)孔径(D):采用阿托拉斯潜孔钻打孔,D=90MM
  (3)底盘抵抗线(W1):是指第一排孔的装药中心至临空面的最短距离。为了避免爆破的主导方向向上形成“冲天”现象,要求最小抵抗线的数量不能大于梯阶高度H,一般为:W1=(30~40)D=2.7~3.6M,取3M计算有关参数。
  (4)孔深(L)和超深(h):超深(h):h=(0.15~0.35)W1=0.45~1.05m,取h=0.8m.孔深(L):L=H+h=15+0.8=15.8(m),按孔深15. 8m计算有关参数。其他孔深可以此类推。
  (5)孔距(a)和排距(b):
  ①对于较高山包:
  a=mW1=2.5m。
  式中:m—密度系数,m,对于一般条件下的爆破取m=0.7~1.4,通常m≥1,对于宽孔爆破,m=2.0~5.0。
  b=2.5。
  ②对于较缓坡地:
  a=mw1=2.0m。
  b=2.0。
  (6)炸药的单耗(K):本地区主要为灰岩(中硬岩)选:K=0.30-0.45Kg/m3,采用K=0.35Kg/m3计算单孔药量,按不大于K=0.25Kg/m3炸药的单耗量控制。
  (7)一次起爆的炮孔数(m)及炮孔布置:
  ①一次起爆的炮孔数30个左右,每次的爆破工程量约为5500m3。
  ②炮孔布置方式:水平炮孔布置:a*b=4m*3m.
  垂直炮孔布置:本设计以垂直孔为主,因底盘抵抗线为3m,孔边距为2.8m,在实际施工中因台阶的坡角不同时,不能同时满足底盘抵抗线为3m,孔边距为2.8m时,可改用倾斜孔,也可减少孔边距B的值或增大底盘抵抗线W1的值进行微调。
  (8)装药结构,堵塞及堵塞长度:
  ①装药结构:采用人工装药、连续装药结构。这种装药结构操作方便,工艺简单,且满足本工程施工的要求。
  ②堵塞及堵塞长度:本设计优先选取填塞长度3-5m。堵塞长度受填塞料质量的影响,当填塞物料是均匀颗料的岩粉时,填塞长度按上式计算的数值可获得比较理想的爆破效果,因此堵塞材料采用钻孔的岩屑,禁止使用石块和易燃材料,在有水炮孔堵塞时,还应防止堵塞料悬空,且施工中要确保填塞长度。
  ③单孔药量(Q):Q=qaWH(g)
  在施工中还应采用现场半工地试验,试爆或在生产实践中不断摸索,使各项参数逐步接近和优化,以达到良好的爆破效果。
  5起爆方法的选择和起爆网路设计
  微差爆破间隔时间的确定:确定合理的微差爆破间隔时间,对改善爆破效果与降低地震效应具有重要作用。在确定间隔时间时主要考虑岩石性质、布孔参数、岩体破碎和运动的特征等因素。微差间隔时间过长,则可能造成光爆孔破坏后的爆孔的起爆网络过短,则后爆孔可能因先爆孔末形成新自由而影响到爆破质量。间隔时间的长短按以下经验公式确定:
  Δt= KpW1(24-f)
  式中:Δt—微差间隔时间,ms;
  Kp—岩石裂隙系数。对于裂隙小的岩石,Kp=0.5;对于中等裂隙的岩石,Kp=0.75;对于裂隙发育的岩石,Kp=0.9;
  W1—台阶底盘抵抗线,m;
  f—岩石坚固性系数,本地区f=9-17。
  经计算,Δt= 15.75~33.75,选取Δt=25~30
  雷管:以非电毫秒延时雷管为主,毫秒微差间隔起爆。非电毫秒雷管抗水性和耐火性较好,不受杂散电流影响,操作安全,使用简单,起爆可靠性高,防止早爆,拒爆性能好,本工程一般以2-10段非电毫秒雷管为主。
  6爆破安全距离计算
  6.1爆破地震安全距离
  (1)地面地质点安全震动速度国家规定:按国家《爆破安全规程》对爆破地震安全性应满足安全震动速度的要求,主要类型的建(构)筑物地面安全震动速度如表1所示
  表1 主要类型建(构)筑物地面安全震动速度
