顾毅成¹ 刘宏刚² 刘旺锋³ 赵强³

（1铁道科学研究院，北京，100081； 2. 中铁3局集团公司，太原, 030001；

3. .中铁20局集团公司西北公司，西安，710000）

摘要：针对西柏坡电厂三期铁路专用线与朔黄铁路并行段路堑拓宽石方365体育中出现扩堑岩体厚度仅为5~10m的情况，为实施边坡预裂爆破，通过利文斯顿爆破漏斗理论及爆破对岩石破坏范围的安全论证，提出了采用分台阶、毫秒延时预裂爆破、控制一段起爆最大药量等薄层岩体预裂爆破的设计原则，介绍了该工程所采用的设计方案与主要设计参数以及取得的爆破效果，可供类似工程参考。

关键词：铁路复线石方爆破、预裂爆破、薄层岩体

PRE-SPLITTING BLASTING IN THIN TERRANE

（1China Academy of Railway Sciences，Beijing，100081, China； 2. China Railway the Third Bureau Group Co，Taiyuan, 030001, China；3. China Railway the 20^th Bureau Group Co，Xi’an，710000, China）

Abstract：Aiming at the situation that the thickness of terrane is only 5~10 meters in the rock blasting project of cutting expansion in the third construction stage of Xi-Bai-Po power plant railway which parallels to Shuo-Huang railway. In order to implement pre-splitting blasting to slope, using Crater Theory by C. W. Livingston and the safety proof of blasting destruction range to rocks. The paper puts forward some design principles for thin terrane pre-splitting blasting which adopts per-stage、 ms-delay pre-splitting blasting、max-charge amount per delay interval and so on, and introduces the design scheme、 main parameters and results of this blasting，which can be referenced to similar engineering.

Keywords: blasting for rock in railway of crewel; pre-splitting blasting; thin terrane

1.问题的提出

    中铁20局集团公司在承担的西柏坡电厂三期铁路专用线工程中， K247+000～K248+700段与既有电气化铁路朔黄线平行，其中路基土石方开挖主要集中于K247+200～K247+800，开挖长度600m，开挖宽度5～21m不等，最大开挖深度为22m，开挖总工程量为7.8万m³, 该段地形起伏变化大, 地质条件复杂多变, 岩石为白云岩, 底部夹片岩和千枚岩, 微风化, 局部表层覆盖新黄土。周围环境极其复杂，开挖边缘线距运营朔黄线最近为1.5m，开挖段两侧分布有电力机车高压线和铁路自闭线。每天运行90对列车。列车间隔时间最小为5分钟，不可能开天窗爆破，要求爆破不能危及运输安全，否则后果不堪设想。

    经中国工程爆破协会安全评估专家组论证，本工程采用边坡深孔预裂爆破、临堑预留隔墙、扩堑主体从里向外进行浅孔台阶控制爆破、预留隔墙定向爆破倾倒的施工总体方案，在电气化铁路A级复线石方扩堑爆破中，不仅采用多项新技术，而且取消了既有铁路扩堑施工要求设立的全封闭防护排架，在爆破施工技术上具有很大的挑战性。

在该区间200m范围内,预裂爆破边坡面前方扩堑岩体的厚度较薄,仅为5～10m，即本文所指的薄层岩体。这种条件下，不能采用光面爆破，否则将危及运营铁路安全；在薄层岩体中实施深孔预裂爆破,既要保证前方临空面不破裂，又要取得高质量的爆破效果，是一个全新的课题

2. 薄层岩体预裂爆破的安全论证

对薄层岩体实施预裂爆破, 必须要通过控制爆破规模,确定合理的预裂爆破设计方案，采取必要的技术措施，保证预裂面前方坡面不破裂, 不落石, 才能保证紧邻既有线铁路运营安全。我们从以下几个方面进行论证分析.

2.1按利文斯顿爆破漏斗理论分析

利文斯顿认为, 埋置于地表以下一定深度H_o的药包，爆破时总能找到一个装药量Q_L , 当爆破能量低于此值时, 岩石表面只产生弹性形变而无明显破坏, 超过此药量限度, 则岩石表面将由弹性形变转化为破裂, 并用公式(1)表征:

     Q_L ＝（H/ E_b）³                                (1)

式中: H_――药包埋置深度,  m ;

     Q_L――药包埋置深度H时的临界装药量,  kg ;

     E_b－岩石变形能系数,  m/kg^1/3。

我们根据本工程现场爆破资料, 分析求得对本工程地质条件，E_b＝3.16 m/kg^1/3, 则对应于不同药包埋置深度, 其临界装药量如表1:

 表1.  不同药包埋置深度时的临界装药量

2.2按爆破对岩石破坏范围理论分析

张正宇等提出, 针对水工建筑基础开挖爆破, 认为当爆破时相应地面质点峰值震动速度值为13～19cm/s时, 地表为轻微破坏区, 即老裂缝有张开(大于0.1mm), 无错动, 更无新的裂缝产生。我们认为, 按照这一标准作为预裂爆破面前沿既有线原有边坡不被破坏的标准, 可以保证施工期间既有线的运营安全。

按照我国常用的计算爆破时产生的地面质点峰值震动速度计算公式:  

                                                         （2）

式中,   V—地面质点峰值震动速度,cm/s ;

        Q—炸药量,kg;齐发爆破为总药量；延迟爆破为最大一段爆破总药量；

        R—观测(计算)点到爆破的距离,m;

