路基石方爆破施工

2.2　路基石方爆破施工

在路基工程施工中，除需要修筑路堤和开挖路堑外，当线路通过山区、丘陵以及傍山沿溪段时，还会遇到集中的和分散的岩石地区，这样就必须进行石方施工。此外在路面和其他附属工程中也需要大量的石料，因此也需要开采加工。已往石方工程主要依靠人力施工，效率低、进度慢，而且劳动强度大。目前石方工程多采用钻孔爆破，而且药孔也逐渐由浅孔到深孔，并发展到综合爆破，同时又改进了炸药的配剂和混合工艺，不但提高了施工效率，而且也使施工技术获得重大革新。

随着机械化水平的不断提高，对于路堑或半路堑岩石地段，多采用大孔径的深孔爆破和微差爆破法，使多至几百个药孔按顺序起爆，从而大大提高爆破威力。爆破后的清方和装运也基本实现机械化。

2.2.1　爆破基本知识

所谓爆破就是利用炸药爆炸时产生的热量和高压，使岩体和周围介质受到破坏和移位。为了爆破某一岩体，可在岩体内或表面放置一定数量的炸药，这种炸药称为药包。药包在均质的岩体内爆炸时，爆炸力是向四周扩展的，紧靠药包部分的岩石，受到的冲击挤压力最大，随着离药包距离的增大，作用力也逐渐减弱。按照岩体受爆炸波作用而破坏的程度，可以把爆炸作用范围由近而远划分成四个作用圈；即压缩圈、抛掷圈、松动圈和振动圈。其中压缩圈范围内的岩石受到极度压缩而粉碎。抛掷圈内的岩石由于受爆炸波的冲击较大，岩石被压碎成小块，如果岩体的抵抗力不足，就会被抛掷出去。松动圈内的岩石由于受波影响较小，岩体破裂而产生松动现象。振动圈内由于受爆炸影响很小，所以岩体只受到震动。这些作用圈的半径分别被称为压缩、抛掷、松动和震动半径。前三个圈统称为破坏圈，其半径称破坏半径。

在一个岩体性质相同的地面下，不同位置和不同深度上，放置药量相等的药包。这时的地面是一个自由面，或称临空面。药包到自由面的垂直距离称最小抵抗线W，是岩体抵抗力最弱的一个方向。当药包埋置较深，抵抗线W较大时，爆破后药包周围的岩石产生粉碎和裂隙，自由面只受到震动，并无破坏，这种爆破称为压缩爆破。当最小抵抗线减少到某一临界值时，爆破后，药包以上直到表面岩石都受到破坏而松动，但无抛掷现象，这种爆破称松动爆破。当最小抵抗线W再减少时，爆破后岩石不但松动，而且有向四周抛出的现象，这种爆破称抛掷爆破。

在松动爆破和抛掷爆破的情况下，从药包到临空面的上方形成一个漏斗状的爆坑，称为爆破漏斗，它是由以下几个尺寸构成，即，最小抵抗线W、漏斗半径r和漏斗可见深度h。很显然，r和W两者的尺寸决定着爆破漏斗的基本形状，也反映了不同的爆破效果。通常r和W的比值称为爆破作用指数n，

为了进一步区别不同的爆破效果，可将爆破漏斗按爆破作用指数n的大小分为三种情况，即n=1 时，称为标准爆破漏斗，爆破后只有部分岩石抛到漏斗外面，产生这种漏斗所用的炸药称标准抛掷药包。当n﹥1时，称为加强抛掷漏斗，爆破后绝大部分岩石抛掷到漏斗外部，所用药包称为加强抛掷药包。当n ﹤1时，称为弱抛掷漏斗，此时只有一小部分岩石抛到漏斗外面，所用药包为弱抛掷药包。当n≈0.75和n ﹤0.75时，所用药包分别形成松动爆破和压缩爆破。

抛掷爆破多用在大爆破工程，其中定向爆破就是抛掷方向、距离、数量和时间都有所控制的一种抛掷爆破。松动爆破多用在开挖路堑，巷道掘进以及采石工程等。压缩爆破多用在扩大炮眼底部的烘膛以增大药孔的装药量。

