爆破在岩溶层施工运用

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本文作者：郑先奇 单位：中铁十六局集团 第三工程有限公司

1工程概况

京沪高速铁路三标荆河特大桥位于山东省滕州市境内，桥梁全长11.445km，孔跨布置:20×24m双线简支箱梁、328×32m双线简支箱梁、2×(32+48+32)m双线连续箱梁。全桥墩台基础设计全部为钻孔桩基础，直径1.0m，1422根，桩总长44272.77m;直径1.25m，1538根，桩总长83527.39m;直径1.50m，108根，桩总长14325.16m。其中203号墩直径1.50m，最大桩长为85.5m。荆河特大桥主要以石灰岩为主，岩层为单斜构造，岩层产状30°∠12°，桥位区岩体节理裂隙发育。DK580+229—DK582+100段:钻孔遇溶洞率达76.9%，岩溶强烈发育地段达90%～100%。DK582+100—DK583+100段:钻孔遇溶洞率60.8%～73.7%，溶洞呈串珠状分布。其中203号墩串珠状溶洞多达13个，溶洞高度一般在2～8m之间;286号墩溶洞高度25.5m。DK583+100—DK586+100段:钻孔遇溶洞率66.1%～71.9%。DK586+100—DK587+100段:钻孔遇溶洞率42.5%，溶洞呈串珠状发育。

2钻孔桩施工

2.1钻孔桩施工概况荆河特大桥钻孔施工过程中，共有58个墩是斜坡岩面。采用回填片石进行偏斜孔纠偏修正，对于岩石硬度不大的偏斜孔有一定的效果。对于岩石坚硬的偏斜孔采用回填片石，灌注高强度混凝土进行斜孔纠偏，效果甚微。264号墩4号桩，设计桩长42.5m，钻孔时间长达72d，回填片石反复冲砸纠偏多达126次。264号墩8号桩钻孔发生偏斜，回填片石反复冲砸纠偏多达122次，钻孔仍然偏斜，后采用灌注C50混凝土进行偏斜孔纠偏，纠偏效果甚微。345号墩8号桩，设计桩长24m，钻孔时间长达9个月，回填片石反复冲砸纠偏多达190余次。有的钻孔一进入基岩，就成为偏斜孔。采用回填片石反复冲砸斜坡岩面纠偏，钻孔的全过程几乎始终处在回填片石反复冲砸纠偏修正斜孔，钻头磨损十分严重，工料消耗巨大，施工周期长，严重制约施工进度。由于石灰岩层硬度较大，钻孔进尺十分缓慢，24h进尺一般在0.4～0.6m左右。在岩溶强发育复杂地层钻孔桩施工综合起来主要难点有:遇到斜坡岩面发生偏斜孔，要反复进行斜孔纠偏修正;石灰岩层硬度大，钻孔进尺十分缓慢，施工周期长。

2.2钻孔桩施工的重点在岩溶强发育复杂地层进行钻孔桩施工，要克服溶洞所带来的钻孔困难，同时还要克服钻孔进入溶洞顶(底)板斜坡岩面偏斜孔的纠偏修正及石灰岩硬度大钻孔进尺缓慢的施工困难。目前在岩溶强发育地层进行钻孔桩施工，针对溶洞已有比较成熟的施工工艺和施工方法。在溶洞强发育地层进行钻孔桩施工发生偏斜，岩石硬度大钻孔进尺缓慢，目前还没有一套行之有效和成熟的施工技术措施。各工点只是采取针对各自工程地质特征的一些传统的、常规的施工方法。

2.3钻孔桩施工偏斜的原因岩溶是由石灰岩等可溶性岩石长期受水的化学溶蚀作用而形成。岩溶地层存在溶沟、溶槽、岩面起伏凹凸不平和斜坡岩面，尤其是溶洞顶(底)板犬牙交错，高低不平、相差悬殊。石灰岩受溶蚀的程度不同，存在着软硬不均或半岩半土、半岩半溶。当钻孔进入基岩面由于岩面起伏凹凸不平、软硬不均和倾斜，造成冲击钻头底部受力不均，钻头顺岩面倾斜方向或岩石松软的方向偏转，从而造成钻孔发生偏斜。

