靜態爆破技術在臨近水庫大壩高邊坡開挖工程中的應用

張文斌 龍永平

（湖南宏禹水利水電巖土工程有限公司 長沙市 410007）

1 工程概況

瀟水河道雙牌水庫大壩至霞燈村段整治一期工程岸坡位于雙牌大壩下游消力池右岸巖石邊坡內，施工面全長約150 m，距離主壩未超過100 m。河道右岸邊坡陡峻，坡度大于60°；巖體為砂質板巖、泥質板巖和含云母的砂巖、石英巖，巖體層面傾角15°～50°，小于坡角，加上巖層古老，且受構造運動影響，褶皺發育，節理裂隙密集，巖石破碎，巖體完整性差，巖性為（D2t）灰綠～紫紅色中層狀石英砂巖、粉砂巖夾薄層砂質頁巖，砂質頁巖夾層發育頻率為（3～4）條/m，夾層厚 （0.03～0.08）m。巖層表部強風化厚（10.0～20.0）m，巖層產狀：N20°～30°E.SE∠9°，順向坡。結構面組合對邊坡十分不利，若采用施工措施不當，極易造成邊坡變形失穩，出現山體滑坡。

瀟水河道雙牌水庫大壩至霞燈村段整治一期工程岸坡由于極靠近大壩，距大壩溢流面（30～50）m，若采用炸藥明爆施工，產生的震動，將嚴重影響雙牌水庫的正常運行；同時對工程范圍內的山體穩定也會造成極大的影響，造成山體滑坡或坍塌等重大安全隱患。綜合工程場地所處部位和地質條件，為保證雙牌水庫大壩安全和確保開挖邊坡穩定，本工程水上高邊坡開挖選擇高效無聲靜態爆破的方案。

2 無聲靜態爆破工作原理

高效無聲靜態爆破技術是近年發展起來的一種破碎（或切割）巖石和混凝土的新方法，亦稱靜力迫裂和靜力破碎技術。高效無聲破碎劑（SCA）是將鋁、鈣、鐵、硅、硫、鈦等的氧化物磨細,按比例混合，再加入相應的有機物，形成的一種遇水膨脹的靜力破碎材料。其與水調成漿體灌入巖石或混凝土的鉆孔中，依靠本身水化產生的膨脹壓力將巖石或混凝土擠裂破碎。此方法的最大優點是不產生爆破聲響、爆破飛石、爆破粉塵、爆破震動以及爆破所產生的有毒、有害氣體。因此，不會對周圍環境造成破壞和產生震動影響山體穩定，特別適宜于臨近建筑物部位的爆破破碎或拆除作業。

3 靜態爆破方案設計及相關參數

靜態爆破鉆孔參數設計經驗數結合邊坡巖體本身工程地質條件、地形條件及開挖要求等因素合理地設計孔徑、孔深、孔距、排距等參數。可供選擇的主要施工參數見表1。

表1 主要施工參數

結合現場實際地質條件情況本工程右岸岸坡巖層為砂質板巖、泥質板巖和含云母的砂巖、石英砂巖屬于中硬質巖，故設計適應于本工程的靜態爆破參數如下：

（1）臨空面距離（抵抗線）。靜態破碎鉆孔前首先要確定至少有1個以上自由面（臨空面），鉆孔做到與自由面平行；切割巖石鉆孔盡量保持直線。根據本工程的巖石等級以及風化情況選定膨脹孔與臨空面距離為（巖石最小抵抗線）W=300 mm。