2.2.2　炸药、起爆器材和起爆方法

炸药的种类很多，在石方爆破中常用的有下列两种：

1.起爆炸药

它是一种爆炸速度极高的烈性炸药，爆速可达2000～8000m/s，主要用以制造雷管和速燃导火索等。常用的有雷汞、叠氮铅等。

2.爆破炸药

用以对岩石或其他介质进行爆破的炸药，要求它的敏感性低，要在起爆炸药强力的冲击下才能爆炸，工程常用的有：

（1）黑色炸药

它是由硝酸钾（或硝酸钠）、硫黄和木炭所组成的混合物，对火星和冲击极敏感，易燃烧爆炸、怕潮湿、威力低，适用于石料开采。

（2）硝铵炸药

由硝酸铵、梯恩梯和少量木粉的混合物，对冲击或摩擦不敏感，吸湿能力强，受潮后不能充分爆炸，常用的有：

①岩石铵梯炸药。它有1号和2号两种，号数大的威力小，特点是威力大，适用于没有煤尘和沼气爆炸危险的矿井和岩石爆破。

②露天铵梯炸药。有1、2、3号三种，这种炸药爆炸后产生的有毒气体较多，只能在露天爆破工程中使用。

③铵油炸药。它的爆炸威力稍低于2号岩石铵梯炸药，但抛掷效果好，起爆较难，易受潮。但制造方便，成本低，是目前露天爆破中使用最多的一种。

（3）胶质炸药

由硝化甘油和硝酸铵的混合物，另外混入一些木粉和稳定剂制成的。特点是对冲击、摩擦和火星都很敏感。但抗水性较强，爆炸威力大，适用于水下和硬岩石爆破。

（4）梯恩梯（三硝基钾苯）

它呈结晶粉末状，淡黄色，压制后呈黄色，熔铸块呈褐色，不吸湿，爆炸威力大。但本身含氧不足，爆炸时产生有毒的一氧化碳气体，不宜用于地下作业。

雷管是常用的起爆器材，按照引爆方式分为火雷管和电雷管。火雷管既普通雷管，是用导火线点燃起爆药包用的，火雷管一般分为10 个规格，工程上常用规格为6～8 号。电雷管与火雷管类似，所不同的是用一个电器点火装置代替了导火索起爆，分即发、延发和毫秒雷管。通过电爆网路实现起爆的称为电力起爆，电雷管的连接形式有串联、并联和混联三种。火花起爆是利用导火索燃烧引爆雷管，从而使药包爆炸。

此外还有传爆线起爆法。传爆线的索芯用高级烈性炸药制成，但着火较难，使用时须在药室外的一段传爆线上捆扎一个8号雷管来传爆，传爆网路与药包的连接方式有关，有串联、并联和并簇联等。

2.2.3　凿岩工程

凿岩工程中的钻孔工作，在整个爆破工程中所占的时间比例是较大的，因此提高钻孔工程的效率对工程进度影响相当重要。

在钻孔工程中，采用的机械设备有空气压缩机、凿岩机和穿孔机等。

凿岩机根据使用的动力不同，有风动、电动、液压以及内燃凿岩机等。目前使用较多的是风动式。

空气压缩机是风动凿岩机的动力源，目前使用的有活塞式、滑片式和螺杆式三种。各种类型的空压机分移动式、半固定式。各种空压机的特点如下：

活塞式空压机特点是：结构复杂、工作效率低，排出的压缩空气是间隔脉动的。但使用成本低，耐久性和使用寿命长，制造较容易，操作和维修方便。此外滑片磨损快、使用寿命短，要有足够的润滑油来润滑滑片与气缸，这样排出的压缩空气混有油污，必须有专门的分离措施才能使用。

螺杆式空压机具有结构简单，可以高速旋转，有效率高，运转平稳和体积小等优点，此外还有强制输气的特点，所以排气量几乎不随排气压力而变化。缺点是工作时噪音大，故必须设有良好的消音设备。由于有上述优点，大有取代活塞式空压机的趋势。

