复杂条件下深路堑高边坡石方开挖爆破防护技术应用.doc

复杂条件下深路堑高边坡石方开挖爆破防护技术应用中交二航局五分公司大岳高速第一合同段 曹林祥 刘 银摘 要：复杂条件下深路堑边坡开挖爆破是我标段路基工程施工的一个重点和难点。重难点主要在于高边坡右侧坡顶危石的清理，既要保证危石清理工作自身的安全可靠，又要确保右侧临湘方向坡下坟地及岳阳方向坡下农田的安全无损。复杂环境下爆破开挖总方量约2.4万立方。关键词： 工程地质情况、边坡稳定性分析、滚石和飞石1.工程地质情况1.1地形地貌构造剥蚀丘陵，山体最大高程264.8m,相对高差5060m，山体自然坡度3040度，山坡植被发育，谷地多辟为农田，路线主要沿两丘坡中通过，路基设计最大边坡高度为58.5m，中心最大挖深21.0m。1.2地层岩性（1）花岗岩（r）：全风化，灰黄色，灰白色，原岩结构已基本破坏，除石英外，矿物成分基本风化，岩心呈砾砂状，厚15.0m。（2）花岗岩（r）：强风化，灰黄色夹灰白色，原岩结构已大部分破坏，块状构造，节理裂隙发育，岩心经机械扰动后，岩心呈砾砂状，厚1822m。（3）花岗岩（r）：中风化，灰黄色，灰白色，主要有长石、石英、云母及暗色矿物组成，中粒粗粒结构，块状构造，裂隙稍发育，钻探揭露厚度为5.6m。1.2工程地质条件花岗岩（r）：全风化：r=1819KN/m3 ,c=1216KPa,=2022。强风化：r=2223KN/m3 ，=4555。中风化：r=2627KN/m3 , =6570。1.4水文地质该段地表水不发育，地下水主要为基岩裂隙水，受季节影响小。2.边坡稳定性分析右侧边坡最大高度约33米，左侧边坡最大高度约58.5米，边坡岩体为强风化花岗岩，经分析该边坡破坏形式主要为坡体沿强风化中风化分界面产生的类土质圆弧滑动，计算采用理正软件，计算得改边坡开挖后安全系数为0.963.3.主要施工工艺及要求3.1工程措施根据边坡稳定性分析评价，拟采用以下边坡加固防护措施：（1）边坡坡率路堑边坡采用台阶式边坡，左侧14级边坡坡率采用1：1。台阶式边坡每隔8m设一级平台，平台宽2米，右侧坡率采用：14级边坡坡率采用1：1；57级边坡坡率采用1：1.25。台阶式边坡每隔8m设一级平台，平台宽2米。（2）边坡加固工程左侧13级边坡采用非预应力锚杆框架加固，右侧15级边坡采用预应力锚索框架加固，（3）坡面防护工程为保证边坡开挖及运营工程中坡面稳定，防止雨水冲刷及坡面松弛，改善美化坡面景观，采取骨架护坡及锚索框架内植草防护等工程措施。（4）排水工程措施本段边坡坡体地下水不发育，设计未采用仰斜排水孔引排地下水，但应根据边坡施工开挖情况，及时进行动态跟踪设计，确保边坡排水畅通。3.2具体施工方法3.2.1施工组织按照逆作法工序施工，按从上之下的开挖施工顺序逐级开挖，做到边坡开挖一级防护一级。3.2.2土石方工程对于设有锚固工程的高边坡工程开挖，待上级边坡锚固工程全部实施并产生加固作用后（根据实际情况可采用有效可行的临时加固或预加固工程措施）方可进行下级边坡的土方开挖作业，逐级开挖，逐级加固，直至全部防护工程结束，确保边坡稳定和结构安全。对于石质边坡开挖，接近路堑边坡工程部位严禁采用大爆破，要求距设计坡面一定范围内一律采用光面控制爆破，对于硬质岩石石方应采用光面、预裂爆破，要求配备可锁定炮眼倾角的潜孔钻，以尽量减少或避免爆破施工对岩体的破坏作用和影响。坡顶危石清理方案的制定是本次爆破设计的重点，坡顶危石一旦滚落，就会顺着坡面越来越快，直接冲击到坡下的坟地，其后果不堪设想；同样的，爆破产生的飞石也会顺坡而变成滚石的，危害一样大；而对于一般土石爆破的振动危害，由于危石爆破的浅孔小药量而得到了有效控制，从而不需要考虑了。因此，在制定坡顶危石清理方案是重点考虑的是爆破飞石和滚石二方面。3.2.3危石危害控制措施3.2.3.1 危石清理方法选择危石清理主要方法有三种，一是人工削方清理，二是爆破破碎清理，三是膨胀碎裂清理。其中人工削方清理方法适用于强风化岩层、岩体破碎且无大岩块处，一般是从上向下清除，采用的主要工具是风镐和撬棍；爆破破碎清理方法适用于岩体坚硬、块度大处，一般从危岩外缘开始逐层钻孔装炸药松动爆破破碎，再配以人工清除；膨胀碎裂清理方法与爆破破碎清理方法相似，适用于岩体坚硬、块度大处，也是通过钻孔装药（静态膨胀剂）膨胀破碎再配以人工清除，此法施工简单、安全，但投资略高。考虑到现场实际情况，确定采用人工削方和爆破破碎相结合的清理方法对大岳高速一标K2+190K2+352复杂条件下深路堑边坡开挖工程的坡顶危石进行清理，即：对于风镐和撬棍能撬动的危石，采用人工削方方法进行清理，对于人工无法撬动的危石，则采用爆破破碎方法进行清理。