謝全敏，殷建強(qiáng)，楊文東

(武漢理工大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院，湖北 武漢　430070)

光面爆破技術(shù)在巖石路塹邊坡施工中是一項(xiàng)十分重要的施工技術(shù)。只有根據(jù)實(shí)際爆破工程的地質(zhì)和地形條件，合理進(jìn)行巖石路塹邊坡光面爆破相關(guān)參數(shù)的設(shè)計(jì)，并在施工中嚴(yán)控爆破工藝精度，才能達(dá)到設(shè)計(jì)要求的邊坡開挖輪廓和平整度。目前，光面爆破參數(shù)的設(shè)計(jì)方法歸納起來主要有3種：①理論計(jì)算公式法，給定一些假定條件，基于彈性理論、斷裂力學(xué)和損傷力學(xué)等理論，推導(dǎo)出光面爆破相關(guān)參數(shù)的理論計(jì)算公式，以此進(jìn)行光面爆破參數(shù)的設(shè)計(jì)；②經(jīng)驗(yàn)公式法，依據(jù)大量成功工程案例的經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)，對(duì)這些經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘與總結(jié)，采用概率統(tǒng)計(jì)理論回歸分析得到在一定條件下可使用的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式，以此進(jìn)行光面爆破參數(shù)的設(shè)計(jì)；③工程類比法，依據(jù)過去大量成功工程案例的經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)，采用工程類比法對(duì)光面爆破參數(shù)進(jìn)行初步設(shè)計(jì)，然后按初步設(shè)計(jì)的參數(shù)在待實(shí)施工程現(xiàn)場進(jìn)行多組光面爆破試驗(yàn)，最終根據(jù)爆破試驗(yàn)結(jié)果選取合理的該工程光面爆破參數(shù)[1-9]。

從國內(nèi)外光面爆破的工程實(shí)踐看，目前光面爆破參數(shù)的設(shè)計(jì)方法主要采用經(jīng)驗(yàn)公式法，但該方法存在兩方面問題：一是經(jīng)驗(yàn)公式法的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)需要憑技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)選取，人為主觀性比較強(qiáng)；二是未能反映邊坡巖體強(qiáng)度等問題。因此，要使光面爆破參數(shù)的設(shè)計(jì)更接近實(shí)際邊坡工程的特點(diǎn)，必須在考慮爆破用炸藥特性的同時(shí)還應(yīng)考慮邊坡巖體強(qiáng)度[6-12]。爆破用炸藥的特性在炸藥出廠時(shí)就已確定，而巖體強(qiáng)度可通過地質(zhì)勘察取得。因?yàn)殍F路工程和公路工程都是線狀構(gòu)筑物，沿線地質(zhì)條件多變，地質(zhì)勘查十分有限，大部分邊坡工程幾乎沒有實(shí)際的鉆探勘察資料，所以在光面爆破參數(shù)設(shè)計(jì)中進(jìn)行理論計(jì)算的同時(shí)考慮巖石的力學(xué)特性和地質(zhì)特性是比較困難的。若在初步設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行大量的前期地質(zhì)鉆探勘察工作，也是不經(jīng)濟(jì)、不現(xiàn)實(shí)的。本文引入巖石點(diǎn)荷載強(qiáng)度試驗(yàn)指標(biāo)Is(50)[13-14]，并基于Hoek-Brown巖體強(qiáng)度經(jīng)驗(yàn)方程，得到巖體單軸抗壓和抗拉強(qiáng)度的計(jì)算公式，進(jìn)而推導(dǎo)巖體邊坡光面爆破的4個(gè)關(guān)鍵參數(shù)計(jì)算公式。在肯尼亞的內(nèi)羅畢至馬拉巴新建標(biāo)軌鐵路工程中，應(yīng)用這些計(jì)算公式進(jìn)行巖體路塹邊坡光面爆破參數(shù)的設(shè)計(jì)，驗(yàn)證了這些計(jì)算公式的正確性。

