摘要：完整、硬质岩体的路堑边坡开挖应采用光面、预裂爆破技术，破碎、软质岩体边坡开挖宜采用直立炮孔和孔底缓冲爆破技术，这两种爆破对坡内岩体的扰动和损伤破坏最轻，对提高铁路路堑边坡的质量和稳定性具有十分重要的意义。弱扰动爆破的主要钻爆参数包括钻孔间距、钻孔直径、线装药量、钻孔超深、缓冲垫层高度等，文章介绍了这些参数的经验取值法，以及相应的不耦合装药结构，依靠这些经验公式可以取得满意的爆破效果。尽管边坡弱扰动爆破的理论落后于实践，但弱扰动爆破技术已具有大力推广应用的条件和基础
1．前言
当前我国铁路建设工程中对路堑边坡开挖问题，普遍以粗放的爆破开挖技术施工，造成边坡内部岩体严重损伤，对边坡的长久稳定极为不利。实践证明采用弱扰动爆破技术开挖路堑边坡可以极大地提高路堑边坡的质量和稳定性[1][2]。在完整、硬质岩体的路堑边坡开挖中，通常应用光面、预裂爆破技术，使爆破后路堑坡面稳定、平整、美观，爆破开挖半孔率可达到95%左右，坡面不需二次支护直接成坡；而在破碎、软质岩体边坡开挖中，当设计坡度缓于1:0.75时，宜采用直立炮孔和孔底缓冲爆破技术，它可以使爆破对坡面岩石损伤破坏尽可能减轻。光面、预裂弱扰动爆破的主要钻爆参数有钻孔直径、钻孔间距、线装药量等，这些参数与岩石抗拉强度、抗压强度、炸药特性和地质条件有关。孔底缓冲爆破的主要钻爆参数有钻孔直径、缓冲长度、钻孔超深等，它们主要与缓冲充填材料、炸药特性和地质条件有关。下面结合相关研究资料分别加以探讨。
2光面、预裂弱扰动爆破参数选取原则和理论依据
2.1 钻孔直径的确定
光面、预裂爆破的炮孔直径与台阶高度有关，一般3~?>5m高的台阶，可选择40~50mm的钻孔直径；6~15m高的台阶，可选择70~100mm的钻孔直径；16~30m高的台阶，可选择100~150mm的钻孔直径；露天矿山采场爆破中有高度超过30m的台阶，可根据现场钻孔设备采用大直径炮孔。炮孔直径与台阶高度基本成正比关系：即台阶高度越高，钻孔直径越大，但是过大的钻孔直径是不经济的。若需要评价所选钻孔直径是否经济、合理，有一个定量计算公式进行评估，通过大量的工程实践资料总结和回归分析（见图1），得到其经验计算公式为：
D=30+4H
式中：D为钻孔直径(mm)； H为台阶坡面长度(m)。
施工中所选钻孔直径与计算值越接近，经济性越佳、技术性越合理。为了便于公式的记忆可将其简称为“三十四原则”，即第一项常数等于30，第二项系数等于4；H为台阶坡面长度，习惯的单位是m；而D为钻孔直径，习惯的单位是mm。
2.2 钻孔间距与钻孔直径的关系
钻孔间距a与钻孔直径d的比值称为孔径比E。E值是一个重要的技术经济指标，它的大小决定了钻孔数量和预裂爆破质量。从施工经济指标出发，E值取大一些好，E值越大钻孔数越少；而从技术质量指标出发，E值小一些好，E值大钻孔数虽然少，但边坡坡面质量和平整度降低了。爆破理论一再证明：分散装药爆破远比集中装药爆破对围岩的破坏小。E值小时，炮孔数多，药量相对分散，光面、预裂爆破形成的坡面质量和平整度好。一般E值宜选定在8~12范围。 研究表明，E值的选定应考虑两个重要因素，即工程地质条件和工程性质。
从工程地质条件角度出发，岩石坚硬、完整性好，E值可取大一些；相反，岩石风化、节理裂隙发育，E值应小一些。一般Ⅰ、Ⅱ级围岩中，E值可大于10，Ⅳ、Ⅴ级围岩中，E值应小于10。
另外，要根据工程性质和类别不同调整孔径比E。属于永久性、特别重要的工程，如Ⅰ级铁路干线、枢纽车站等边坡的预裂爆破，E值应偏小（一般E≤10），尽可能分散装药爆破，将预裂爆破对围岩的损伤破坏降到最小。属于临时性、次要性工程，如铁路支线、临时车站等边坡预裂爆破时，偏重考虑经济性指标，E值可偏大（一般E≥10），甚至达到准光面爆破效果，只要求对围岩的损伤破坏不太严重就可以了。