3.2.3.2 危石清理工作布局为了确保整个危石清理工作安全有效地开展，必须要将整个危石清理工作从空间和时间上进行合理地分布。从空间分区上看，将整个开挖区分为二大部分，即危石清理区和常规爆破区，如图4-1所示。危石清理区主要指产生的爆破滚石能够影响到右侧岳阳方向坡下坟地的开挖区域，原则上坟地水平线上方的区域都是该区域；其他区域则为常规爆破区域。常规爆破区危石清理区图3-1 危石清理区基本位置图危石清理顺序从开挖时间顺序上看，先清理靠岳阳方向的危石，让其直接滚落到山下的征收空地中，形成有效的补偿空间，再逐渐向临湘方向进行清理，最小抵抗线方向尽量朝向岳阳方向或路基方向；清理工作基本上遵从由上往下的顺序，即先清理上面的，再逐渐向下清理。当爆破最小抵抗线方向只能朝向临湘方向，即朝向坟地方向时，必须采用更密的钻孔、更小的装药，并视情况采用炮孔覆盖防护措施，必须确保最大限度地减少爆破飞石和爆破振动。图3-2 危石清理顺序示意图3.2.3.3危石爆破破碎技术 路堑爆破工作布局：根据现场爆破具体情况，主体爆破采用全双路堑分层台阶爆破开挖，局部爆破采用半路堑分层/单层台阶爆破开挖，对应边坡处都采用预裂光面爆破开挖，如下图所示。光面孔光面孔a-倾斜孔 b-垂直孔（1）半路堑炮孔布置剖面图光面孔上层 下层（2） 全路堑炮孔布置剖面图路堑开挖炮孔布置剖面图为了有效控制飞石飞散，减少爆破块度，根据爆破条件的变化，合理确定炸药单耗和爆破参数，采用岩屑堵塞孔口并捣实，保证炮孔的堵塞长度和质量，采用密打孔少装药。必要时，根据保护对象的安全要求，可在孔口用竹笆加砂袋和粗尼龙绳网进行覆盖保证不出现岩石的飞散现象。3.2.3.4滚石危害控制措施（1）滚石基本形成一般来说，爆破滚石主要有二个来源，一是主体松动爆破松散的碎石顺坡滚下，二是爆破引起非爆破区边坡原有岩石破裂滑移后顺坡流下。对于第一个来源，即爆破松散碎石顺坡滚下形成滚石，是比较容易理解的，即使能控制到爆破岩石的散而不抛（实际上是难以做到的），坡面的势能也会推动碎石下滚形成滚石。对于第二个来源，也就是爆破振动对非爆破区边坡自身的影响，这在国内外也曾有许多实例。研究表明：当边坡质点振动速度达13.524.7cm/s时，边坡岩石产生细微裂纹或原有裂纹张开。由于在进行爆破前，已经进行了人工清表；加之，爆破碎石沿坡面向下滚动产生的破坏更大；因此本方案重点考虑的滚石危害来源于爆破碎石的顺坡下滚。（2）滚石危害控制通过对爆破区周边环境的调查，以及其他工程实践的总结，飞石和滚石是影响周边环境安全的最主要因素，而二者中滚石的危害更大。由于山高坡陡且爆区紧临坟地，万一滚石落入坡下的坟地，将会产生不良的社会影响和造成重大的经济损失。因此，控制滚石危害应从主、被动二个方面入手，重点考虑四个问题：一是如何降低滚石速度，二是如何减小滚石块度，三是如何减弱滚石弹跳，四是如何拦截滚石。（3） 降低滚石速度由于惯性作用和补偿空间需要，爆破后的碎石必然要向坡下滚动，其滚动初速度取决于炸药爆炸破碎岩石后的剩余能量，也正是该剩余能量为滚石提供了初速度。基于此，降低滚石速度的主要措施就是降低炸药单耗。在进行药孔参数设计时，炸药爆炸作用指数必须按照微量松散爆破漏斗来开展，通过理论分析和现场实验，确定合理的最低炸药单耗。微量松动爆破的设计理念，就是炸药爆炸只在岩石中产生大量微裂隙，达到岩石“松而不散，散而不抛”的目的，后期尽量发挥人工机械的作用。对每个岩块来说，实际单耗是随着具体情况及实际施工是不断变化的，施工过程中必须随时关注且不断调整。爆破参数中炮孔底盘抵抗线、炮孔填塞长度、炸药单耗、地形地质条件的变化都影响爆破能量的合理分布，稍有变化就会出现炸药爆炸能量过剩，从而推动碎石运动，增加了飞石和滚石的初速度。装药施工必须根据地形地质情况调整装药，起爆网路联结和毫秒微差雷管段数选用也对飞石产生影响。（4）减小滚石块度即使能够准确而有效地控制炸药单耗，确保不会产生飞石和滚石。山坡的存在，也会促使碎石向坡下滚动。这样，减少滚石动能破坏的另一外重要措施就是减少单个碎石的块度，必须确保爆破块度均匀，尽量不出现特别大的块石。其控制主要措施就是优化孔网参数，即：一是采用微倾斜炮孔，使得抵抗线基本均匀；二是采用梅花形布孔，确保炮孔分布均匀；三是确保填塞长度适中，不能太大也不能太小，同时保证填塞质量；四是减少炸药在炮孔中的集中程度，尽量沿全长均匀分布；五是必须提前清除面上松石和浮石。