1　基于Hoek-Brown方程的光面爆破設(shè)計(jì)方法

1.1　巖石點(diǎn)荷載強(qiáng)度

《鐵路工程巖石試驗(yàn)規(guī)程》和《公路工程巖石試驗(yàn)規(guī)程》對(duì)巖石強(qiáng)度的獲取均有嚴(yán)格詳盡的規(guī)定?，F(xiàn)場鉆探取樣，室內(nèi)試樣加工制作，巖石強(qiáng)度試驗(yàn)都應(yīng)嚴(yán)格按規(guī)范進(jìn)行。但這耗時(shí)且費(fèi)用高，只能獲取有限的巖石強(qiáng)度數(shù)據(jù)，并不能完全反映公路工程和鐵路工程沿線地質(zhì)的變化。但邊坡巖體主體開挖爆破時(shí)產(chǎn)生了大量的破碎巖塊體，如果這些形狀不一的巖塊體得到充分利用，就能解決在進(jìn)行巖石強(qiáng)度地質(zhì)特性設(shè)計(jì)時(shí)巖石強(qiáng)度數(shù)據(jù)有限的問題。通過巖石點(diǎn)荷載強(qiáng)度試驗(yàn)可獲得不規(guī)則巖塊的強(qiáng)度特性。巖石點(diǎn)荷載強(qiáng)度試驗(yàn)簡單，試驗(yàn)設(shè)備體積小、攜帶方便且費(fèi)用低，試驗(yàn)隨時(shí)隨地都可進(jìn)行，現(xiàn)場各式巖塊都可作為試樣。

由巖石點(diǎn)荷載強(qiáng)度試驗(yàn)得到巖體的單軸抗壓強(qiáng)度Rc的計(jì)算式為

Rc=24Is(50)

(1)

1.2　巖體強(qiáng)度

基于大量工程經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合邊坡巖體結(jié)構(gòu)理論，Hoek和Brown通過室內(nèi)試驗(yàn)給出了現(xiàn)場邊坡巖體破壞時(shí)與室內(nèi)巖石抗壓強(qiáng)度、主應(yīng)力及其巖體性質(zhì)間的關(guān)系，即Hoek-Brown巖體強(qiáng)度經(jīng)驗(yàn)方程為

(2)

式中：σ1和σ3分別為巖石在三向壓縮荷載作用下的最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力；m和s反映邊坡巖體特征的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，可依據(jù)Hoek和Browm設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)表取值。

假設(shè)σ3=0，根據(jù)式(2)可導(dǎo)出邊坡巖體單向抗壓強(qiáng)度Rmc為

(3)

將σ1=0代入Hoek-Brown方程式(2)中得到關(guān)于σ3的二次方程，求解此方程，可得到邊坡巖體的單軸抗拉強(qiáng)度Rmt為

(4)

將式(1)分別代入式(3)和式(4)可得

(5)

(6)

1.3　光面爆破參數(shù)計(jì)算公式

考慮到光面爆破最終的目的是保護(hù)邊坡巖體最大限度不被破壞，同時(shí)要使光面爆破孔開裂形成平整的巖體邊坡面，本文根據(jù)已有的研究成果[3]，進(jìn)一步推導(dǎo)光面爆破設(shè)計(jì)中的4個(gè)關(guān)鍵參數(shù)計(jì)算公式。

1.3.1爆破孔間距

使光面爆破兩爆破孔之間裂紋貫通的條件是爆破孔間距a必須滿足

(7)

式中：α為邊坡巖體中爆破時(shí)應(yīng)力波強(qiáng)度衰減系數(shù)；μ為巖體材料的泊松比；b為爆破孔環(huán)向同徑向2個(gè)方向的受力比；P2為爆破沖擊波的最大初始沖擊壓力，Pa；db為爆破孔的直徑，mm。

將式(6)代入式(7)可得光面爆破炮孔間距的計(jì)算公式為

(8)

1.3.2最小抵抗線

邊坡巖體光面爆破炮孔最小抵抗線W可按下式計(jì)算。

(9)

