摘要：完整、硬質(zhì)巖體的路塹邊坡開挖應(yīng)采用光面、預(yù)裂爆破技術(shù)，破碎、軟質(zhì)巖體邊坡開挖宜采用直立炮孔和孔底緩沖爆破技術(shù)，這兩種爆破對(duì)坡內(nèi)巖體的擾動(dòng)和損傷破壞最輕，對(duì)提高鐵路路塹邊坡的質(zhì)量和穩(wěn)定性具有十分重要的意義。弱擾動(dòng)爆破的主要鉆爆參數(shù)包括鉆孔間距、鉆孔直徑、線裝藥量、鉆孔超深、緩沖墊層高度等，文章介紹了這些參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)取值法，以及相應(yīng)的不耦合裝藥結(jié)構(gòu)，依靠這些經(jīng)驗(yàn)公式可以取得滿意的爆破效果。盡管邊坡弱擾動(dòng)爆破的理論落后于實(shí)踐，但弱擾動(dòng)爆破技術(shù)已具有大力推廣應(yīng)用的條件和基礎(chǔ)

1．前言

當(dāng)前我國鐵路建設(shè)工程中對(duì)路塹邊坡開挖問題，普遍以粗放的爆破開挖技術(shù)施工，造成邊坡內(nèi)部巖體嚴(yán)重?fù)p傷，對(duì)邊坡的長久穩(wěn)定極為不利。實(shí)踐證明采用弱擾動(dòng)爆破技術(shù)開挖路塹邊坡可以極大地提高路塹邊坡的質(zhì)量和穩(wěn)定性[1][2]。在完整、硬質(zhì)巖體的路塹邊坡開挖中，通常應(yīng)用光面、預(yù)裂爆破技術(shù)，使爆破后路塹坡面穩(wěn)定、平整、美觀，爆破開挖半孔率可達(dá)到95%左右，坡面不需二次支護(hù)直接成坡；而在破碎、軟質(zhì)巖體邊坡開挖中，當(dāng)設(shè)計(jì)坡度緩于1:0.75時(shí)，宜采用直立炮孔和孔底緩沖爆破技術(shù)，它可以使爆破對(duì)坡面巖石損傷破壞盡可能減輕。光面、預(yù)裂弱擾動(dòng)爆破的主要鉆爆參數(shù)有鉆孔直徑、鉆孔間距、線裝藥量等，這些參數(shù)與巖石抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、炸藥特性和地質(zhì)條件有關(guān)。孔底緩沖爆破的主要鉆爆參數(shù)有鉆孔直徑、緩沖長度、鉆孔超深等，它們主要與緩沖充填材料、炸藥特性和地質(zhì)條件有關(guān)。下面結(jié)合相關(guān)研究資料分別加以探討。

2光面、預(yù)裂弱擾動(dòng)爆破參數(shù)選取原則和理論依據(jù)

2.1 鉆孔直徑的確定

光面、預(yù)裂爆破的炮孔直徑與臺(tái)階高度有關(guān)，一般3~?>5m高的臺(tái)階，可選擇40~50mm的鉆孔直徑；6~15m高的臺(tái)階，可選擇70~100mm的鉆孔直徑；16~30m高的臺(tái)階，可選擇100~150mm的鉆孔直徑；露天礦山采場爆破中有高度超過30m的臺(tái)階，可根據(jù)現(xiàn)場鉆孔設(shè)備采用大直徑炮孔。炮孔直徑與臺(tái)階高度基本成正比關(guān)系：即臺(tái)階高度越高，鉆孔直徑越大，但是過大的鉆孔直徑是不經(jīng)濟(jì)的。若需要評(píng)價(jià)所選鉆孔直徑是否經(jīng)濟(jì)、合理，有一個(gè)定量計(jì)算公式進(jìn)行評(píng)估，通過大量的工程實(shí)踐資料總結(jié)和回歸分析（見圖1），得到其經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式為：