（5）减弱滚石弹跳爆破碎石沿山坡向下滚动，当其遇到突出物后，相互碰撞，如果碰撞角度合适，会产生撞击跳动。根据动量守恒原理，碎石越小弹跳越高，碎石越大，弹跳越低。滚动距离越长，碎石的势能转化为动能越多，滚石速度就越大，破坏力就越大，拦截难度也就越大。因此，减弱滚石弹跳主要措施为：一是优化爆破破碎顺序，尽量由下向上开挖，减少碎石随坡一路滚下可能；二是密打孔优化块度，避免块度不均匀；三是及时清除爆破碎石和坡面松石，减少二次碰撞。(6)构筑滚石拦截台由于坡面角比较大，人工削方和爆破破碎后的松石都会顺坡由上向下滚动，直接威胁到坡下的坟地，因此必须采取必要的拦截防护措施。拦截防护是一种被动防护，常见的防护措施有落石平台、落石槽、拦石墙、拦石网和拦石堤等。综合考虑坡度、成本及拦截效果，确定采用的滚石拦截防护主要措施为构筑滚石拦截台，用以拦截滚石关承接爆破碎石或机械清理落下的碎石。滚石拦截台设置于待保护的坟地上方，如图4-6所示，由落石槽、拦石墙和拦石网三个主要部分组成，如图4-7、4-8所示。其中，拦石墙是由工地片石构筑起来的一个高2米、顶宽1米、底宽2米的梯形结构，并在该拦石墙底下钻了一排直径42mm、深2m的孔，钻孔中浇筑用于加固的长约2m的工字钢梁或者大直径的螺纹钢，其主要作用是缓冲滚石速度并拦截大部分滚石；拦石网是由钢架管和夹板等组成，高约4米，其主要作用是拦截由拦石墙上弹跳起来的个别石块；落石槽是一个宽约4米（全球挖机行走）、深约2米的槽形结构，主要用于收纳坡顶滚石，由挖机提前开挖成型。滚石拦截台位置图3-3 滚石拦截台具体位置图斜支撑拦石网落石槽拦石墙危石区固定钢管地坟 地图3-4 滚石拦截台剖面结构示意图拦石墙拦石网坟 地危石区坟 地固定钢管地图3-5 滚石拦截台正面结构示意图（7）滚石破碎清运 每次爆破的碎石会沿坡面自然滚落到拦石墙前方的落石槽中进行收纳，当滚石收纳到一定数量时，必须进行及时破碎并清运，只有完成有效清理并检查合格后，才能进入下一次爆破作业。 滚石破碎：对于个别大块滚石的破碎，原则上不再采用爆破法解体，可以采用液压机械破碎法或人工钻孔“尖劈”方法等处理。 碎石清运：在拦落石槽中积的滚石达到一定数量时，可从拦石墙两头分别用人工/机械运走。3.2.3.5爆破飞石控制措施（1）爆破飞石形成石方爆破时，部分岩块脱离岩体抛掷至远处，形成爆破飞石。个别飞石是因为炸药爆炸能量在破碎岩石后，还有较多剩余继续作功于碎石，使之获得很大动能及初速度。如遇有岩体构造上的薄弱面（断层、裂隙、软夹层等），强大的气体能量即从该处集中冲出，使该部分碎石获得极大的动能并以很高的初速（有时大于岩体鼓包运动的速度几倍）向外飞出，同时爆炸应力波也会在结构面处产生反射拉伸作用从而形成飞石。 在露天进行爆破时，从地质弱面或台阶炮孔上部冲出的个别岩块所形成的飞石可达数百米，可能对爆区周围人员、建筑和设备造成危害。可根据炮孔直径和爆破安全规程规定确定个别飞石的范围，在炮孔抵抗线作用方向或下坡方向，个别飞石范围更大。根据矿山爆破事故的统计，露天爆破飞石伤人事故占整个爆破事故的27%。（2）爆破飞石距离飞石抛落距离取决于抛射角、初速和地形、风向等各种因素，飞石本身形状和尺寸也有很大影响。山区爆破要考虑地形影响，沿山坡下方抛散时飞石抛落距离为：式中：V0飞石初速度（m/s）；飞石抛射角（°）；山体坡角（°）；g重力加速度，取10ms2。抛射角=45°时飞散最远，大量测试数据表明，松动爆破时飞石初速约为1020m/s，本处山体坡角约45度，于是可以计算出爆破飞石最远距离为：2080m。实践证明，正常浅孔松散爆破的飞石一般不会太远。但是，由于填塞长度过小或最小抵抗线过小而形成爆破漏斗效应，以及岩石中含有软弱夹层，或由于过量装药、穿孔位置错误、工作面局部超挖、介质不均匀性、岩体有薄弱面、起爆顺序错误等种种原因，个别飞石距离可能大于200m，甚至更远。（3）飞石控制措施爆破飞石主要控制措施为: 按设计方案科学施工，严格测量验收，是爆破飞石控制的关键。钻孔前应该将表面覆土清除干净；装药前应认真校核各炮孔最小抵抗线及间/排距，如有变化，必须修正装药量，不准超装药量。施工过程中，要注意避免药包位于岩石软弱夹层或基础的接打面，以免从这些薄弱面冲出飞散物。慎重对待断层、软弱带、张开裂隙、成组发育的节理、溶洞、采空区、覆盖层等地质构造，采取间隔填塞、调整药量、避免过量装药等措施。保证填塞质量，既要保证足够的填塞长度，更要保证填塞质量，堵塞物中要避免夹杂碎石。 