式中：qb為整個(gè)光面爆破孔總裝藥量，kg；c為光面爆破常數(shù)，kg·m-3，當(dāng)巖石的堅(jiān)硬系數(shù)為4～10時(shí)，c=0.2～0.5 kg·m-3；l為光面爆破孔深度，m。

將式(8)代入式(9)可得光面爆破最小抵抗線的計(jì)算公式為

(10)

1.3.3不耦合系數(shù)

根據(jù)定義，光面爆破不耦合裝藥系數(shù)kc為

(11)

式中：dc炸藥藥卷直徑，mm。

為了保證光面爆破時(shí)孔壁不產(chǎn)生壓縮性破壞，不耦合系數(shù)kc應(yīng)滿足

(12)

式中：lc為光面爆破孔中空氣柱的總長度，cm；la為光面爆破孔中裝藥的總長度，cm；ρ0為爆破炸藥的密度，g·cm-3；D1為爆破炸藥爆速，m·s-1；Kb為爆破體應(yīng)力作用的巖體抗壓強(qiáng)度的放大系數(shù)，一般取Kb=10；n為爆炸氣體作用于爆破孔孔壁時(shí)的壓力增加系數(shù)，常取8～11。

將式(5)代入式(12)可得到kc的計(jì)算公式為

(13)

1.3.4線裝藥密度

光面爆破孔裝藥結(jié)構(gòu)以空氣間隔裝藥為主，平均每米光面爆破孔的裝藥長L應(yīng)為

(14)

平均每米光面爆破孔的最小裝藥量，即最小線裝藥密度qs為

(15)

將式(5)代入式(15)可得qs的計(jì)算式為

(16)

2　應(yīng)　用

2.1　工程概況

肯尼亞首都內(nèi)羅畢市至馬拉巴市新建標(biāo)軌鐵路(簡稱內(nèi)馬鐵路)DK34+500—DK34+800段的巖體路塹邊坡位于東非大裂谷東翼，地勢變化很大，略向東南傾斜，溝谷發(fā)育，海平面高程1 822～2 001 m。本地段受斷裂下陷運(yùn)動(dòng)影響嚴(yán)重，多為平行的陡峭山脊和起伏的山谷，局部多陡崖。植被茂密，多為低矮灌木。道路路基以挖方形式穿過，路基中心地段最大開挖深度15.6 m，最大路塹邊坡高度18.6 m。邊坡巖層巖性見表1。

表1　邊坡巖層巖性

注：σ0為巖土地基承載力基本值。

內(nèi)馬鐵路DK34+500—DK34+800段的路基設(shè)計(jì)典型斷面如圖1所示，斷面有關(guān)具體設(shè)計(jì)情況見表2。

圖1　路塹邊坡設(shè)計(jì)典型斷面圖(單位：m)

邊坡設(shè)計(jì)　坡率　巖性最大臺(tái)階高度/m開挖方式左側(cè)邊坡第1級(jí)坡第2級(jí)坡第3級(jí)坡1∶11∶11∶15強(qiáng)、弱風(fēng)化玄武巖強(qiáng)、弱風(fēng)化玄武巖全風(fēng)化玄武巖1055爆破開挖爆破開挖機(jī)械開挖右側(cè)邊坡第1級(jí)坡第2級(jí)坡1∶11∶15全、強(qiáng)風(fēng)化玄武巖全風(fēng)化玄武巖83爆破開挖機(jī)械開挖

2.2　光面爆破參數(shù)設(shè)計(jì)

根據(jù)已具有的設(shè)備和材料進(jìn)行光面爆破參數(shù)設(shè)計(jì)。其中，爆破孔直徑設(shè)計(jì)采用現(xiàn)場實(shí)際施工中的鉆孔直徑db=110 mm；臺(tái)階最大一級(jí)邊坡高度H=10 m，光面爆破孔最大一級(jí)長度(斜孔長度)h=15 m，如圖2所示。工程現(xiàn)場能提供的火工品主要有：型號(hào)φ32 mm×200 mm的乳化炸藥、毫秒延時(shí)電雷管和導(dǎo)爆索等。

