浅谈复杂条件下铁路复线路堑石方爆破设计与施工

摘要：朔黄铁路扩能改造工程西柏坡车站K242+700-K243+

950段咽喉区石质路堑爆破扩堑开挖由于紧临既有电气化铁路，受施工现场环境与地质情况的限制，如何安全、快速地完成施工是本车站新线能否如期开通，能否及时扩大运能满足生产需要的关键。根据既有铁路施工特点，既要确保火车运行安全、又要满足进度要求，在借鉴衡广、株六、宝成、神朔、襄渝等复线石方施工成功经验后，拟定采用爆破松动、机械辅助开挖的方案。此方案能否顺利实施的关键是爆破作业设计与施工。

关键词：铁路　复线　石方爆破　设计　施工

1　工程概况

1.1　工程环境简介。朔黄铁路扩能改造工程K242+

700～K243+950段石质路堑位于西柏坡车站东咽喉区既有线路南北两侧。最大开挖高度19m，最大开挖宽度14.5m，开挖爆破石方量约为11万m3。周围大面积为田地，只有临时建筑，没有村庄及学校等永久建筑物。爆破开挖紧邻既有铁路，山体距离既有铁路接触网支柱最近点约为1m，且边坡两侧地上地下均分布有电力机车高压线、铁路贯通自闭线以及车站给水管道，既有边坡坡率1：0.5～1：0.75，既有坡底线与既有铁路中心线约为3m左右。既有线机车运营时间间隔仅有6至8分钟，行车密度巨大，安全要求极高，加大了施工难度。开挖爆破岩体多为白云岩、线粒岩，呈灰褐色，以次坚石为主，北侧岩体土夹石且大孤石较多，石质坚硬，地形复杂，且分布不连续。

1.2　工程的特点及难点。朔黄线运输繁忙，列车运营间隔仅6至8分钟，行车密度大，要求爆破不能危及运输安全、中断运输，否则后果不堪设想；每周暂停天窗时间仅有8个小时，有效施工时间短；现场施工环境极其复杂，上有朔黄自闭、贯通线，下部近邻既有朔黄电气化铁路线，施工技术难度大；南北两侧工作面少，施工现场狭窄，给爆破开挖增加了很大的困难；为了确保既有线电气化铁路安全，防止飞石、滚石及既有线路、既有设备的安全一般需要搭设坚固安全的全封闭靠壁式防护排架。

2　方案的选定

本着安全、合理、高效的布置原则，并结合本工程实际情况，采用从山顶向下，北侧纵向利用坡顶与征地界限间约6m宽的空间作为贯通便道，南侧利用既有乡村机耕道扩宽作为出渣便道，保证南北两侧同时开挖的总体施工方案。

根据本工程临近既有铁路的特点，我们拟定松动控制爆破、机械辅助破碎与开挖施工的总体原则。根据实际爆破情况，备足破碎与开挖机械，最大化的减少爆破数量，确保施工安全。

施工顺序如下：施工准备、方案报批、材料进场——清平场地——防护排架搭建——爆破施工——石渣清运。

2.1　对机械开挖施工的要求　最大化利用工作面、配足机械设备及劳动力，加班加点全天时作业，保证工期。

2.2　对爆破开挖的要求　贯彻“施工服从运营，进度服从安全”的原则，起爆后边坡应平滑整齐且保持长期稳定。选择原则具体如下：

爆破方案选择原则：松动控制爆破，做到“宁裂勿散、宁散勿飞”的爆破破碎标准。用不同方向上的抵抗线和起爆顺序控制岩石位移方向。有条件的地段使用边坡预裂爆破，确保边坡质量。