采用低爆速炸药，不耦合装药、挤压爆破和微差起爆等，可以起到控制飞石的作用。在爆破施工中，需严格控制飞石时，应对爆破体采取覆盖或防护措施。比较有效的措施为覆盖防护，如图4-9所示。其具体做法是：每个孔口封压1个柴/草袋，然后在其上覆盖竹夹板层；如果需要，再在竹夹板上压砂袋，在整个爆区顶面通盖尼龙网，尼龙网的覆盖范围为最外一排炮孔所在位置再向外延长3m多，延至拦石墙的上方。覆盖爆破区的材料应便于固定、不易抛散和拆散，并能防止细小碎块的穿透。在爆破体尺寸较小、附近有重要保护对象条件下，应做多层覆盖。覆盖范围应大于炮孔的分布范围。柴、草竹夹板炮孔图3-6 爆区浅孔爆破覆盖防护示意图覆盖时要注意做到: 1）保护起爆网路，确保不破坏导爆管雷管脚线； 2）用金属覆盖时，应将电雷管爆的接头用绝缘胶布包好，严防短路；仔细检查，严防漏盖；捆扎牢固，防止覆盖物滑落和抛散； 3）分段起爆时，防止覆盖物受先爆药包影响，提前滑落、抛散。 4）个别爆破飞石很容易对近体民房产生破坏，主要通过设置在拦石墙上的拦石网进行有效拦截。参考文献：1、 湖南省高速公路标准化施工指南2、 湖南省高速公路精细化施工实施细则3、 公路工程技术标准(JTG B012003)4、 公路工程水文勘测设计规范(JTG C30-2002)5、 公路路基施工技术规范(JTG F10-2006)6、 公路桥涵地基与基础设计规范（JTG D63-2007）7、 公路工程混凝土结构防腐蚀技术规范(JTG/T B07-012006)8、 公路交通安全设施设计规范(JTG D81-2006)9、 公路交通安全设施设计细则(JTG/T D81-2006)10、 中华人民共和国安全生产法（2002.11）；11、 中华人民共和国民用爆炸物品安全管理条例；12、 爆破安全规程（GB6722-2003）；obstacles, correcting misunderstandings, advocate good cadre style. 2, adhere to the scientific decision-making and democratic decision-making decision-making law. Correctly handle to ensure that government decrees and based on the actual creative work, giving full play to subjective initiative, put an end to implement the conference meeting, to document the implementation of documents etc. Improve the scientific and democratic decision-making mechanism, improve and implement the decision to solicit the views of experts, the public hearing system. Improve the important decision of risk assessment mechanism and legal review mechanism. 3, to promote team unity. Uphold and improve the system of annual party book talk heart to heart, mind and Party members, Party members to exchange each other not less than 2 times. The implementation of sound team democratic life system, consolidate and enhance the party's mass line educational practice will promote the achievement of the topic of democratic life, criticism and self-criticism normalization, a long-term. Adhere to the party on the basis of the principle of unity, enhance internal