圖2　邊坡光面爆破孔布置圖(單位：m)

計(jì)算公式中的經(jīng)驗(yàn)常數(shù)m和s通過查表，其取值分別為0.13和0.000 01。

1)巖石點(diǎn)荷載強(qiáng)度指標(biāo)確定

在已實(shí)施的主爆區(qū)現(xiàn)場，利用便攜式的巖石點(diǎn)荷載強(qiáng)度試驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行了16組不規(guī)則巖塊的點(diǎn)荷載強(qiáng)度試驗(yàn)，經(jīng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)最終獲得光面爆破區(qū)域巖石的點(diǎn)荷載強(qiáng)度試驗(yàn)指標(biāo)Is(50)=2.6 MPa。以此實(shí)測值作為光面爆破參數(shù)設(shè)計(jì)中的巖石強(qiáng)度的取值。

2)4個(gè)關(guān)鍵光面爆破參數(shù)a,W,kc和qs的設(shè)計(jì)取值見表3。

表3　光面爆破參數(shù)設(shè)計(jì)

3)光面爆破孔裝藥結(jié)構(gòu)

使用現(xiàn)場工地已有的直徑φ32 mm的乳化炸藥卷；爆破孔內(nèi)裝藥時(shí)藥卷與藥卷間的間隔距離為30 cm，光面爆破孔底部1.2 m范圍為加強(qiáng)裝藥段，底部加強(qiáng)段裝藥量是常規(guī)段裝藥量的3倍左右。光面爆破孔入口段1.5 m采用黏土堵塞。

4)光面爆破起爆網(wǎng)絡(luò)

內(nèi)馬鐵路DK34+500—DK34+800段的巖體邊坡光面爆破網(wǎng)路設(shè)計(jì)為：每個(gè)炮孔內(nèi)的所有炸藥卷通過導(dǎo)爆索串聯(lián)形成藥串，在爆破孔外用導(dǎo)爆索將各個(gè)爆破孔串聯(lián)起來，再將各分支串并聯(lián)起來，最后在并聯(lián)兩端用延時(shí)的電雷管串聯(lián)起來形成1個(gè)閉合回路。

2.3　光面爆破效果分析

內(nèi)馬鐵路DK34+500—DK34+800段的巖體邊坡分7次爆破完成，總共686個(gè)光面爆破孔和1 615個(gè)主爆破孔，爆破總開挖方量約為7.2×104m3。巖體邊坡光面爆破實(shí)測統(tǒng)計(jì)結(jié)果與設(shè)計(jì)值見表4。

表4　邊坡光面爆破實(shí)測統(tǒng)計(jì)結(jié)果與設(shè)計(jì)值

從表4可見，內(nèi)馬鐵路DK34+500—DK34+800段的巖體邊坡光面爆破效果較理想，完全達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

3　結(jié)　語

本文依據(jù)Hoek和Brown所建立的巖體強(qiáng)度經(jīng)驗(yàn)方程，并引入現(xiàn)場巖體試驗(yàn)指標(biāo)Is(50)，導(dǎo)出了巖體邊坡光面爆破設(shè)計(jì)的4個(gè)關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)a,W,Kc和qs的計(jì)算式，將所獲得的研究成果應(yīng)用于內(nèi)馬鐵路工程，對(duì)DK34+500—DK34+800段的路塹邊坡開挖光面爆破進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)，工程的實(shí)施結(jié)果表明：強(qiáng)風(fēng)化段巖體邊坡炮眼痕跡率約為56%，弱風(fēng)化段巖體邊坡爆破孔痕跡率約為85%，坡面超欠挖量最大值約為16 cm，整個(gè)開挖輪廓線型流暢，爆破效果較理想，完全達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，尤其是欠挖得到了較好的控制，減少了大量二次爆破工作量，保證了施工進(jìn)度，節(jié)約了成本。本文的研究成果可為今后類似的鐵路巖體路塹邊坡光面爆破設(shè)計(jì)及施工提供理論計(jì)算方法。

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