防护方案选择原则：搭设必要排架与覆盖炮被，结合边坡预留隔墙的防护措施，控制爆破飞石、滚石。

安全方案选择原则：严格按照铁道部及朔黄铁路公司相关规定执行，杜绝一切施工重大伤亡事故、一般以上行车责任事故的发生，确保朔黄铁路正常运营。做到“四个必须”，即必须确保电气化铁路接触网的安全；必须确保既有铁路的安全；必须确保行车的安全；必须确保行车正常运行。

2.3　对既有电气化铁路安全防护的选择　由于采用传统全封闭式靠壁排架防护需要消耗大量的人力、物力与时间，且北侧既有铁路及其设备离既有边坡底最小距离不足1m，既有坡脚正上方即为接触网电缆线，无传统大型排架搭设的空间。借鉴和采用某单位2005年在西柏坡电厂三期铁路专用线施工积累的经验和科技成果，放弃使用传统的大型防护排架。对本段爆破施工防护采取既有水沟外侧搭设防滚石的必要低层排架以及多覆盖防飞石的多层炮被，结合预留边坡隔墙的方法进行多层防护。

2.4　爆破方法的选择　由于此段路堑紧邻既有电气化铁路，线间距小，两侧均布有接触网柱和回流线。工点边坡陡峻，场地狭窄，边坡较高，施工条件十分困难，无法采用大规模施工方法。同时地质条件复杂，岩性变化较大。为确保爆破安全，根据工程特点，选取多循环、小规模、小孔距的浅孔松动控制爆破方案，其特点“浅打眼、密布孔、少装药、强覆盖、间隔微差，逐排逐层地爆破挖除”。对不同部位选取不同的爆破参数和装药结构。

3　爆破设计

3.1　爆破设计原则　为确保爆破施工安全，减少对既有电气化铁路行车的干扰，根据工程地质条件与周围环境特点，总体选择多循环、小规模、多工作面、机械开挖结合浅孔松动控制爆破开挖方案，采用多打孔少装药、多采用机械尽量少用爆破的原则，做好防护，严格控制飞石、滚石出现。石方开挖采取两侧同时沿线路纵向逐层推进施工，各工序平行而互不干扰，以加快进度。外侧预留1m至2m厚石方隔墙，先内侧拉槽，后外侧自上而下逐层施工，最后隔墙用机械定向向内侧开挖倾塌挖除。

3.2　爆破工艺流程　爆破设计——施工准备——清除表层覆盖物，平整场地——测量放线，布设炮孔——钻孔——提出要点计划、计算单孔药量——确定起爆网络——装药、堵塞、装药记录——联接起爆网络——覆盖炮被——警戒——起爆——检查既有线，清理作业面——解除警戒，消点——分析爆破效果，进入下一爆破循环。