空气压缩机站容量的确定应考虑以下几方面：

（1）所用风动工具的空气总消耗量；

（2）管路的漏风量；

（3）海拔系数。

海拔较高的地区，空气稀薄，空压机的生产能力随海拔高度不同而变化。因此应随海拔高度的增加而增加空压机的容量。

当总气量确定后，根据这一需要量选定空气压缩机。选定时应尽量选择大容量的，但也要注意大小搭配，因为在某种情况下，工地只需少量凿岩机工作，这时也用大型空压机来供气，会造成很大浪费。

凿岩机与空压机是通过输气管道连接的，一般多用高压胶管。在工程量大而集中、施工期长的工地中，应选用钢管作为输出主管。输气管的内径应根据通过的总气量和输送的长短而定。其原理是保证最远的施工点有足够气压（不低于600kPa），保证凿岩机正常工作。

在安装输气管道前，必须做好全工地管道的设计，根据工点的布置，选定主气管安装路线，并根据总流量选择合适直径的主管，并备好一切管道附件，在铺设管道时应尽量做到以下几点：

管道应短而直，尽可能少拐弯，尤其要避免带锐角的急拐弯。

在管路上除了储气筒、油水分离器和开关外，尽量减少附件，以免增大阻力。

在一条管路中，不允许直径大小不同的管子间隔交替连接。

管子架设要牢固，接头应严密，不允许漏气。同时应注意管路防晒、防冻，不允许管内产生局部积水。

尽可能少用阻力大的橡胶管。

凿岩机在使用中一定要注意空气压力，正常压力为500kPa。当使用压力高于此值时，虽然凿岩机的冲击能量和冲击频率会有所增加，钻孔速度也可加快些，但实际耗气量也要相应地增加。此外，过高的气压会使凿岩机工作时的振动显著增加，零件的磨损也明显加快，使凿岩机的使用寿命大大降低。另一种情况是，由于凿岩机的移位等原因，要增加送风管的长度，管阻增加，使压缩空气到达工作面的实际压力降低，从而使凿岩机的冲击能量和频率降低，凿岩效率降低，相应的耗气率增加。所以气压高于或低于规定的正常值都是不经济的。

凿岩机采用的钻孔工具有两种，一种是钢钎，另一种是活动钻头。前者钻杆和钻头制成一体；而后者是钻杆和钻头通过螺纹连接，一般钢钎和钻杆都是用六角形或圆形空心碳素钢制成的，因此只能用于硬度不大的岩石。钢钎磨钝后可用锻钎机修整。活动钻头在钻头的刃口处镶有硬质合金刀头（铬钨钢、铬钒钢），钻头磨钝后，可随时卸下更换，因此工作效率高，同时也减少锻钎过程所消耗的钢材。

2.2.4　爆破工程

石方爆破施工分炮孔位置的选择、凿孔、装药、堵塞、引爆和清方等工序。

炮孔位置的选择是十分重要的，因为炮孔的位置、方向和深度都会直接影响爆破效果。选择孔位时应注意岩石的结构，避免在层理和裂缝处凿孔，以免药包爆炸时气体由裂缝中泄出，使爆破效果降低或完全失效。