  (2)爆破地震安全距离计算:根据爆区周围建筑物情况,按《爆破安全规程》规定,地面质点垂直振带Vc≤2.0 cm/s计,则爆破地震安全距离按下式计算:
  R=(K/V)1/αQm
  式中:R--爆破地震安全距离,m;
  Q—炸药量,Kg,齐发爆破取总炸药量,微差爆破或秒差爆破取量大一段药量;
  V—地震安全速度,cm/s;
  m—药量指数,取1/3;
  K、α—与地形、地质条件有关的系数和地震波衰减指数,可按表2选取,或由试验确定。
  表2爆区不同岩性的K、α值
  取K=150,α=1.5,m=1/3,R=250m,将V= 2.0cm/s代入计算得Q=2700 Kg。
  (3)爆破地震安全距离与最大一段(次)起爆药量的关系:根据爆区周围建筑物情况,按《爆破安全规程》规定,地面质点垂直振带V≤2.0 cm/s计,则爆破地震控制震动计算公式为:
  V=K(Q1/3/R)α
  令V= Vc,Q=Qmax,变形后即得不同距离R处允许的最大一段(次)起爆药量Qmax关系式:
  Qmax=(Vc/K)3/α*R3
  式中:Qmax—最大一段(次)起爆炸药量,Kg;
  Vc—被保护目标的安全震动速度,
  K、α—与地形、地质条件有关的系数和地震波衰减指数,K=150,α=1.5。
  将Vc=2.0 cm/s代入,可求出不同距离处R处所对应的最大一段(次)装药量Qmax,见表3
  表3不同程度与最大一段(次)装药量Qmax的值的对应表
  高压线下爆破的最小安全距离
  7爆破作业
  爆破之前清理山体表层植被和履盖层。覆盖层较厚时,利用推土机清除后进行钻眼;覆盖层较薄及岩溶发育地段,用人工清理植被及岩溶中积土后进行钻眼。布孔前对爆区进行详细调查(如层理、裂隙、临空面、爆体、台阶平整度、岩石类别及物理力学特征等是否有变化),并对清理后的地表标高进行测量,根据设计孔网参数和挖深进行布孔和确定各钻孔深度,如有需要,对参数进行调整。选择技术熟练的凿岩工人钻孔,先由技术人员按参数准确定位布孔,用红油漆标注,并把孔深、倾角向凿岩人员进行技术交底;边坡孔的钻孔质量要严加控制,在钻进到一半孔深时,提起钻头,用专用的炮孔测深仪和角度测试仪进行检查,根据钻孔实际情况决定是否调整钻杆倾角和钻机位置,以便进行纠偏,确保边坡孔角度误差不超过±1°,深度误差不超过±5%;孔口位置偏差超过两倍孔径时,重新钻孔。钻孔完毕后,技术人员对各孔实际孔深、孔距、排距、最小抵抗线和孔倾角进行测量记录,并根据实际孔网参数进行药量计算和装药。爆破施爆之前进行一次试炮,根据试炮对爆破设计进行优化,最终选择适合现场实际的爆破参数和炸药单耗进行爆破施工。
  8 结束语
  采用控制爆破技术,改变人们落后的爆破施工意识,探讨深挖石方路堑的快速优质施工技术,是山区高等级公路施工中亟待解决的问题。具体注意事项如下:
  (1)正确确定周边炮眼的位置、方向、深度、角度,并选用低密度、低爆速和高体积威力的炸药,是保证微差爆破成功和增强爆破效果的关键。(2)采用预留边坡保护层、分集或分条分层布置药包、松动或抛坍洞室控制爆破进行路堑主体方量开挖,然后至坡顶向下用挖掘机配合浅眼爆破进行刷坡和清方,能适用于各种复杂地形条件的深挖石方路堑开挖,且成本低廉。(3)采用预裂洞室控制爆破相结合的方法进行深路堑石方深孔爆破或松动爆破方快速开挖,然后用挖掘机、推土机、装载机配合自卸汽车联合清方,效果更为显著。
  总之,公路石方爆破施工必须根据路段地形地质、施工机具及工程整体安排等条件进行合理设计和组织施工。因此,根据工程实践总结积累经验,推广新的爆破技术是山区高等级公路修建的一项重要任务。
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