3.3　爆破开挖方法及顺序　根据待挖山体形状及地形特征，结合爆破方案，我们将开挖山体划分为两个部分：

距离既有铁路边坡顶1m至2m范围以外至设计边坡顶之间的山体为一部分，此部分为一般浅孔松动控制爆破区，采用先爆破后挖除。

既有铁路边坡顶1m至2m宽预留做防护隔墙的山体为一部分。此部分采用机械凿除开挖。

开挖顺序为：先挖除一般浅孔松动控制爆破区的石方，然后机械挖除隔墙石方，分台阶下挖山体，完成施工。

3.4　爆破设计　根据现场实际情况，确保工程万无一失，该工程爆破采用多种形式爆破（见图1爆破形式装药示意图），即：预裂爆破、浅孔松动控制爆破。

3.5　爆破安全设计　本工程的爆破有害效应主要是地震波和飞石，以下对此进行检算：

3.5.1　爆破震动速度。根据萨道夫斯基公式V=K（Q1/3/R）a

式中：V——爆破振动速度（cm/s）

K——与传播介质有关的参数100～150，取K=150

R——爆点距离与观察点的距离（m），R取30m

a——爆破指数1.5～2.0取a=1.5

Q——一次最大起爆药量，6kg

得：V=K（Q1/3/R）a=2.24cm/s

根据现场附近无民房等永久性建筑的实际情况，按照工程计算符合安全要求。

3.5.2　个别飞石飞散距离。施工严格按照施工方法，加强防护措施，杜绝飞石产生，确保爆破及线路安全。采用公式Rf=20n2WKf。

式中：Rf——个别飞石的飞散距离，m

n——最大药包爆破作用指数值，n取1m

W——最大药包最小抵抗线，m

Kf——安全系数。一般取1.0～1.5，取1.5

个别飞石飞散距离：Rf=20n2WKf=30m。村庄距爆破现场远大于30m，可以不考虑飞石对人的影响，但本工程紧邻运营线路，绝对杜绝飞石出现，因此要采取表面覆盖炮被与搭设必要低层排架的措施严格杜绝飞石、滚石出现，根据列车运行情况做好安全警戒。

4　爆破施工及效果分析

4.1　试爆　从第一次试爆的6个预裂炮孔和19个浅孔松动炮孔的现场情况看，起爆后只见硝烟升起，并无飞石、滚石产生，爆破覆盖物也无损坏，岩石表面松动破碎，岩体开挖边坡线有开裂的现象，整体无位移痕迹，开挖后半孔成孔率较好，整体爆破的效果也和预期一样。

4.2　预裂爆破　由于本段工程北侧地质土夹石，放弃使用预裂爆破。南侧K243+450～+550段石质较好，整体性强，开挖宽度大于12m，高度8m至16m，该段实施了6次预裂爆破，效果比较理想。

4.3　浅孔松动控制爆破　浅孔松动是由上而下逐层进行控制爆破的开挖方法，是本工程南北侧路堑开挖主要采取的爆破方法。

4.3.1　浅孔松动控制爆破参数。各参数指标应符合表1规定范围内。

4.3.2　炮孔布置。依据设计要求准确定位炮孔位置，孔位要避免在岩石被震松，节理发育或岩性变化大的地方，遇到此类情况可以调整为空位。调整时要注意抵抗线、间距和排距之间的关系，钻好孔后，立即用废纸或其他的材料堵好炮孔。

钻孔的好坏是保证边坡是否光滑平整的关键条件，在验收钻炮孔时，一定要以达到“准、正、平、直、齐”的要求验收。“准”指钻孔要准确地钻在设计的孔位上。“正”指钻孔方向要正确，不能斜，“平”指各炮应互相平行，“直”指各孔要钻的直，不能曲折；“齐”指各孔均要钻到设计的深度，孔底应落在同一平面上，孔深按标高要求适量超深尺度，为了达到这些要求，我们在施工中要求钻工必须是具备一年以上的钻孔经历并在钻孔施工中能够高度认真负责的熟练工。

4.3.3　装药和堵塞。对钻好的炮孔认真地检查并验收合格后，即可以进行装药工序，装药时一定要按照预先算好的每个炮孔的药量装填，要防止起爆药包与雷管在装药的过程中脱接，炮孔中放入起爆药包后，不能用炮棍使劲捣压起爆药包，防止将导爆管挤断。装药密度要适中，装药过程中用炮棍稍稍压紧炸药，以增加装药密度，加强爆破威力。回填堵塞的填料宜选取有一定湿度的粘土，分层回填，并注意保护孔中的导爆管不要碰损。

4.3.4　起爆网路。起爆网路连接以两人为宜，从起爆的终点至始点逐组绑扎孔外雷管，孔外雷管处压一小石块或喷涂油漆做为明显标记。

4.3.5　爆破施工防护。在既有电气化铁路旁进行石方爆破开挖，除采用合理的控制爆破技术外，还要加强防护，主要控制飞石和防止因爆破震动而引发的滚石。为保证既有铁路行车安全，必须做好防护工作，我单位在施工的时间一直有选派经验丰富、认真负责的专人驻站。