2.4钻孔桩深孔水压爆破深孔就是钻孔直径90mm以上，钻孔深度5m以上的炮孔。当钻孔桩采取深孔水压爆破施工时，其炮孔直径＞90mm，炮孔深度远远＞5m。水压爆破就是往炮孔中一定位置注入一定量的水，用炮泥回填堵塞炮孔。当炸药爆炸时，利用水的传能作用，通过水中冲击波和气泡脉动的传播将能量均匀地作用于介质上，使其达到破碎的一种爆破技术。钻孔桩采取深孔水压爆破，对于炮孔无论用水进行径向耦合还是用水进行体积耦合，其作用原理是利用水的不可压缩特征，无损失地传递炸药爆炸能量，有利于围岩的破碎。与常规深孔爆破相比，能量传播效率极高，能大大地提高炸药能量利用率。将水充填于药卷与炮孔内壁之间的间隙中，在炸药爆炸后，由水将爆炸压力传递到炮孔内壁上施加作用，达到破碎岩石的目的。

2.4.1钻孔桩深孔水压爆破作用原理钻孔桩深孔水压爆破可视为“内部作用药包”，即药包爆炸过后，从介质表面看不到什么变化，可以说介质受了“内伤”，即药包附近的介质被压缩或被破碎。当药包爆炸后，在其药包附近的围岩(土)都会产生破碎(压缩)，形成破碎或压缩圈，在这个作用圈内，其介质直接承受了药包爆炸而产生的极其巨大的作用力，如果介质是岩石便会破碎，会出现大量的径向裂缝、裂隙，或岩层出现了破碎或裂缝。由药包在岩层中的位置以及药包重量，决定了钻孔桩深孔水压爆破为“内部作用药包”，就是要把炮孔附近的围岩炸得破碎，或出现大量的径向裂缝、裂隙。水压爆破水中冲击波的峰值压力，远大于石灰岩抗压强度。水压爆破水中冲击波的峰值压力很容易将基岩破碎，从而降低了岩层硬度、削弱岩层的抵抗力。通过水压爆破后，岩层在巨大冲击能量作用下很容易破碎，从而达到破坏斜坡岩面而纠偏修正偏斜孔，加快施工进度的目的。

2.4.2深孔水压爆破设计钻孔桩深孔水压爆破相对于其它的工程爆破设计，其显著特点是比较简单。因为每一根钻孔桩只设计一个炮孔，每根钻孔桩的炮孔与其他钻孔桩的炮孔无联系。每根钻孔桩的炮孔都可单独起爆，而且每根钻孔桩的炮孔设计不涉及炮孔间距、排距、梯段等参数。

2.4.3炮孔装药量计算钻孔桩深孔水压爆破，其药包属于内部作用药包。控制药量多少的设计原则是:药包量致使钻孔桩设计桩径范围内的围岩破碎或产生裂缝即可，而钻孔桩设计桩径范围R以外的围岩则不受破坏。目前，采取的计算方法为:需破碎的体积乘以单位用药量就是炮孔的总装药量，钻孔桩深孔水压爆破药量计算见表1。例如333号墩1号桩，桩径1.0m，桩入岩层深17m(桩长34m)，则破碎体积V为13.35m3，单位用药量确定为1.6kg/m3，炮孔总装药量为1.6×13.35=21.36kg。把21.36kg炸药分成18个药包，每个药包为1.2kg，即6卷乳化炸药，每个药包的6卷炸药做成长40cm的条形药包，以条形药包中心至中心等间距绑扎在直径8～10mm的通长钢筋上，用导爆索起爆。如施工现场没有导爆索，也可以采取电起爆，每个药包的电雷管串联即可。为了安全起爆，有时可采用双电雷管、双导爆索引爆。