D=30+4H

式中：D為鉆孔直徑(mm)； H為臺(tái)階坡面長度(m)。

施工中所選鉆孔直徑與計(jì)算值越接近，經(jīng)濟(jì)性越佳、技術(shù)性越合理。為了便于公式的記憶可將其簡稱為“三十四原則”，即第一項(xiàng)常數(shù)等于30，第二項(xiàng)系數(shù)等于4；H為臺(tái)階坡面長度，習(xí)慣的單位是m；而D為鉆孔直徑，習(xí)慣的單位是mm。 

2.2 鉆孔間距與鉆孔直徑的關(guān)系

    鉆孔間距a與鉆孔直徑d的比值稱為孔徑比E。E值是一個(gè)重要的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，它的大小決定了鉆孔數(shù)量和預(yù)裂爆破質(zhì)量。從施工經(jīng)濟(jì)指標(biāo)出發(fā)，E值取大一些好，E值越大鉆孔數(shù)越少；而從技術(shù)質(zhì)量指標(biāo)出發(fā)，E值小一些好，E值大鉆孔數(shù)雖然少，但邊坡坡面質(zhì)量和平整度降低了。爆破理論一再證明：分散裝藥爆破遠(yuǎn)比集中裝藥爆破對(duì)圍巖的破壞小。E值小時(shí)，炮孔數(shù)多，藥量相對(duì)分散，光面、預(yù)裂爆破形成的坡面質(zhì)量和平整度好。一般E值宜選定在8~12范圍。 研究表明，E值的選定應(yīng)考慮兩個(gè)重要因素，即工程地質(zhì)條件和工程性質(zhì)。

從工程地質(zhì)條件角度出發(fā)，巖石堅(jiān)硬、完整性好，E值可取大一些；相反，巖石風(fēng)化、節(jié)理裂隙發(fā)育，E值應(yīng)小一些。一般Ⅰ、Ⅱ級(jí)圍巖中，E值可大于10，Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖中，E值應(yīng)小于10。

    另外，要根據(jù)工程性質(zhì)和類別不同調(diào)整孔徑比E。屬于永久性、特別重要的工程，如Ⅰ級(jí)鐵路干線、樞紐車站等邊坡的預(yù)裂爆破，E值應(yīng)偏�。ㄒ话鉋≤10），盡可能分散裝藥爆破，將預(yù)裂爆破對(duì)圍巖的損傷破壞降到最小。屬于臨時(shí)性、次要性工程，如鐵路支線、臨時(shí)車站等邊坡預(yù)裂爆破時(shí)，偏重考慮經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，E值可偏大（一般E≥10），甚至達(dá)到準(zhǔn)光面爆破效果，只要求對(duì)圍巖的損傷破壞不太嚴(yán)重就可以了。

光面爆破的鉆孔間距a與鉆孔直徑d的關(guān)系稍有不同，中間引入了光爆層厚度，即光面爆破的最小抵抗線，W光=(10~20)d, 式中：當(dāng)巖體軟弱、破碎，系數(shù)取大值；反之，巖石堅(jiān)硬完整，系數(shù)取小值。光面爆破的鉆孔間距a=(0.6~0.8) W光，式中：當(dāng)巖體軟弱、破碎，系數(shù)取小值；反之，巖石堅(jiān)硬完整，系數(shù)取大值。

2.3 合理裝藥量的計(jì)算與選擇

在預(yù)裂弱擾動(dòng)爆破施工中，當(dāng)?shù)氐膸r層特性已不能改變，在選定了鉆孔直徑和炮孔間距后，預(yù)裂爆破的成敗主要取決于裝藥量是否合理。一般裝藥量與鉆孔直徑、鉆孔間距、巖石性質(zhì)和炸藥性能等參數(shù)有關(guān)。裝藥量的計(jì)算有理論分析法和經(jīng)驗(yàn)法，實(shí)際工程中以經(jīng)驗(yàn)法計(jì)算為多。

