预裂爆破在深基坑开挖中的应用

【摘 要】随着社会环保意识的加强，人们对桥梁的要求越来越高，为了避免因在河流中修建桥墩而引起环境问题，越来越多的大跨度桥梁如钢管拱桥、斜拉桥、悬索桥被应用于跨河桥梁，而此类桥梁普遍存在的一个特点就是：基础或者锚碇通常临河设置，位于岩层中，且该类基础尺寸和开挖深度大，作业周期长，质量要求高。由此带来的问题就是：基坑开挖需进行大方量的石方爆破，并且从施工进度方面考虑，通常需采用装药量相对较大的深孔爆破，开挖质量难以控制。

本文通过对预裂爆破的爆破原理分析，以准朔铁路黄河特大桥钢管混凝土提篮拱桥东岸拱座基坑开挖为实例，结合各个行业爆破工作者的施工经验，论述了深孔预裂爆破在深、大基坑爆破开挖中的设计、应用和效果，为今后类似工程提供参考和借鉴。

【关键词】黄河特大桥；深基坑；预裂；爆破；减震；裂缝

一、工程概况

黄河特大桥为准朔铁路一跨跨越黄河而修建，位于山西河曲县和内蒙古准格尔旗交界处，主桥为1-380钢管提篮拱，是目前世界上同类型桥梁中最大的，其主拱采用嵌岩式钢筋混凝土基础，由于承受非常大的推力，对基坑岩壁完整性要求非常高。

该桥基础尺寸为23.6×35×20.3m，基顶标高为919.75m，基顶覆岩厚度为14～18米；黄河东岸所处地面为强风化岩，基底持力层为完整连续的弱风化石灰岩，节理、裂隙发育，无地下水，岩层分层厚度1～2m，产状平缓稳定，总的产状为236°∠10°，岩体自然稳定坡面角为73°；岩石抗压强度60～80MPa左右。

二、方案选定

图1 拱座开挖示意图

本工程拱座开挖方案设计分四次爆破，如图1所示，第一次爆破至基顶，爆破平均深度达14.5m，需按自然稳定坡角线刷坡防护，基坑上口开挖垂直桥轴线方向尺寸为45.5m，顺桥向尺寸为35m～46m不等；第二、三、四次爆破均在基础范围内，垂直爆破，深度在6～7m之间。

建筑物岩石基础开挖的通常做法是预留保护层，然后进行斜孔放小炮或机械修整基坑至轮廓线位置；而本工程基坑开挖尺寸大，工期紧，尤其是爆破深度大，造成坑壁修整工作量大，施工不便，从而影响工期，因此不预留坑壁保护层，采用在坑壁轮廓线上进行预裂爆破的方法，以减少修坑工作量，且因预裂爆破和主爆孔可以一次微差起爆，可以减少爆破轮次，节约大量时间。

三、预裂爆破原理

1、预裂爆破的定义

预裂爆破就是沿设计开挖轮廓线钻一排小间距的平行孔，以少量的装药量，不耦合装药结构，在爆破区域主炮孔爆破之前同时引爆，在预裂孔间连线方向上形成一条平整的预裂缝，从而减轻主炮孔爆破对坑壁的震动效应。

2、预裂缝的形成过程

图2 受力示意图

相邻炮孔内的药包同时爆破时，产生的压应力沿两炮孔中心连线方向相向传播，相遇时发生叠加，压应力相互抵消，而切向拉应力则得到加强，如图2所示。此时，中心连线方向切向拉应力为最大，此方向首先形成裂隙，爆破产生的高压气体准静态压力优先作用于该裂隙，发展成贯通裂缝；而贯通裂缝要有合适的宽度，以减少主爆孔产生的应力波透射到需保护的岩体上，从而起到减震效果。

3、预裂效果的保证

预裂爆破的主要目的之一是要沿炮孔中心连线形成平整的岩面，因此预裂爆破从破坏机理上来讲就是要防止压碎圈和环向裂隙的产生，并防止除相邻炮孔连线方向以外的径向裂隙的生成。

