复杂环境下铁路复线路堑爆破开挖安全控制技术

孙崔源 郭云龙 孟海利 薛里 康永全 刘世波

（中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京 100081）

工程爆破技术已在铁路、交通、矿山、建筑、水利、国防等领域广泛应用。工程爆破高效又经济，但也存在爆破振动等问题。国内外学者从爆破振动和爆破飞散物防护两方面进行了相关研究。黄昌富［1］在铁路路堑爆破过程中采用大孔距、小抵抗线、逐孔起爆等技术控制爆破有害效应；赵明生等［2］为了减小近距离保护物处的爆破振动，采用孔内微差与不耦合装药相结合方式，控制了爆破振动的影响；王书兵，唐海等［3-4］在复杂环境下采用多层覆盖防护措施对爆破飞散物进行了主动防护，有效控制了爆破飞散物对周边民房等保护物的危害。

本文在前人研究的基础上，根据渝怀二线漾头车站站改工程的特点，从爆破技术、安全防护措施等方面探讨爆破飞散物和爆破振动的控制技术，为类似紧邻既有线和民房复杂环境下爆破施工提供参考。

1 工程概况

渝怀二线漾头车站站改工程位于贵州省与湖南省交界处，对应既有渝怀铁路里程为K554+832—K555+421，全长589 m。该站改工程需对既有渝怀线路基北侧进行路基填筑和路堑开挖，其中路基土石方填方量2.7×104m3，土方挖方量4.1×104m3，石方挖方量1.6×104m3。由于土石方开挖量较大，工期紧，故采用爆破开挖方式。爆区周边环境见图1。

图1 爆区周边环境

现场爆区西侧紧邻铁路高压输电线路和车站站房，东侧逐渐并入既有铁路。现场地形呈斜坡状，爆区在山坡顶部，坡面朝向既有铁路和居民民房。根据地勘资料该区域地层中存在软弱夹层。在复杂地质和不利地形条件下爆破产生的振动和飞石是本工程防控重点。爆破施工时需采用控制爆破技术和安全防护措施，以减小爆破振动和控制爆破飞散物对周边铁路设备设施、民房和居民生活的影响。

2 总体开挖方案

从安全、高效、低成本的角度出发，根据本工程的地形地质和周边环境条件，GB 6722—2014《爆破安全规程》［5］以及TB 10313—2019《铁路工程爆破振动安全技术规程》［6］中对路基、接触网、边坡、涵洞、站房等设备设施振动速度的要求，确定铁路设备设施爆破振动速度允许值在5.0 cm/s内。

总体开挖方案如下：

1）整体采用预留岩墙精准微振控制爆破技术。距既有铁路较远处采用深孔爆破开挖，台阶高10 m；在预留岩墙外6 m范围内采用浅孔爆破，台阶高3 m，以此确保岩墙高度始终高于主爆区3 m，起到屏障的作用，见图2。

图2 不同的爆破方式分布示意

2）预留岩墙采用浅孔松动爆破和机械破碎相结合的方式逐层拆除。在远离既有线侧采用浅孔松动爆破，抵抗线长度为1.0～1.2 m，紧挨既有线侧采用机械破碎的方式拆除。

3）依据现有地形和起爆顺序，设置爆区抛掷方向背对既有铁路。根据爆区的位置，严格控制爆破炸药单耗药量、最大单响药量和一次爆破规模。深孔区和浅孔区爆破均采用逐孔起爆的方式，最大限度地减少爆破振动对周边环境的影响。

4）为提升预裂爆破质量，减少爆破开挖对路堑的损伤，采用了新型同心不耦合护壁结构，见图3。在孔内增加护壁装置，使用半壁管作为装药载体，为偏心柔性材料不耦合护壁结构连续装药。炮孔中一侧充填泡沫材料，另一侧装填半卷乳化炸药。

图3 新型同心不耦合护壁结构示意

5）爆破后大块岩石采用机械破碎，既要保证施工安全，又要有利于挖装作业的连续进行，提高装车出渣效率。

6）爆破施工在铁路维修天窗内进行，根据位置的不同选取多元立体化综合防护措施，对爆破分散物进行防护，避免飞散物对既有铁路运营安全和邻近居民生产生活产生影响。

3 爆破方案

3.1 爆破参数

秉承精细爆破设计理念，结合不同区域断面特点及其与既有铁路的位置关系，将爆破区域分为6个分区（图4），以便针对性地采取爆破方法。

图4 爆区精细划分

各分区典型剖面如图5所示。

图5 各爆区典型剖面示意

深孔爆破炮孔直径90 mm，经现场试验确定炸药单耗取0.35 kg/m3，炮孔深度8～10 m；浅孔松动爆破和常规浅孔爆破的炮孔直径均为42 mm，炸药单耗分别为0.30，0.40 kg/m3，炮孔深度2.5～2.7 m。为减少爆破飞石，深孔爆破分层装药。路堑边坡处采用预裂爆破，预裂炮孔直径90 mm，采用新型同心不耦合护壁装药结构。不同方式的爆破参数见表1。

表1 不同方式的爆破参数

3.2 起爆网络

文献［7-10］研究发现：多排孔爆破时炮孔内采用高段雷管，孔外采用低段雷管，可有效控制爆破振动波的叠加，进而减小爆破振动。根据现场实际情况，浅孔爆破和深孔爆破孔内均使用MS12段导爆管雷管连接，孔间使用MS3段导爆管雷管连接，排间使用MS5段导爆管雷管连接。预裂爆破采用导爆索串联，预裂炮孔采用新型护壁装药结构，以减弱爆破对预留岩体的影响。起爆网络连接如图6所示。