（2）孔徑。膨脹孔孔徑是決定無聲破碎效應的重要因素，鉆孔過小，不利于藥效充分發揮效力；鉆孔太大，易沖孔。根據本工程巖石層次等級，選定孔徑d=40 mm。

（3）孔間距。膨脹孔的間距與巖石的硬度有直接關系，硬度越大，孔布置間距越小，本工程為Ⅴ～Ⅹ級巖石，故孔間距選定B=300 mm。

（4）孔排距。膨脹孔的孔排距跟破碎體的自由臨空面的距離有直接關系，臨空抵抗線小，孔排距可適當寬一點，根據現場地形選定孔排距R=（200～300）mm。

（5）孔深。孔深根據現場石方與承臺或底板底高差確定，最小孔深控制在H=0.8 m以上，本工程孔深均控制在 H=（1.5～2.0）m。

（6）破碎層次。此施工項目是水上高邊坡的巖石開挖，設計開挖坡度i=1∶0.3，鉆孔施工時沿設計邊坡坡度鉆斜孔，呈梅花型布置，且在靜態破碎時分層剝削進行開挖（附圖）。根據巖石硬度及靜態爆破劑的膨脹效果每層破碎不能超過0.6 m，寬度控制在5 m左右為一個靜態爆破面較優。

附圖 開挖示意圖

（7）用藥量。當孔徑為d=40mm，孔深為H=2m時，根據高效靜態膨脹劑的密度ρ=1.8 g/cm3及水灰比P=0.32∶1（水∶膨脹劑），單孔藥量計算式如下：

式中Q——靜態膨脹劑藥量；

ρ——高效靜態膨脹劑的密度；

V——炮孔體積；

d——孔徑；

P——水灰比；

H——孔深；

由上式得單孔膨脹劑藥量為Q=3.425 kg。

4 無聲靜態爆破施工技術要求

（1）施工工藝流程。施工前準備→孔位布置→鉆孔→膨脹劑拌制→填充灌注→膨脹破碎→二次破碎清理。

（2）施工前準備。確定施工風水電到位及鉆孔施工設備到位；根據氣溫、藥劑溫度、拌水溫度、被破碎體溫度、是否與靜態爆破工藝要求相符合；裝孔操作前確定已準備好以下材料物品：靜態破碎劑、潔凈水、水桶、拌和盆、桶棍、防護眼鏡、橡膠手套、備用潔凈水和毛巾。

（3）孔位布置。鉆孔前，現場施工人員按照設計的靜態破碎方案結合現場地形條件實測出各孔位，偏差不能大于5 cm，并進行標記。

（4）鉆孔。采用3 m3移動空壓機配合YT-28手持式風鉆鉆孔，成孔直徑40 mm。現場施工須嚴格控制鉆孔位置、深度，確保達到設計要求。終孔后，孔內的余水和余渣用高壓風吹洗干凈，孔口旁清理干凈無土石渣，并封好孔口，待裝膨脹劑。

（5）膨脹劑選擇。目前所生產的高效膨脹劑根據不同溫度發揮效果的反應時間及反應后的膨脹力度一般分為三類，根據永州市雙牌水庫的氣候情況，施工時夜間（下午裝藥夜間等待反應）氣溫一般在（13～20）℃之間，采用HSCA-Ⅱ型膨脹劑（材料類型及應用氣溫范圍詳見表2）。

表2 靜態破碎劑類型及應用氣溫范圍

（6）膨脹劑拌制。高效無聲膨脹劑在裝入孔內之前需進行人工攪拌，按水與膨脹劑重量比0.32∶1下料拌制。拌制時，先分若干次把水倒入容器中加入相應數量的膨脹劑，然后用人工攪拌工具或手提式攪拌機攪拌成具有流動性的漿體。在攪拌時須帶橡膠手套及防護眼罩，用力拌均勻。從藥劑加入水到灌裝結束，這個過程的時間不能超過10 min，否則容易沖孔。

膨脹劑反映的快慢與溫度有直接關系，溫度越高，反映時間越快，反之則慢。實際操作中控制膨脹劑反映時間太快有兩種，一種是在拌和水中加入抑制劑，另一種方法是控制拌和水、干粉劑和巖石的溫度。氣溫較高時，破碎前應對被破碎物遮擋，膨脹劑存放低溫處避免爆曬，將拌和水溫控制在15℃以下，添加適量的抑制劑。氣溫較低時，燒溫水澆注破碎體，適當提高拌和水溫。