光面爆破的钻孔间距a与钻孔直径d的关系稍有不同，中间引入了光爆层厚度，即光面爆破的最小抵抗线，W光=(10~20)d, 式中：当岩体软弱、破碎，系数取大值；反之，岩石坚硬完整，系数取小值。光面爆破的钻孔间距a=(0.6~0.8) W光，式中：当岩体软弱、破碎，系数取小值；反之，岩石坚硬完整，系数取大值。
2.3 合理装药量的计算与选择
在预裂弱扰动爆破施工中，当地的岩层特性已不能改变，在选定了钻孔直径和炮孔间距后，预裂爆破的成败主要取决于装药量是否合理。一般装药量与钻孔直径、钻孔间距、岩石性质和炸药性能等参数有关。装药量的计算有理论分析法和经验法，实际工程中以经验法计算为多。
较早的、有代表性的理论分析法有：(1)美国D.K.Holms(霍尔姆斯)等人，依据他们在尼亚加拉水电站的预裂爆破研究成果，提出爆炸压力不破坏孔壁条件下、同时两孔之间的爆炸拉应力须超过岩石动抗拉强度，以此作为确定炮孔线装药密度的计算原理，由此得出的计算公式较为复杂，需要已知岩石抗压强度、抗拉强度、弹性模量、泊松比、钻孔半径、孔间距、炸药爆速和密度等参数。(2)前苏联A.A.费先柯和B.C.艾得斯托夫应用空气冲击波对障碍物作用的理论以及孔壁压力不压坏孔壁的原则，推导了线装药密度的计算公式，同样是参数众多，计算复杂。(3)后来断裂力学的兴起，王中黔等人提出了依据断裂力学原理推导出的线装药密度的计算公式，但计算公式中需要已知岩石的断裂韧性KIC和内部初始裂缝长度等参数，计算过程也较复杂。由此看来，理论分析法虽然从某种意义上解释了预裂爆破的作用机理，但计算公式有局限性，某些参数无法确定或不易确定，实用价值小。
一些爆破工作者根据已完成的工程实际经验提出了一些经验数据。大多数情况下，采用这些经验数据可以保证预裂缝或光爆面的形成，但其不易确定最佳值，在爆破设计中往往需要有经验的工程师结合当地岩石特性对这些数据进行适当调整。实践中预裂爆破的经验计算公式较为实用，它抓住了预裂爆破的主要影响关系，重点考虑了岩石抗压强度、炮孔间距和炮孔直径。其通式如下：
q线=K·[σ压]α·[a]β·[d]γ
式中：q线——炮孔的线装药密度(kg/m)；
[σ压]——岩石的极限抗压强度(MPa)；
[a]——炮孔间距(m)；
[d]——炮孔直径(m)；
K、α、β、γ——均为经验系数
经验系数的具体取值形式有以下几种[3]：
(1) 长江科学院经验式：
q线=0.042·[σ压]0.5·[a]0.6
(2) 葛洲坝工程局经验式
q线=0.367·[σ压]0.5·[d]0.36
(3) 武汉水利电力学院经验式
q线=0.127·[σ压]0.5·[a]0.84·[d/2]0.24
目前，大多数爆破工作者仍然通过经验数据或经验公式来确定预裂爆破装药参数。
对于光面爆破而言，基本按照预裂爆破装药量的80~90%计算，或者按炸药单耗取为q=0.15~0.25kg/m3，由公式Q线=qaW光来计算线装药密度。
2.4 炸药特性对坡面预裂弱扰动爆破的影响
爆破理论与技术发展的一个重要方面，在于选择合适的炸药品种，使其将更多的能量用于做有用功。根据光面、预裂爆破的应力波与爆生气体联合作用理论，要求炸药不一定有很高的爆速和猛度，其爆炸生成的气体量尽量多。我国普遍使用岩石硝铵炸药、乳化炸药、铵油炸药、水胶炸药等工业炸药。尽管采用上述炸药都有获得预裂爆破成功的例证，但并不等于它们都是进行预裂爆破最合适的炸药。预裂爆破采用不耦合装药，可以使孔壁岩石受力状态得到调整，这是上述炸药都能获得预裂爆破成功的重要条件。采用上述炸药进行预裂爆破时，当不耦合系数小于2时，往往会使孔壁受到损坏。瑞典、日本、美国等国家研究出了一些专门用于预裂爆破或光面爆破的新型炸药。我国也曾研制和生产出了一些光爆专用炸药，但均未能形成规模生产，也未能在全国普遍推广。因为小批量的专用炸药审批购买手续复杂，施工中为求简便，大多采用与一般爆破相同的炸药品种进行预裂爆破，并通过改善不耦合装药结构调整炸药爆炸对孔壁的作用压力而满足预裂爆破效果。
