探析定向断裂控制爆破技术在钻孔灌注桩中的应用

摘 要：爆破技术是利用炸药爆炸能量，使爆破对象发生变形、破碎、移动和抛掷，达到预定目的的技术。随着爆破技术日益成熟，现已广泛运用于各个领域，但在钻孔灌注桩中却鲜有运用。本文将针对某大桥及接线工程基础施工中0#台、1#墩出现的特殊地质情况，对定向断裂控制爆破技术在钻孔桩施工中的运用做出具体分析与探讨。

关键词：钻孔桩；孤石；爆破；定向断裂控制爆破；裂隙区半径；应力冲击波

1 工程概况

本案大桥桥梁主线长543m，桥梁分为主桥和南引桥两部分，其中主桥孔跨布置为（38+3×60+38）m，南引桥孔跨布置为（4×35+4×35）m。桥上最大纵坡2.5%，最小竖曲线半径6000m。主桥上部结构采用预应力混凝土变截面连续箱梁，南引桥上部结构采用预应力混凝土等截面连续箱梁。桥墩桥台均采用钻孔灌注桩基础。

2 施工方案选定

该大桥桥址处于某市东西向构造带南侧。受构造影响，场地基岩起伏较大，风化较不均匀，局部分布有未完全风化的球状体孤石，施工中发现0#台、1#墩存在球型风化体（孤石），并且球型风化体出现较多，分布不均，层厚差异较大，风化界面较为复杂。平均孤石有3层，最大层厚4.4m。由于孤石的存在，如采用常规的冲击成孔，会造成成孔周期长，成孔成本高等缺点。为满足施工工期及降低施工成本，项目部决定在0#台、1#墩采用爆破辅助成孔方法，在确保不破坏端承桩基岩面及相邻已成桩桩身砼完整性的情况下，采用定向断裂控制爆破技术，对孤石进行爆破，以提高钻孔进度及降低成孔成本。

3 定向断裂控制爆破

定向断裂控制爆破是指利用普通乳化炸药或者烈性炸药，通过合理确定炮孔孔网参数、装药结构、炮孔形状及起爆方法来控制爆破过程中爆炸产物的作用方向、地震效应及爆后飞石距离、破坏范围、破坏程度和岩石运动方向的爆破技术。定向断裂控制爆破技术中比较有效而实用的方法有四种：

⑴炮孔形状法，即改变炮孔形状，统称切槽爆破；

⑵药卷形状法，即改变药卷形状，工程爆破中常用轴对称侧向聚能药包爆破；

⑶切缝药包法，即在药柱外套一个预先开有一定宽度的切缝的套管的爆破方法；

⑷空孔导向法，即改变装药结构，保持炮孔和药卷形状不变，工程上一般应用于光面爆破或预裂爆破中。

四种方法见图1所示。

结合该大桥实际地质情况，施工中采用空孔导向法。其作用原理：即爆破中的空孔效应，包括同排装药孔和同排后爆孔的导向作用两个方面。空孔导向作用在于爆炸应力波在空孔（或爆破孔）壁产生入射作用，造成应力集中，根据相关文献记载，炮孔连线上的应力比其他方向上的应力提高2倍以上，爆炸裂缝沿炮孔连心线方向发展，从而抑制邻近区域其他方向产生裂隙。离炮孔近的空孔在应力波绕射作用下，易产生连心线方向的裂纹，即空孔或者后爆孔优先起裂。

3.1 炮眼及导向孔布设

炮眼及导向孔采用1台XY-1型液压工程钻机来钻进，钻穿整段孤石，以1-8#桩为例，炮眼及导向孔的布设详见图2。

1-8#桩径1.8m，按5～1号孔顺序布设，1为主炮眼，2、3、4、5为导向孔，起到抑制邻近区域其他方向产生裂隙的作用，导向孔应尽量靠近桩壁，本次取a为0.8m。由于在有泥浆的状态下钻炮眼，为避免泥浆沉淀于炮眼中，造成装药困难，影响爆破效果，所以主炮眼的炮孔最后钻取。