2.4.4深孔水压爆破的施工方法1)钻孔与清孔采用地质钻或潜孔钻在桩中心轴线位置按桩深钻一个炮孔，直径为110mm。由于在岩溶强发育复杂地层中进行钻孔施工，溶洞时常导致难以成孔。地质钻或潜孔钻机钻孔可采用钢套管跟进护孔钻进成孔。钻孔达到要求孔深后，利用钻机进行清孔，清除孔内残渣和泥浆内的泥砂。2)塑料套管钻孔成孔后，为防止钢套管拔出炮孔再出现塌孔，必须在钢套管内放置一根比钢套管内径略小2～3mm的通长塑料管至孔底，然后拔出钢套管，而塑料套管仍在原位置不动。通长塑料管内壁光滑，摩阻力小，药包在通长塑料管内很容易下到孔底。采用塑料管护孔进行水压爆破，塑料管壁厚3～5mm，确保塑料管有一定的强度，防止炮孔塌孔挤压塑料管而发生变形无法装药。也可在塑料管装药完成后，再拔出钢套管。3)装药结构深孔水压爆破装药结构，采取间断装药。按水压爆破计算的药包重量等间距布置药包。炮孔土石分界线以下0.5m为第一个药包，然后按等间距布置其余药包。受炮孔直径的限制，药包按三角状绑扎在钢筋周围，每个药包按照同样的间距一直布置到深孔最底部。用宽胶布将药包牢固地绑扎在钢筋上。钢筋长与设计孔深相同。如药包采取电起爆，用宽胶布把药包和电雷管绑扎在钢筋上。必须使用测雷管的专用电桥测雷管与线路导通与否。采取电爆即每一个药包安放一个电雷管起爆，雷管与雷管串联起来，使所有药包同时起爆。采用导爆索起爆，即用宽胶布先把导爆索绑扎在钢筋上，然后再把药包密贴挨紧导爆索绑在钢筋上，每个药包的起爆用导爆索同时起爆，用雷管起爆导爆索即可。为了安全起爆，有时可采用双电雷管、双导爆索引爆。图1与图2为装药结构和起爆网路示意图。4)装药、注水、回填堵塞把绑有多个药包的钢筋顺着塑料套管放入炮孔中，然后往炮孔中注水，待水位升至离炮孔口1m左右时，用炮泥回填堵塞。为防止炮泥混入水中，水与炮泥之间要有隔离物，实际上用草拧成团作为隔离物即可。炮泥回填堵塞长度不小于1.0m，并将塑料套管与炮孔之间的间隙也堵塞严实，然后用黏土覆盖在炮孔口压实。5)冲击钻钻孔电雷管用导线连接到200m以外的安全距离后，用J20F-300-B放炮器起爆。深孔水压爆破后，桩基岩层出现破碎或裂缝，然后用冲击钻冲砸已破碎或已有裂缝的岩层，桩基岩层在冲击钻的冲砸作用下破碎悬浮在泥浆中排出孔外。

2.5钻孔桩两种施工方法效果分析对比对于采取深孔水压爆破施工的约200根桩，随机抽出4根桩与常规方法的4根桩在施工进度与经济效益两方面作了分析对比。钻孔桩常规施工方法，钻孔进度每天平均0.48m，而深孔水压爆破钻孔进度每天平均1.49m，施工进度提高了3.1倍。常规施工方法，钻孔每延米平均为1427.4元，而采用深孔水压爆破的桩仅为430.2元，节省费用69.9%。由于钻孔桩实施了深孔水压爆破施工，岩层出现大量的径向裂缝、裂隙或已破碎。岩层在钻头的巨大冲击能量作用下很容易破碎，从而达到斜坡岩面纠偏修正斜孔加快施工进度的目的。在斜坡岩面钻孔无斜孔发生，岩石硬度降低，所以施工进度快、费用低。

3结语

在岩溶强发育复杂地层进行钻孔桩施工，斜坡岩面钻孔易发生偏斜。纠偏修正钻孔难度大，石灰岩硬度大钻孔进尺缓慢。针对钻孔桩施工遇到倾斜岩面发生偏斜，采用深孔水压爆破在倾斜岩面纠偏斜孔，削弱了岩石硬度，相对一些传统的常规基本处理方法，具有省工时、成本低、斜孔纠偏效果好、进尺快等特点。为岩溶强发育复杂地层钻孔桩施工遇倾斜岩面发生的斜孔纠偏，提出了一种全新的施工技术处理措施，为岩溶强发育复杂地层钻孔桩施工积累了经验。通过实际对比，有力地证明了钻孔桩深孔水压爆破施工方法的优越性，可在以后类似的工程中推广应用。