communication, strengthen internal supervision, self Sleep maintenance team collective image and authority. (three) to ensure the execution is not strong or disguised to resist government decrees issues. Individual Bureau leadership team members lack of learning political theory system, not from the objective reality, not with the party's interests above all the principles to deal with personal problems. In the specific work safety supervision in the execution is not strong, in the implementation of the decision to deploy the discount, make choices, engage in work, the implementation of the agreement, uncomfortable is not performed, open or disguised to resist, the lack of subject consciousness of the party organization, the lack of resist in society all kinds of bad habits and unwholesome tendencies of courage Gas and courage. Such as the liability insurance of safe production work, individual leaders that have someone arrested, and no funding, not in the global chess perspective to the countryside to carry out daily inspection, found none of my business acceptance of the resumption of production in an armchair, with a pen, indifferent. Corrective measures: (LED Leadership: Luo Mingjun, rectification time: before September 25th, insist for a long time) 1, to strengthen the sense of responsibility, work to solve the lack of decent occupation explain away, conduct problems. To establish the overall concept, eliminate departmentalism. Strict assessment and accountability, to solve the spiritual slack, nianqingpazhong, status quo, To establish and perfect the muddle along and other issues. Bureau staff conduct work regulations, standardize the behavior of personnel. 2, strengthen the responsibility system. One is the in-depth study and implement the "Hunan provincial Party and government leading cadres Interim Provisions on the work safety of a pair of > (Hunan Office issued 2013 No.