炮孔的钻凿质量直接影响到预裂面的质量和爆破的效果。在施工时，将护筒上覆盖钢桥面板以作为工程钻机的操作平台，钢桥面板上测量放样出桩中心点、定位炮眼及导向孔位置，同时测量出各点高程。根据放样点和工程钻钻头大小用乙炔在钢桥面板上割出小孔，工程钻整平开钻。导向孔钻进深度为孤石厚度，炮眼加深10%～20%。为确保不破坏端承桩基岩面，炮眼深度不得超过裂隙区半径。以钢桥面板标高作为基准面测量孔深，即可准确、直观地控制全部炮孔深度。

3.2 炸药包药量计算

根据地质类别、钻孔深度，并参考隧道爆破药包计算公式，采取经验和试验相结合的方法，决定药包用药量。隧道爆破药包用药量计算公式（本次计算以1-8#桩第一层孤石2.75m为例）：

(式1)

式中:

Q―为一次爆破总装药量，kg；

K―为单位岩石爆破炸药消耗量，kg/m3；根据基岩类型取K为50；

L―为孤石厚度，m；本次为2.75m；

S―为断面积，；S为0.0064。

根据以上公式计算得出：

Q1=0.88kg（现场采用0.9kg）。

同上，可得1-8#桩第二层孤石(层厚3m)、1-8#桩第三层孤石（层厚4.4m）用药量分别为：

Q2=0.96kg、Q3=1.408kg

4裂隙区半径确定

对于深孔不耦合装药结构的内部爆破，其产生的初始裂隙区半径计算如下：

（式2）

式中 冲击波作用在孔壁岩石上的初始冲击压力，Mpa。不耦合装药时，，其中为炸药的装药密度，kg/m3；为炸药的爆速，m/s；、分别为装药直径和炮孔直径，mm；为由于爆生气体产物碰撞孔壁而引起的压力增大倍数，一般取；

炮孔半径，mm；

岩石抗拉强度，Mpa；

岩石特性系数，，为岩石的泊松比；

应力波衰减指数，。

已知参数：kg/m3, m/s，mm，mm，，

计算得：Mpa

裂隙区半径mm

1#墩各桩中心间距为5.2m，桩与桩净距3.4m，由此可见采用定向断裂控制爆破时爆破应力冲击波对邻桩无影响。实际施工中，在1#墩各桩成桩后，经该地级市交通建设工程质量检测中心检测，全部为Ⅰ类桩。

5 工期对比

本案大桥0#台、1#墩各桩均存在孤石，在钻孔过程中常规冲击成孔施工和爆破技术辅助成孔均有采用。其中1-6#桩和1-8#桩桩位相隔较近，孤石分布位置基本一致，施工中，1-6#桩采用常规冲击成孔，1-8#桩采用爆破技术辅助成孔，下表为实际施工中两桩的施工周期对照表。

通过对比可得出，定向断裂控制爆破技术的运用对孤石群有显著的效果，特别是在工期紧，任务重的情况下，大大缩短了成桩周期。

6 结论

项目部把这次尝试作为新课题来探索，成立专门的爆破小组，并制定切实可行的专项爆破方案，在现场进行爆破施工时，各项安全要求均按隧道爆破要求进行，爆破前对全体参加人员进行安全交底，将整个方案和过程进行演练。爆破时间选择在晚上人员少的情况下进行，爆破时设立安全警戒线，防止闲杂人员进入施工场地，确保爆破施工安全。通过精心组织、合理安排，孤石爆破取得预期的良好效果。

定向断裂控制爆破技术目前在钻孔灌注桩成孔施工中还鲜有应用，该大桥桩基施工中采用定向断裂控制爆破技术，可为以后类似工程提供了一定借鉴，特发表此文，与大家共勉。

参考文献：

[1] 刘启山.隧道爆破现代技术[M].中国铁道出版社，1999.09.

[2] 张志呈、肖正学、郭学彬等.裂隙岩体爆破技术[M].四川；四川科学技术出版社，1999.

[3] 叶序双.空气中、水中爆炸理论基础[M].南京；工程兵学院内部教材，1985：162-165.

[4] 王海亮.铁路工程爆破[M].中国铁道出版社，2001.03.01.

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。