較早的、有代表性的理論分析法有：(1)美國D.K.Holms(霍爾姆斯)等人，依據(jù)他們在尼亞加拉水電站的預(yù)裂爆破研究成果，提出爆炸壓力不破壞孔壁條件下、同時(shí)兩孔之間的爆炸拉應(yīng)力須超過巖石動(dòng)抗拉強(qiáng)度，以此作為確定炮孔線裝藥密度的計(jì)算原理，由此得出的計(jì)算公式較為復(fù)雜，需要已知巖石抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、彈性模量、泊松比、鉆孔半徑、孔間距、炸藥爆速和密度等參數(shù)。(2)前蘇聯(lián)A.A.費(fèi)先柯和B.C.艾得斯托夫應(yīng)用空氣沖擊波對(duì)障礙物作用的理論以及孔壁壓力不壓壞孔壁的原則，推導(dǎo)了線裝藥密度的計(jì)算公式，同樣是參數(shù)眾多，計(jì)算復(fù)雜。(3)后來斷裂力學(xué)的興起，王中黔等人提出了依據(jù)斷裂力學(xué)原理推導(dǎo)出的線裝藥密度的計(jì)算公式，但計(jì)算公式中需要已知巖石的斷裂韌性KIC和內(nèi)部初始裂縫長度等參數(shù)，計(jì)算過程也較復(fù)雜。由此看來，理論分析法雖然從某種意義上解釋了預(yù)裂爆破的作用機(jī)理，但計(jì)算公式有局限性，某些參數(shù)無法確定或不易確定，實(shí)用價(jià)值小。

一些爆破工作者根據(jù)已完成的工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)提出了一些經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。大多數(shù)情況下，采用這些經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以保證預(yù)裂縫或光爆面的形成，但其不易確定最佳值，在爆破設(shè)計(jì)中往往需要有經(jīng)驗(yàn)的工程師結(jié)合當(dāng)?shù)貛r石特性對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。實(shí)踐中預(yù)裂爆破的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式較為實(shí)用，它抓住了預(yù)裂爆破的主要影響關(guān)系，重點(diǎn)考慮了巖石抗壓強(qiáng)度、炮孔間距和炮孔直徑。其通式如下：

q線=K·[σ壓]α·[a]β·[d]γ

式中：q線——炮孔的線裝藥密度(kg/m)；

     [σ壓]——巖石的極限抗壓強(qiáng)度(MPa)；

     [a]——炮孔間距(m)；

     [d]——炮孔直徑(m)；

     K、α、β、γ——均為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)

經(jīng)驗(yàn)系數(shù)的具體取值形式有以下幾種[3]：

(1) 長江科學(xué)院經(jīng)驗(yàn)式：

q線=0.042·[σ壓]0.5·[a]0.6

(2) 葛洲壩工程局經(jīng)驗(yàn)式

q線=0.367·[σ壓]0.5·[d]0.36

(3) 武漢水利電力學(xué)院經(jīng)驗(yàn)式

q線=0.127·[σ壓]0.5·[a]0.84·[d/2]0.24          

目前，大多數(shù)爆破工作者仍然通過經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)或經(jīng)驗(yàn)公式來確定預(yù)裂爆破裝藥參數(shù)。

對(duì)于光面爆破而言，基本按照預(yù)裂爆破裝藥量的80~90%計(jì)算，或者按炸藥單耗取為q=0.15~0.25kg/m3，由公式Q線=qaW光來計(jì)算線裝藥密度。