因此，凡能进行预裂爆破的炸药，都有一个适合于每种岩石的合适装药量范围。当炸药性能改变时，必须重新调整装药量或钻孔间距。在施工中经常对所使用的炸药进行性能测定（如爆速等），这对取得良好的爆破效果大有好处。我们希望从审批和购买光面爆破专用炸药的政策层面上作出改进，同时加强厂家与用户的沟通，推动光面、预裂爆破器材和技术的进步和发展。
综上所述，光面、预裂爆破的钻爆参数整体上还是依靠经验数据或经验公式来确定，这说明爆破理论仍然落后爆破实践的发展，然而依靠目前的经验取值法基本上可以获得良好的光爆效果（见图2），因此具有大力推广应用的条件和基础，它对提高铁路路堑边坡的质量和稳定性具有十分重要的意义。
3 直立炮孔的孔底缓冲弱扰动爆破技术
光面、预裂爆破在坚硬完整的岩体中可以获得很好的弱扰动开挖效果，对于破碎、软质岩石边坡的开挖，当设计坡度缓于1:0.75时，若仍采用平行坡面的倾斜孔进行光面、预裂爆破，不仅钻孔施工困难大，钻孔质量难以保证，而且装药堵塞作业也十分难做，而应改用直立炮孔和孔底缓冲爆破技术。其实对于破碎、软质岩石边坡而言，降低爆破对边坡内部岩石的损伤破坏尤为重要。铁科院曾进行过大爆破路堑边坡稳定情况调查，结论是岩性条件越差的边坡，越需要采用弱扰动爆破开挖技术，否则，极易形成病害边坡。
3.1 孔底缓冲爆破的作用和适用范围
在炮孔底设置一定高度的柔性垫层，减小爆炸对孔底以下岩石的冲击破坏作用，这种爆破缓冲作用的效果得到国内外爆破界的认同，已在某些特殊要求的工程得到推广应用[4]。
柔性垫层可用低密度高孔隙率的吸能材料制作，从装药结构角度分析，设置柔性垫层等于孔底径向不耦合装药。孔内药包爆炸生成的高温高压气体，在作用于孔壁产生径向及环向裂缝的同时，通过柔性垫层的可压缩性及对空气冲击波的阻滞作用，使炮孔底部岩石所受爆生气体的峰压及比冲量明显减小，从而降低了爆炸对孔底以下岩石的破坏作用。有关试验的声波测试资料（见图3）表明：当孔底柔性垫层高度是孔径的6~7倍时，孔底以下基岩的破坏深度减小40%以上。
孔底柔性垫层缓冲爆破作用除了降低爆炸对孔底以下岩石的损伤破坏作用，也可以降低爆破振动对环境的影响，有关试验资料表明爆破振动速度能降低10~20%。
3.2 孔底缓冲爆破设计原则和合理参数
虽然孔底缓冲爆破对孔底以下基岩的破坏作用减小是显而易见的，但由于这方面的理论研究不成熟，具体的设计参数尚无现成计算公式。对于孔底缓冲爆破设计主要原则有以下几条：
(1)孔底柔性垫层的材料就地取材，可以是锯末、泡沫塑料、空气间隔材料等；
(2)直立炮孔台阶爆破采用逐段微差起爆方式；
(3)上部岩石爆破装药参数基本与常规爆破相同。
孔底缓冲爆破设计主要参数有两个：即柔性垫层高度h、孔底超深l。目前这两个参数的合理值主要靠现场试验确定，经验参考的数据如下：
柔性垫层高度h等于5~8倍炮孔直径；孔底超深l根据岩石性质而定，破碎、软质岩石斜坡处炮孔可以取消超深,见图4，通常超深不大于0.5m。
4 结语
综上分析，当前边坡弱扰动爆破的理论仍然落后于实践，但弱扰动爆破技术具有大力推广应用的条件和基础，它对提高铁路路堑边坡的质量和稳定性具有十分重要的意义，对此有以下几点认识：
(1)弱扰动爆破的主要钻爆参数包括钻孔间距、钻孔直径、线装药量、钻孔超深、缓冲垫层高度等，这些参数以经验法确定为主，主要影响因素有边坡高度、岩石抗拉强度、抗压强度、炸药特性、工程性质和地质条件等，依靠目前的经验取值法基本能满足工程要求。
(2)我国的光面爆破专用炸药比较欠缺，购买、审批手续较复杂、价格也较贵，用普通岩石炸药和导爆索不耦合装药也能实现较好的光面爆破效果，只是施工麻烦、技术控制较难。但这一现状可能还要存在相当长一段时间，我们企望及早出台鼓励这一技术进步的政策。
(3)对于破碎、软质岩石边坡的开挖，当设计坡度缓于1:0.75时，应积极采用直立炮孔和孔底缓冲爆破技术，这对降低爆破对破碎、软质岩石边坡的内部损伤破坏尤为重要。