根据岩石爆破破坏机理，岩石的破坏是由反射拉应力波和爆生气体压力共同作用引起的。药包引爆后，首先是超高压冲击波压碎介质，在药包周围形成压碎圈；然后冲击波衰减为压应力波，使压碎圈外的介质产生径向压缩，引起介质径向位移，从而产生切向拉应力，并造成径向裂隙；同时由冲击波和应力波造成的介质压缩，使其积蓄了一部分弹性变形能，卸载过程中形成反向拉应力，并产生环状裂隙；另一方面，爆破产生的高压气体以准静态压力形式作用于炮孔壁，并在高压作用下挤入裂隙，产生尖劈作用，使裂隙进一步扩张。

为达到上述效果，应采用传递爆轰速度高的起爆器材，保证相邻炮孔同时起爆，提高爆破效果；选用低猛度、低爆速、低密度、传爆性能好的炸药，降低爆轰压力，控制压碎圈的形成，并且减少弹性变形，防止环向裂隙圈的产生；另外，不耦合装药使得爆轰初始阶段气体产物的一部分能量积蓄到炮孔与药包之间的空隙中，不仅能有效的削弱炮孔初始压力峰值，也能延长爆轰气体产物做功时间，促使贯通裂缝的生成。

四、地质分析和器材选用

由地质勘查资料可以看出，桥址处岩层竖向分层面与河岸线走向一致，这就意味着承受主要推力的拱座后背坑壁爆破效果比垂直分层面的侧壁要好；又由于裂隙、溶孔较为发育，对预裂爆破也有一定影响；结合岩石抗压强度、风化程度及发育情况，确定其普氏系数f=7。

根据地质分析和爆破原理分析，主爆孔选择粉状2#岩石工业炸药（耦合装药），导爆管作为传爆器材，毫秒延期导爆管雷管（微差控制并使预裂孔起爆在其起爆100ms前起爆）；而预裂孔选用8#雷管作为起爆击发器材，传爆速度快的导爆索（6500m/S以上）作为传爆器材，规格尺寸为φ35×200mm、重量200g的铵油炸药药卷；钻孔机械根据当地情况，选择HC725潜孔钻机，钻孔直径为90mm。

五、爆破参数的确定及用药量计算

根据岩石自然稳定坡角线要求，第一次爆破为刷坡防护，预裂孔钻孔倾斜角度73°。由于岩层节理发育，在水平面方向存在分层，层厚1～2m，因此钻孔不超深，孔深与设计开挖深度一致，为14.5m，一次爆破至基顶。

开挖进入基础范围以后，根据基础轮廓线布置预裂孔。

第二、三次爆破预裂孔垂直钻孔，深度7m。

第四次爆破分为垂直预裂孔和倾斜预裂孔，基坑侧壁采用垂直孔，前端采用69.78°斜孔，后背采用50.85°斜孔，最大深度6.3m。

预裂爆破不耦合系数K的取值一般在2～5，根据现有钻机和炸药药卷，确定其不耦合系数：

K=D/d=90/35=2.57

式中，D为炮孔直径，d为药卷直径。

钻孔间距：

a=m×D=11×90=990mm

实际施工取a=1m。

上式中m为经验系数，取值在8～12，软岩取大值，硬岩取小值。

线装药密度QL的计算由于预裂爆破所受干扰因素较为复杂，目前没有固定的计算公式，各种理论研究也不具备完全的代表性，因此根据经验公式确定：

QL=9D=0.8Kg/m。

填塞长度

L0=12D=1.1m

六、施工方法

1、准备工作

钻孔前，清理地面碎石、浮土，平整场地，以保证钻孔摆放平整；测量地形，并放出水准控制点；对基坑轮廓线进行放样，布置钻孔点位；根据设计标高和地面标高计算钻孔深度和炸药用量。

2、钻孔

潜孔钻机应摆放平整，根据设计确定摆放位置和方向，其中垂直孔可以朝任意方向摆放，钻斜孔时应位于开挖轮廓线外，并垂直于轮廓线，调整好钻杆角度。钻进过程中，随时检查钻机位置和钻进角度是否发生变化。