2.4 炸藥特性對(duì)坡面預(yù)裂弱擾動(dòng)爆破的影響

爆破理論與技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方面，在于選擇合適的炸藥品種，使其將更多的能量用于做有用功。根據(jù)光面、預(yù)裂爆破的應(yīng)力波與爆生氣體聯(lián)合作用理論，要求炸藥不一定有很高的爆速和猛度，其爆炸生成的氣體量盡量多。我國普遍使用巖石硝銨炸藥、乳化炸藥、銨油炸藥、水膠炸藥等工業(yè)炸藥。盡管采用上述炸藥都有獲得預(yù)裂爆破成功的例證，但并不等于它們都是進(jìn)行預(yù)裂爆破最合適的炸藥。預(yù)裂爆破采用不耦合裝藥，可以使孔壁巖石受力狀態(tài)得到調(diào)整，這是上述炸藥都能獲得預(yù)裂爆破成功的重要條件。采用上述炸藥進(jìn)行預(yù)裂爆破時(shí)，當(dāng)不耦合系數(shù)小于2時(shí)，往往會(huì)使孔壁受到損壞。瑞典、日本、美國等國家研究出了一些專門用于預(yù)裂爆破或光面爆破的新型炸藥。我國也曾研制和生產(chǎn)出了一些光爆專用炸藥，但均未能形成規(guī)模生產(chǎn)，也未能在全國普遍推廣。因?yàn)樾∨�量的專用炸藥審批購買手續(xù)復(fù)雜，施工中為求簡便，大多采用與一般爆破相同的炸藥品種進(jìn)行預(yù)裂爆破，并通過改善不耦合裝藥結(jié)構(gòu)調(diào)整炸藥爆炸對(duì)孔壁的作用壓力而滿足預(yù)裂爆破效果。

因此，凡能進(jìn)行預(yù)裂爆破的炸藥，都有一個(gè)適合于每種巖石的合適裝藥量范圍。當(dāng)炸藥性能改變時(shí)，必須重新調(diào)整裝藥量或鉆孔間距。在施工中經(jīng)常對(duì)所使用的炸藥進(jìn)行性能測定（如爆速等），這對(duì)取得良好的爆破效果大有好處。我們希望從審批和購買光面爆破專用炸藥的政策層面上作出改進(jìn)，同時(shí)加強(qiáng)廠家與用戶的溝通，推動(dòng)光面、預(yù)裂爆破器材和技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展。

綜上所述，光面、預(yù)裂爆破的鉆爆參數(shù)整體上還是依靠經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)或經(jīng)驗(yàn)公式來確定，這說明爆破理論仍然落后爆破實(shí)踐的發(fā)展，然而依靠目前的經(jīng)驗(yàn)取值法基本上可以獲得良好的光爆效果（見圖2），因此具有大力推廣應(yīng)用的條件和基礎(chǔ)，它對(duì)提高鐵路路塹邊坡的質(zhì)量和穩(wěn)定性具有十分重要的意義。

3 直立炮孔的孔底緩沖弱擾動(dòng)爆破技術(shù)

光面、預(yù)裂爆破在堅(jiān)硬完整的巖體中可以獲得很好的弱擾動(dòng)開挖效果，對(duì)于破碎、軟質(zhì)巖石邊坡的開挖，當(dāng)設(shè)計(jì)坡度緩于1:0.75時(shí)，若仍采用平行坡面的傾斜孔進(jìn)行光面、預(yù)裂爆破，不僅鉆孔施工困難大，鉆孔質(zhì)量難以保證，而且裝藥堵塞作業(yè)也十分難做，而應(yīng)改用直立炮孔和孔底緩沖爆破技術(shù)。其實(shí)對(duì)于破碎、軟質(zhì)巖石邊坡而言，降低爆破對(duì)邊坡內(nèi)部巖石的損傷破壞尤為重要。鐵科院曾進(jìn)行過大爆破路塹邊坡穩(wěn)定情況調(diào)查，結(jié)論是巖性條件越差的邊坡，越需要采用弱擾動(dòng)爆破開挖技術(shù)，否則，極易形成病害邊坡。

3.1 孔底緩沖爆破的作用和適用范圍

在炮孔底設(shè)置一定高度的柔性墊層，減小爆炸對(duì)孔底以下巖石的沖擊破壞作用，這種爆破緩沖作用的效果得到國內(nèi)外爆破界的認(rèn)同，已在某些特殊要求的工程得到推廣應(yīng)用[4]。