炮孔应选在临空面较多的方位，或者有意识地改造地形，使第一次爆破为第二次爆破创造较多的临空面。其他爆破参数应根据工地的具体情况和实践经验来确定，一般经验数值如下：

1.最小抵抗线确定

抵抗线过大会使岩块过大，且容易残留炮根，过小会导致岩石飞散和炸药的消耗量增加，一般为梯段高度的70%～80%。

2.炮孔深度

采用台阶式爆破时，炮孔的深度应该使爆破后的地面尽量与原地面平齐。较硬的岩石易留炮根，因此炮眼的深度L应大于岩层厚度H。软岩石可小于台阶高度，一般是：

坚石L=(1.0～1.15)H ；

次坚石L=(0.85～0.95)H；

软石L=(0.7～0.9)H。

3.炮孔距离和行距的确定

两孔之间的距离为孔距a，它的大小与起爆方法和最小抵抗线有关。

火花起爆a=(1.4～2.0)w；

电力起爆a=(0.8～2.3)w。

采用多排炮孔爆破时，炮孔应按梅花形交错布置。两排炮孔之间行距b约为0.86a。

4.凿孔

选孔工作完成后，即可进行凿孔。凿孔的技术要求与采用何种爆破方法有关。目前使用的有浅孔爆破和深孔爆破两种。

（1）浅孔爆破

一般爆破的岩石数量不大，药包是装入平行排列的工作面内的，可凿成一行或多行炮孔。通常多用手提式凿岩机凿孔，孔径在75mm以内，深孔不超过5m，可用电力或速燃引爆线引起药包同时爆炸。这种爆破适用于工程不大的路堑开挖，采石和大块石的再爆破等。其用药量多按炮孔深度和岩石性质而定。一般装药深度为孔深的1/3～1/2。

（2）深孔爆破

孔深大于5m，孔径大于75mm的炮孔进行爆破，通称深孔爆破。钻凿大型炮孔多采用冲击式钻机或潜孔钻机。因一次爆破的石方量大，从而加快施工进度，如果有适当的装运机械配合，则可以实现全面机械化快速施工，是今后石方开挖的发展方向。

5.装药

炸药按照施工要求装入凿好的药孔内。装药的方式也是根据爆破方法和施工要求不同而各异，有以下几种：

（1）集中药包

炸药完全装在炮孔的底部，这种方式对于工作面较高的岩石，崩落效果较好，但不能保证岩石均匀破碎。

（2）分散药包

炸药沿孔深的高度分散装置，这种方式可以使岩石均匀地破碎，适用于高作业面的开挖段。

（3）药壶药包

在炮孔的底部制成葫芦形的储药室，以增大装药量。这种方式适用于岩石量大而集中的石方施工。

（4）坑道药包

与上述各种方法不同的是，药包装在竖井或平洞底部的特制的储药室内。

6.药孔的堵塞

一般可用干砂、石粉、黏土和碎石等。堵塞物的捣实，切忌使用铁棒，一般用木制或黄铜棒。棒的直径为炮孔的直径的0.75倍，下端稍粗，约为炮孔直径的0.9倍。在棒的下端开有供导火索穿过的纵向导槽。

7.引爆

利用起爆炸药制成的雷管、引火剂或导火索，从炮孔的外部引入炮孔的药室使炸药爆破。目前工程中也有火花起爆，电力起爆等。

2.2.5　清方工程

当石方爆破后，还需按爆破次数分次清理；清理时，一定要根据施工要求和石料的利用情况分别清理。如开挖路堑无填方工程时，则被清理的石料必须组织机械，配合运输工具运出施工现场，以利于下次爆破。如是傍山筑路半填半挖，则爆破的碎石可作填方用，此外可用推土机或装载机清方。由于路基施工不同于采石场和矿山开挖，一方面场地狭小，机械设备的布置和使用受限制；另一方面要求机械设备的能力大、效率高，又要机动灵活和一定的越野性能和爬坡能力。因此在选择清方机械时要考虑以下技术经济条件：工程期限所要求的生产能力；工程单价；爆破岩石和岩堆的大小；机械设备进入工地的运输条件，以及机械撤离和重新进入工作面是否方便等。对以上条件应综合地加以分析，而不能孤立地只考虑某一方面。如果只考虑爆破的块度便于正铲挖机的挖装，则对于某些结构的岩石来说，可能会大大增加爆破费用。反之，降低了爆破的费用，又会使块度增大，而挖掘机又无法铲装，因此清方机械的选配是比较复杂的。

一般说正铲挖掘机的适应性比较强，但进出工点却比较缓慢，轮式装载机与挖掘机相比机动灵活，另外相同功率的正铲挖掘机和装载机相比，装载机可以铲装较大块度的石块，而且可以用较少的斗数，装满载重量相等的运输工具。但装载机的卸载高度不如挖掘机。此外装载机可以自铲运，挖掘机则不能。就经济性来说，运距在30～40m以内用推土机推运较为经济；40～100m用装载机比较经济，100m以上用挖掘机配合自卸汽车比较经济。