工程实例：多边界石方爆破在铁路工程的应用
摘要：本工程运用多边界石方爆破理论进行爆破设计施工，根据应用情况就如何提高炸药利用率进行了分析讨论；针对各种地形的红色砂砾岩爆破，提供几种参考施工方案及主要爆破参数值；对爆破效果评定，进行了量化并提出了若干标准，可为同类工程的质量控制提供借鉴。
关键词： 路堑施工 砂砾岩爆破 质量控制
一、前言
在各种工程爆破中，特别是大型爆破工程，炸药费用几乎占整个工程造价的60%~80%，如何在大型爆破中提高炸药能量的有效利用率，以节约炸药而达到降低工程成本的目的，是目前急需解决的问题之一。众所周知，炸药能量的有效利用率是很低的，在扬弃爆破中仅为1~7%，土中甚至不到1%；在松动爆破中最大达20%~25%。而在实际爆破施工中，即使相同的石质由于施工方法及地形的差异，炸药单耗可在0.2~1.1kg/m3之间，相差数倍。不做功的大量爆能，主要是消耗在使药包周围岩体产生过度粉碎和塑性变形上，以及爆炸时，初压力过高，爆能过于集中，爆炸产物很快在岩体薄弱处冲出，不做功即逸散于大气中。因此要提高炸药能量的有效利用率，和炸药有效爆能的做功（利用）率，就必须减少能量的损失，使它最有利的重新分布，延长爆炸产物在介质内的作用时间。目前国内外所有集中药包的爆破理论和爆破方法，都是建立在平坦地形基础之上的，而路基石方爆破施工，绝大多数在崇山峻岭、波浪起伏微地形变化十分复杂的条件下进行。平坦地形爆破体系由于在药量计算公式和爆破设计中，没有考虑岩石本身所具有的势能，没有充分利用药包的球形爆炸作用，设计或计算出的用药量偏大。综合分析本工程开始阶段20余次爆破施工过程，存在以下问题：1、大块率高，清碴装运困难；提高炸药用量，容易产生飞石；且石碴过度破碎。2、边坡平整度差，超炸、超挖。为了充分利用不规则自然地形的有利条件，就必须根据不同的地形和自然地面横坡度，使用恰当的爆破方法。
二、工程概况
新建铁路赣州至龙岩线土建工程“2合同段”，位于江西省赣州市于都县境内。本标段处于赣江支流的红色丘陵盆地，相对高差一般为20~100m，地势较缓，植被稀疏。河流两侧阶地发育，较平坦开阔，乡镇居民点较密。沿线地层主要为第四系中更新统冲积层粘土、砂粘土、砂圆砾土、卵石土；下伏中生界白垩系上统赣州组巨厚砂砾岩（Kj），局部粉砂岩，偶夹煤层；少量凝灰岩，深处岩溶发育。线路经过地形复杂，大部为深挖高填地段。根据纵横坡度把本标段地形大致分为以下三种：1、平坦地形2、倾斜地形3、山包地形，几种地形状态及施工顺序如图所示。沿线所经地区地震基本烈度小于或等于6度。
说明：
1、图中数字为施工顺序。
2、分次爆破，每次爆破方量依实际地形、设备配套情况而定，图中仅为示意。
3、台阶高度一般6~7m。
三、方案确定
（一）根据设备情况本工点采用深孔爆破和药壶爆破两种方法。开挖方式采用纵向错台分层开挖，必要时采用分层拉槽开挖，台阶高度为6~7m。施工时遵循以下原则：
1、尽可能增加开挖工作面和运输线，使各工序平行作业，提高施工进度。
2、充分利用和保持装运地势高差，加快装车速度。
3、每段路堑开始施工时，以改造地形为主，尽快打开工作面，为正规循环作业创造条件；为爆破提供多个临空面，充分利用岩体本身的势能，提高炸药爆能利用率。
四、爆破设计
本工程爆破设计采用精度1︰200的地形图，为减少测量外业工作量，一般不单独进行地形测量，由设计线路纵、横断面图、平面图绘制成大比例尺地形图；个别地形复杂地方只进行加密测量，采用1︰500的地形图。
（一）深孔松动爆破
本工程使用CL-100型潜孔钻机钻孔，孔径100mm。
1、平坦地形
（1）底盘抵抗线W底，根据巴隆公式估算
W底=d√7.85⊿L/qmH
式中 d-炮孔直径（dm）， 1.0；⊿-装药密度（g/cm3），0.6；L-有效装药长度（m），3.6；q-单位炸药消耗量（kg/m3）0.36；m-密集系数,1.0；H-台阶高度（m），6m。
W底=d√7.85⊿L/qmH=2.8米
经过几次试炮，结合其他方法选取W=2.8米
(2)孔距a=mW底= 2.8米
(3)排距b=a=2.8米
(4)超深h=0.15W底=0.42米
(5)孔深L=6.42米
(6)堵塞长度l2=0.75W底=2.1米
(7)单孔装药量
考虑边界条件根据下式计算
Q=KaWHF（E，α）
式中K-岩石标准抛掷爆破单位炸药消耗量，本工程中K=1.2kg/m3；
W-最小抵抗线，W =2.8米；
H-台阶高度，H =6米；
F（E，α）-药包性质指数，与抛掷率E、自然地面坡度α有关的函数，在平坦地形台阶爆破时，取F（E，α）=0.33；
Q= KaWHF（E，α）=KaWH F（E，α）
=18.2千克
(8)布孔、起爆网路与装药结构