图6 起爆网络连接示意

4 爆破有害效应控制

4.1 爆破振动验算

对爆破振动进行安全距离计算，校核爆破设计的装药量，控制一次最大单响药量，尽量减弱振动效应，确保爆区四周建（构）筑物和设施的安全。

按照GB 6722—2014中萨道夫斯基经验公式进行计算。

式中：V为最大安全振动速度，cm/s；Q为允许最大单响药量，kg；R为爆区到保护物的距离，m；K，α均为与地质条件有关的系数。

根据现场地质条件，中硬岩石按K=150，α=1.7取值，计算振动速度5.0 cm/s时不同距离允许最大单响药量，计算结果见表2。

表2 爆区距既有线不同距离的允许最大单响药量

根据爆破方案，距既有铁路近的区段采用浅孔松动爆破，最大单孔药量为0.7 kg；次近区为常规浅孔爆破，最大单孔药量为1.3 kg；远区为深孔爆破，最大单孔药量为27.6 kg。通过优化起爆网络，调整单响药量，孔内分层装药，可以满足振动速度限值的要求。

4.2 飞石飞散距离验算

根据Lundborg的统计规律法，结合工程实践经验，炮孔爆破飞石飞散距离可采用下式［11］计算。

式中：Kf为与爆破方式、填塞长度、地形和地质条件有关的系数，取值范围 1.0～1.5；q为炸药单耗，kg/m3；d为炮孔直径，mm。

不同爆破方式下炮孔爆破飞石飞散距离计算结果见表3。

表3 不同爆破方式下飞石飞散距离计算结果

爆区处于既有铁路旁，附近还有重要公共设施，必须把飞石控制在安全范围。在爆破设计及施工过程中，采取的主要措施包括：①合理确定抵抗线大小，避免临空面指向铁路；②严格控制炸药单耗和装药结构；③选择黄黏土和石粉作为填塞材料，保证堵塞长度；④爆区表面覆盖防护，覆盖材料一般选择强度高、质量大、韧性好的材料；⑤在爆区和铁路之间搭设钢管排架和防护网，高度不得低于6 m。

5 爆破安全与防护

5.1 飞散物防护

1）被动防护网

保证填塞长度和质量的同时，在邻近既有铁路一侧布设密目布鲁克防护网，防止飞散物侵入既有铁路，影响既有铁路运营安全。

2）孔口炮被

爆区炮孔表面覆盖炮被和钢丝网（图7），可大大减小飞石的初始速度和飞散距离，避免跳跃现象。

图7 爆区炮孔表面覆盖防护

5.2 滚石防护

本段石方开挖均在既有铁路的路堑边坡旁进行。由于既有铁路的边坡受到以前爆破开挖的影响已有一定损伤，为了防止爆破振动引起铁路侧边坡岩石开裂滑落，采用柔性和刚性相结合的防护方式。

1）密目主动防护网［12］。用锚杆将密目主动防护网固定在所需防护坡面，以限制坡面岩石滚动，并将滚石控制于一定范围内。该措施属于柔性防护，能使局部集中荷载向四周均匀传递，发挥整个系统的防护能力，即局部受载、整体作用，从而能承受较大的荷载并降低单根锚杆锚固力。

2）拦石排架［13］。在预留岩墙坡脚处架设拦石排架（图8），每隔10 m用钢管架和地锚将竹排固定在坡脚边的岩体上，地锚深度不小于1.5 m。钢管采用φ50 mm无缝钢管，竖向钢管间距1.0 m，横向钢管间距1.0 m。纵横钢管交叉采用扣件联接，在钢管靠线路侧满铺竹排封闭。竖向钢管植入岩层厚度不小于1 m，整个排架每隔1.5 m加设1根斜撑，以保证排架的稳定性。

图8 拦石排架

3）考虑到铁路上可能存在薄弱设备，如接触网支柱，需要对其专项防护。接触网支柱一旦破坏，整个线路将处于断电瘫痪状态。其防护方法：首先在接触网支柱临近爆区侧埋设工字钢墙，墙宽为2.0 m，高为3.5 m，底部埋深1.0 m，中间焊接横撑和斜撑；然后在正对爆区侧码设砂包，起缓冲作用；工字钢墙与接触网支柱之间加挂废旧轮胎，预防工字钢墙倾倒直接撞击接触网支柱。

6 结论

渝怀二线漾头车站站改工程环境复杂，安全标准要求严格。爆破施工时既要保证既有铁路安全运营和周边居民安全，又要保证施工进度。主要采取以下爆破和防护措施：

1）通过精细化爆破设计，将爆区精细划分为6个分区，根据每个分区与保护对象的位置关系，采用了不同的爆破方式，有效控制了爆破振动对保护对象的影响。

2）在邻近既有线侧，预留一定高度的岩墙，起到一定安全防护效果。预留岩墙采用浅孔松动爆破结合机械开挖的方式快速拆除。

3）路堑边坡侧采用了新型护壁装药结构，有效减小了炸药爆炸对边坡岩石的损伤，边坡一次成型效果良好。

4）通过优化爆破网络，实现了逐孔起爆，控制了最大单响药量，降低了爆破振动。

5）针对不利地形地质条件，采用小规模浅孔爆破和机械作业的方式改变临空面方向，使其背离保护对象。对炮孔采用专用细沙进行填塞，同时采用多元立体防护措施，有效控制了爆破飞石对既有铁路和周边居民的影响。

经实施，高效安全完成施工计划，爆破振动速度未超过限值，铁路设备正常运行，未出现损坏现象。爆破飞石未侵入铁路界限内，同时保证了爆破开挖进度。本工程措施可为类似紧邻既有铁路和居民区的复杂环境爆破施工提供参考。