（7）填充灌注。拌制膨脹劑漿液以及灌入孔內須控制在10 min以內，垂直孔可直接灌入漿液；斜孔須采用略小于孔徑的塑料或木制搗棍進行搗實；水平孔可用比鉆孔直徑略小的高強長纖維紙袋裝入膨脹劑，按一個操作循環需要的藥卷數量，放在盆中倒入潔凈水完全浸泡，50 s左右藥卷充分濕潤、完全不冒氣泡時，取出藥卷從孔底開始逐條裝入并捅裝緊，密實地裝填到孔口；也可將破碎劑拌和后用灰漿泵壓入，孔口留5cm用黃泥封堵保證膨脹劑漿液不流出。

（8）膨脹等待。膨脹劑漿液填充灌注完成后，馬上采用彩條布或草墊進行遮蓋，防止噴孔、雨水沖刷流入孔內、地表水流入孔內、同時還能起到保護孔內藥劑溫度的養生作用。

（9）二次破碎清理：當巖石邊坡沿鉆孔裝藥線開裂后，巖石內只是產生裂開，邊坡孔底高程局部沒完全斷裂的部位，人工清渣時，還需用風鎬在巖石破裂脆弱地帶進行鑿縫破碎，進行清理。

5 無聲靜態爆破施工實例

湖南省雙牌縣瀟水河道雙牌水庫大壩至霞燈村段整治一期工程水上高邊坡巖石開挖施工采用了高效無聲靜態爆破技術。從2011年9月18日開始施工至2011年11月3日歷經47天，完成K0+019～K0+065范圍內高程153 m以上破碎巖層的開挖（自上而下開挖），巖石開挖工程量：2 105.175 m3，開挖輪廓面、坡度均滿足設計要求。

高效無聲靜態爆破在本工程中的應用成功的解決了前期邊坡開挖與水庫大壩安全、山體安全、已建水工建筑物安全的矛盾，保證了雙牌水庫大壩的正常運行；山體的穩定性得以保障；邊坡上部已建水工建筑物安全無損。與炸藥明爆施工技術相比較，雖然高效無聲靜態爆破效率低、持續工期長，但是安全控制方面有效的排除了炸藥進行明爆施工所存在的巨大安全隱患，使得大壩、山體、雙牌縣城得到了充分的保證。

但在施工過程中，必須做到：

（1）鉆施工中，同一排鉆孔的深度盡量控制在同一高程上，并與設計分層開挖高程一致，不要造成破碎后參差不齊等現象。

（2）與膨脹孔平行的臨空自由面的距離一定要控制在設計范圍內。

（3）一定要控制好溫度，按當日不同時段的溫度選擇膨脹劑。

（4）施工時，為確保安全，操作人員配戴防護眼鏡。充填漿體過程中，應規定好行走線路，避免經過已經灌注好的炮眼時，發生沖炮現象傷害人體。

（5）膨脹劑有腐蝕性，施工完畢后就及時洗手和洗臉，碰到皮膚后要立即用水沖洗。

（6）在膨脹劑灌入孔內到巖石開裂前，不可將面部直接面對已裝藥的鉆孔。膨脹劑灌裝完成后，蓋上麻袋或棕墊，遠離裝灌點。觀察裂隙發展情況時必須更加小心。

（7）施工現場須準備好清水和毛巾，沖孔時如膨脹劑濺入眼內或皮膚上，立即用清水沖洗，情況嚴重者立即送醫院潔洗治療。

（8）破碎過程中，在可能預見的危險范圍內不得有人，并隨時提醒附近人員，以免出現沖炮后碎片飛濺砸傷人體。

6 結 語

工程的實踐證明：在臨近重大、重要水利設施被施工標的物受炸藥明爆施工限制，且將造成重大安全隱患的情況下，高效靜態無聲爆破施工技術是行之有效的，能有效解決明爆施工難以解決工程難題，在除險加固工程和重要地域的建筑物拆除具有廣闊的推廣應用前景。

1 黃文錚,鄭力鵬.HSCA高效無聲破碎劑在古建筑修復工程中的應用［J］.科學技術與工程,2011,15.1：671-1 815.

2 董全祥.靜態爆破技術在寶雞峽渠首左壩肩山體開挖中的應用［J］.陜西水利,2001,2.

3 朱吉頂,許志中.靜態爆破技術在工程拆除中的應用［J］.天津建設科技,2004,1.