采用矩形布孔,多排孔微差爆破。炮孔布置及连线方式如图所示，图中数字为起爆顺序。一般采用垂直炮眼，为控制飞石方向及石碴抛坍方向，也可采用倾斜炮眼。采用导爆管起爆非电毫秒雷管。用8号火雷管击发导爆管，各排孔内分别用3段、5段、7段、9段等雷管起爆。采用间隔装药反向起爆，两段装药间用导爆索连接。
(9)装药量调整
由于实际地形的不规则，地质情况不完全一样，潜孔钻机钻孔时还要选择合适的场地，因此每个炮孔的实际深度、最小抵抗线会有差距，在装药时要分别计算，调整装药。
2、倾斜地形
炮孔深度随地形调整，单孔装药量计算公式中药包性质指数F（E，α）根据下表选取（本工程采用松动爆破，爆破石碴抛掷率为0，若要提高抛掷率可增加装药），其他同平坦地形爆破设计。
3、山包地形
山顶平坦部分采用平坦地形爆破设计，两侧采用斜坡地形爆破设计，为控制石碴坍落方向，采用沿施工方向（线路方向）倾斜炮眼，适当增加装药，提高抛掷率，有利施工。
（二）药壶爆破
药壶炮在炸药能量利用和炮孔的利用方面都是最经济的。但在打深孔、烘膛、装药等工序的操作技术上要求较高，需要有丰富经验的炮工，否则难以取得满意的效果。根据机械设备情况及施工安全质量要求，台阶高度选为6米。
1、平坦地形
（1）最小抵抗线W=0.8H=4.8米
（2）装药量Q=0.3KW3=39.8千克
（3）药包间距a=W=4.8米
（4）药包排距b=1.5W=7.2米
（5）布孔、起爆网路与装药结构
采用矩形布孔,多排孔微差爆破；导爆管起爆非电毫秒雷管。用8号火雷管击发导爆管，各排孔内分别用3段、5段、7段、9段等雷管起爆。
2、倾斜地形
采用抛坍爆破公式Q=KW3f（α）计算装药量。抛坍系数f（α）的取值见下表
3、山包地形
山顶平坦部分采用平坦地形爆破设计，两侧采用斜坡地形爆破设计。
五、应用实例
（一）为便于质量控制及爆破效果评价，参照以往施工经验，结合本工程实际爆破情况，制订了以下标准。
（二）应用情况
1、DK29+175~+239深路堑大部分为平坦地形，有小段斜坡地形。中心挖深19m。挖软石12110方，用炸药3360kg，平均炸药单耗q=0.28kg/m3。本段采用药壶爆破，W=3~7m，台阶高度H=4~8m。
2、DK30+760~+930深路堑斜坡地形，地面横坡30~45°，边坡最高26m。挖软石36187方，用炸药9360kg，平均炸药单耗q=0.26kg/m3。本段采用深孔松动爆破，W=2.5~3.6m，台阶高度H=4~8m。
3、DK29+407.4~+450深路堑斜坡地形，地面横坡20~30°，边坡最高25m。挖软石5105方，用炸药1584kg，平均炸药单耗q=0.31kg/m3。本段采用深孔松动爆破，W=2.0~2.5m，台阶高度H=4~8m。
4、DK33+170~+485深路堑，其中DK33+170~+240为山包地形。中心挖深15m。该山包地形有石方11500方，用炸药2880kg，平均炸药单耗q=0.25kg/m3。本段采用药壶爆破，W=3~7m，台阶高度H=4~8m。
在通常爆破设计方法中的单位炸药消耗量（或称比装药量）q，是计算装药量的关键参数，如何把比装药量选取的符合实际，达到理想的爆破效果，只有依靠“试炮”。在相应地形条件下，前期经过“试炮”调整，后期按上述单位炸药消耗量，进行装药计算，在本工程取得了比较理想的效果。按表3所列标准，各项指标合格率达到80%以上。单位炸药消耗量比定额减少20~40%，取得了明显的经济效益。
六、施工注意事项
1、爆破设计，必须在爆破区的地形、地质和线路资料比较完善和准确的基础上才能进行，爆破后的质量完全取决于这些资料的可靠性。
2、爆破后技术员和爆破工要及时进行爆破效果分析，检查爆破方量、大块率、爆堆状况、岩体地质状况等，与爆破设计方案相比较，为调整爆破设计提供准确资料。
3、前期爆破工作要考虑改造地形，为以后爆破创造条件。
4、每次爆破方量应根据清碴能力决定，不必太大。必须把所有松动的岩体清除，以防止重复爆破（压碴爆破，应合理堆碴）。岩体被炸出裂隙，会消耗大量爆能。
5、要重视炮眼堵塞质量，否则易产生飞石，且消耗炸药。
七、结论
1、当爆破规模越大，药包埋置越深时，则克服重力作用方面做功所消耗的能量就越大。各类地形条件下的爆破单位耗药量是不同的，倾斜边界几乎比水平边界少一半，地形边界条件对爆破效果的提高和大幅度降低炸药用量这一特点必须利用。应用多边界石方爆破技术，充分考虑地形边界条件对爆破的影响，可以取得显著的经济效益与社会效益。
2、连线起爆方式、装药结构对爆破质量影响很大，在炮眼深度、装药基本一致的情况下，改变起爆顺序、时差，爆破效果相差很大。对于采用什么样的连线方式、起爆顺序，要经过多次试验并灵活变换，才能取得好的爆破效果。