        K,α —分别为爆破点至计算点之间的地形、地质条件有关的系数和衰减指数。

对本工程,  K、 α分别取180、2.0 。经计算, 求得R为5～10m范围内, 对应于V=19cm/s的爆破药量如表2。

表2,  对应于V=19cm/s,距离R与药量Q的关系表

2.3薄层岩体预裂爆破规模的控制

     上述分析表明,两种不同方法所得的结论趋于一致。从中可以得知, 对薄层岩体, 按表1、2数据控制不会对预裂孔前方岩体及护坡产生影响, 并有相当的安全系数。但这一控制药量, 对实施预裂爆破提出了苛刻的要求。为此决定, 在薄层岩体区段, 对边坡预裂爆破采取降低台阶高度, 即分为两个或者三个台阶, 并对预裂爆破试验采用毫秒差延时爆破, 试验规模按表3控制，根据试验效果, 做适当的调整。

表3 预裂爆破对爆破规模的控制

3. 薄层岩体深孔预裂爆破的设计

  3.1预裂爆破设计基本原则

（1）当薄层岩体顶宽小于10m时, 挖深大于10m时, 为控制爆破规模,宜分层钻爆。挖深为10～15m时, 设两个台阶；挖深大于15m时,设三个台阶。对薄层岩体, 一个台阶的高度不大于10 m, 为便于施工,平台宽度取B=2.0～3.0m。

（2）预裂爆破沿设计开挖边界面布设, 炮孔倾斜角度与设计边坡坡度等同, 为1: 0.3。

（3）根据本工程地质条件,预裂爆破炮孔直径d取80～100 mm, 药卷直径为32mm, 不偶合装药系数D =2.5～3.1。

（4）为降低预裂爆破地震动效应,防止薄层岩体前沿及既有线护坡破裂或剥落, 采用毫秒差延时预裂爆破, 按每4～8孔一组, 并以表3控制一段起爆最大药量; 根据工地导爆管雷管段别, 段间毫秒时差控制在100ms以内。

（5）按表3控制一次起爆预裂爆破总药量。为减少爆破次数,在一次爆破过程中,通过大于2S的秒差延时,可一次完成两组毫秒微差延时预裂爆破,两组相邻的预裂爆破,相邻处设两个不装药的空孔,起到导向和预裂拉裂的作用.

3.2不同地段分台阶设计方案

本工程边坡开挖轮廓距既有线边坡顶距离不足10m的薄层岩体段共有200 m。图1为DK₂₄₇+640及DK₂₄₇+540段典型的横断面图。 台阶高度分别为13.6m和17.4m,分别设二个和三个台阶，台阶变更处边坡设置缓坡，尽可能使其美观。

图1   DK₂₄₇+640；DK₂₄₇+540,横断面图

3.3薄层岩体中预裂爆破设计参数

   (1)预裂爆破的超钻h ,对上、中层平台,h取0.5m ,对下层平台h取2.0m。

   (2)预裂爆破孔距a ,本工程为1.8～2.5 m。 

  (3) 预裂爆破炮孔线装药密度q (g/m),根据经验类比法,取 q=250～340g/m,岩石坚硬取大值,底部1m加强装药段,q=450～750g/m,上部1.6～1.8m为填塞段。

    (4)预裂爆破起爆网路设计

     根据设计基本原则,薄层岩体部位孔内装7 MS非电雷管,孔外用 3MS连接控制延时时间，每4孔为一段, 设计延时为100ms，一次起爆总药量应满足控制要求；为减少爆破次数, 一次起爆两组，分别由两人用火雷管起爆,两组时差按2s-3s控制。

 4.大面积、预裂爆破的实施

 自2005年５月２３日开始,对薄层岩体实施预裂爆破,至１０月２０日完成,其间共进行预裂爆破19次, 光面爆破６次，无一安全事故，保障了朔黄铁路的运营安全。

 在高22 m，长600m的范围内，克服地质条件多变的不利因素，首次在铁路复线扩堑中，边坡采用深孔预裂、光面爆破，边坡做到稳定、平整，（图2）半孔率达90%以上。

图2  600m长范围内边坡平整稳定

5．结论

实施边坡深孔预裂爆破，特别是在薄层岩体（5～10m）中完成高质量预裂爆破有如下技术特点：

（1）对薄层岩体预裂爆破，通过安全检验及论证，提出了保证不同厚度岩体临空面不破坏的临界药量，以保证既有线原护坡的安全与稳定；

（2）通过设计分台阶及采用毫秒差分段预裂爆破，在允许爆破规模前提下，实现一定长度的预裂成缝；

（3）针对复杂地质条件，有针对性地设计预裂爆破装药结构，既保证在松软岩层，土夹石地段成缝，并留下半孔痕迹，又做到在紧硬岩层中不留炮根，一缝到底，大大提高了边坡半孔率和边坡质量。

上述新技术适用于铁路运营复线扩堑或增建第二线石方爆破施工作业，对其他复杂环境的石方控制365体育，亦有推广应用前景。

参考文献：

[1]. 张志毅.王中黔主编. 交通土建工程365体育师手册[M].北京：人民交通出版社，2002.

[2]. 张正宇. 现代水利水电工程爆破[M].北京：中国水利水电出版社，2003.

[3]. 史雅语、金骥良、顾毅成. 工程爆破实践[M].合肥：中国科学技术大学出版社，2002.

[4]. 熊代余、 顾毅成. 岩石爆破理论与技术新进展[M].北京：冶金工业出版社，2002.