钻孔完成后，及时进行吹孔清理，并进行验孔和洞口覆盖。

3、装药、起爆

预裂孔爆破用导爆索分段并联，如图3，单孔装药采取分段间隔不耦合装药的形式，以导爆索捆绑药卷组成药串，药串位于炮孔中心位置，装药时孔底装药密度增加2～3倍，以克服根底，如图4。

图3 预裂孔布置图

图4

起爆时，将导爆索绑在电雷管上，通过启发电雷管引爆导爆索，从而瞬间引爆所有预裂孔炸药；同时，电雷管激发主爆孔导爆管，通过主爆孔网路上的5段延期导爆管雷管，保证了预裂孔和主爆孔之间的延期起爆时间。

4、施工注意事项

（1）斜眼钻孔时，基坑轮廓线以外必须留出4m以上施工作业平台，以供潜孔钻机就位钻孔。

（2）潜孔钻机应摆放平整、稳固，最好沿预裂孔中心连线弹出墨线，尤其是钻斜孔时，潜孔钻机必须与预裂孔中心连线垂直摆放，使同排预裂孔保持平行，且在同一平面上。

（3）孔口必须堵塞长度合适，不堵或者堵塞过短有可能将孔口炸成漏斗形状，堵塞过长则有可能在岩体表面形成不了贯通裂缝。

（4）预裂孔必须在主爆孔起爆前至少100ms起爆，防止应力叠加，确保起到减震作用。

七、效果分析

1、效果观察

为了更好的观察预裂效果，首次爆破预裂孔和主爆孔分别爆破。首次144个预裂孔起爆以后，对所形成裂缝进行观察，岩体表面形成一道1～2cm宽贯通裂缝，个别地方超过2cm，裂缝较直，岩面平整。主爆孔起爆后，对坑壁进行观察，坑壁后背孔痕率达82%，少数孔壁上出现细微裂纹；侧面坑壁孔痕率只有60%，上下游侧距离河岸线3m和7m左右的地方，均出现一道10cm宽左右的竖向裂缝，裂缝方向与河岸线垂直。

基顶以下预裂孔均与主爆孔一次微差起爆，时间间隔在100ms以上，爆破后观察发现拱座后背坑壁孔痕率达97%以上，无肉眼可见裂纹；侧壁孔痕率达85%以上，最大不平整度不超过15cm。

位于起爆中心300m以外的施工驻地，爆破地震效应已经大为减弱，人体感觉震动非常微弱，对项目部驻地活动板房影响很小；进行基坑下部爆破时，对上部边坡稳定及完整性基本上没有影响。

2、分析

通过分析，认为首次爆破由于地表风化及溶蚀程度较为严重，且主爆孔用药量相对较大，造成爆破效果不甚理想；出现较宽裂缝的地方岩面老旧，并粘有不少有机质粉粒和黄土，此处应为风化形成的裂缝，经爆破震动后变宽，必须进行注浆加固处理。

进入基顶以下，岩石风化程度减弱，且采取了缓冲爆破与预裂爆破相结合的方法，并对主爆孔逐排微差起爆网络进行了优化，每次爆破深度在7m以内，预裂孔为垂直钻孔，因此爆破效果良好。以上分析说明：

（1）预裂效果好坏与岩石完整程度有很大关系，尤其是在主爆孔用药量较大的情况下，对原本已风化的岩石产生的震动效应更加明显。

（2）主爆孔爆破深度、钻孔角度影响到钻孔精度，从而造成岩面质量的差别。

（3）除了预裂爆破，采用缓冲爆破、逐排微差起爆、孔间微差起爆甚至孔内微差起爆都能改良爆破质量，因此在进行预裂爆破的时候结合上述爆破方法能取得更好的效果。

（4）预裂爆破是通过其明显的减震作用来对坑壁、边坡和建筑物进行保护的。

参考文献：

[1]《水工建筑物岩石基础开挖工程施工规范SL47-94》，中国水利学会施工专业委员会爆破学组，水利电力出版社

[2]《爆破与爆炸技术》，佟铮、马万珍、曹玉生，中国人民公安大学出版社

[3]《路桥施工计算手册》，周水兴、何兆益、邹毅松，人民交通出版社

[4]《公路施工手册-桥涵》，交通部第一公路工程总公司，人民交通出版社