柔性墊層可用低密度高孔隙率的吸能材料制作，從裝藥結(jié)構(gòu)角度分析，設(shè)置柔性墊層等于孔底徑向不耦合裝藥�？變�(nèi)藥包爆炸生成的高溫高壓氣體，在作用于孔壁產(chǎn)生徑向及環(huán)向裂縫的同時(shí)，通過柔性墊層的可壓縮性及對(duì)空氣沖擊波的阻滯作用，使炮孔底部巖石所受爆生氣體的峰壓及比沖量明顯減小，從而降低了爆炸對(duì)孔底以下巖石的破壞作用。有關(guān)試驗(yàn)的聲波測試資料（見圖3）表明：當(dāng)孔底柔性墊層高度是孔徑的6~7倍時(shí)，孔底以下基巖的破壞深度減小40%以上。

 孔底柔性墊層緩沖爆破作用除了降低爆炸對(duì)孔底以下巖石的損傷破壞作用，也可以降低爆破振動(dòng)對(duì)環(huán)境的影響，有關(guān)試驗(yàn)資料表明爆破振動(dòng)速度能降低10~20%。

3.2 孔底緩沖爆破設(shè)計(jì)原則和合理參數(shù)

雖然孔底緩沖爆破對(duì)孔底以下基巖的破壞作用減小是顯而易見的，但由于這方面的理論研究不成熟，具體的設(shè)計(jì)參數(shù)尚無現(xiàn)成計(jì)算公式。對(duì)于孔底緩沖爆破設(shè)計(jì)主要原則有以下幾條：

(1)孔底柔性墊層的材料就地取材，可以是鋸末、泡沫塑料、空氣間隔材料等；

(2)直立炮孔臺(tái)階爆破采用逐段微差起爆方式；

(3)上部巖石爆破裝藥參數(shù)基本與常規(guī)爆破相同。

孔底緩沖爆破設(shè)計(jì)主要參數(shù)有兩個(gè)：即柔性墊層高度h、孔底超深l。目前這兩個(gè)參數(shù)的合理值主要靠現(xiàn)場試驗(yàn)確定，經(jīng)驗(yàn)參考的數(shù)據(jù)如下：

柔性墊層高度h等于5~8倍炮孔直徑；孔底超深l根據(jù)巖石性質(zhì)而定，破碎、軟質(zhì)巖石斜坡處炮孔可以取消超深,見圖4，通常超深不大于0.5m。       

4 結(jié)語

綜上分析，當(dāng)前邊坡弱擾動(dòng)爆破的理論仍然落后于實(shí)踐，但弱擾動(dòng)爆破技術(shù)具有大力推廣應(yīng)用的條件和基礎(chǔ)，它對(duì)提高鐵路路塹邊坡的質(zhì)量和穩(wěn)定性具有十分重要的意義，對(duì)此有以下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)：

(1)弱擾動(dòng)爆破的主要鉆爆參數(shù)包括鉆孔間距、鉆孔直徑、線裝藥量、鉆孔超深、緩沖墊層高度等，這些參數(shù)以經(jīng)驗(yàn)法確定為主，主要影響因素有邊坡高度、巖石抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、炸藥特性、工程性質(zhì)和地質(zhì)條件等，依靠目前的經(jīng)驗(yàn)取值法基本能滿足工程要求。

(2)我國的光面爆破專用炸藥比較欠缺，購買、審批手續(xù)較復(fù)雜、價(jià)格也較貴，用普通巖石炸藥和導(dǎo)爆索不耦合裝藥也能實(shí)現(xiàn)較好的光面爆破效果，只是施工麻煩、技術(shù)控制較難。但這一現(xiàn)狀可能還要存在相當(dāng)長一段時(shí)間，我們企望及早出臺(tái)鼓勵(lì)這一技術(shù)進(jìn)步的政策。

(3)對(duì)于破碎、軟質(zhì)巖石邊坡的開挖，當(dāng)設(shè)計(jì)坡度緩于1:0.75時(shí)，應(yīng)積極采用直立炮孔和孔底緩沖爆破技術(shù)，這對(duì)降低爆破對(duì)破碎、軟質(zhì)巖石邊坡的內(nèi)部損傷破壞尤為重要。