爆破飞石是威胁既有铁路、电气化设备、接触网支柱的主要因素，为防止爆破飞石，在每次爆破作业中，被爆岩体表面始终覆盖利用废旧轮胎带编织的炮被进行防护。

4.3.6　“要点”及安全警戒。起爆前一切工作就绪后，通过驻站联络人员向车站“要点”，在确定给点前5min，人员及机械设备撤至安全区，安全警戒岗哨人员到位警戒，封锁既有线路，并准备必要的抢修工具和一定数量的抢修人员。

5　防护措施

电气化既有铁路扩堑工程，保证行车与接触网的安全是施工的首要前提，这就要求除了在爆破技术方面做严格的要求外，还要有充足的防护措施以保证安全施工。目前国内在既有铁路扩堑开挖施工中主要采用的安全防护技术包括覆盖防护、全封闭靠壁式防护排架、钢轨排架搭建防护挡墙等。或采取爆破面弹性防护材料：大布鲁克网、小布鲁克网、竹排等防护措施。

按照铁道部有关规定，该工程应搭设全封闭靠壁式双层防护排架。搭设材料：24kg/m钢轨、圆木、竹排、？准15mm钢丝绳、锚杆、水泥砂浆、钢管。一个工作面完成后，钢管排架随着平台向边坡下部移动。根据目前市场价格，每100m2需要人民币13000元，本工程南北两侧共计开挖长度2400m，平均防护高度8m，预计应搭建双防护排架19200m2，合计人民币249.6万元。

采用全封闭靠壁式排架防护，虽然对保障既有铁路安全有很大的作用，但排架成本高，工序繁琐，且北侧既有铁路及其设备离既有边坡底最小距离不足1m，既有坡脚正上方即为接触网电缆线，无传统大型排架搭设的空间。这些因素无疑给本工程施工带来了很大的困扰，如果取消全封闭靠壁式排架将为施工带来很大的便利和经济效益。因此，我们大胆地确定了以预留石方“隔墙”、覆盖“炮被”与边坡底搭设2m钢管排架“拦石网”的方式代替全封闭靠壁式排架防护的施工方案，并经河北省爆破协会专家组论证同意。

6　技术经济指标分析

本工程取得技术经济指标如下：①单位耗药量：0.2～0.5kg/m3。②准爆率98.5%以上。③平均工效达791m3/d。④炮孔效率为1.54m3/m。⑤预裂爆破保留半眼率80%以上。⑥机械化程度高达99%。⑦安全防护措施节省费用221万元。

7　结束语

①朔黄铁路扩能改造工程K242+700～K243+950段石质路堑控制爆破的实践证明，对于石方紧临既有电气化铁路，周围环境复杂，对安全、工期要求极高的爆破工程，采用边坡预裂爆破与浅孔松动控制爆破法是可行的，不仅可以满足以上要求，而且经济效益和社会效益显著。②实践证明，采用“浅打眼、密布孔、少装药、强覆盖、间隔微差，逐排逐层地爆破挖除”技术有效地控制了爆破震动效应，飞石的产生。③对于地质情况多变的石方，采用不同的炸药单耗，不仅可以确保安全，也有利于快速高效的开挖施工。④实现了在与既有电气化铁路几乎零距离的复杂环境下，取消传统大型防护排架的控制爆破作业，且有效地确保了既有电气化铁路的营运安全。实践证明，充分利用既有铁路原有边坡做为爆破作业的临时石方“隔墙”与设置全施工地段低层排架“拦石网”的防护措施经济有效。这一创新不但加快了施工进度，而且安全更有保障，值得在类似施工中推广。

参考文献：

[1]何广沂.工程爆破新技术[M].北京：中国铁道出版社，2000.

[2]江正荣.建筑施工计算手册[M].北京：中国建筑工业出版社.

[3]汪旭光，王国立，贯荔，章士逊.国际工程爆破技术发展现状[J].工程爆破，1998，4（4）：66-70.

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