靜態膨脹預裂爆破技術在公路施工中的應用

薛維梅 彭中 周琪 周一勤

摘 要：靜態膨脹破碎預裂公路路基巖石是一項科學、經濟、適用的技術，具有十分良好的應用價值。通過實際工程的應用，分析了提出靜態膨脹預裂爆破機理，介紹了靜態膨脹破碎劑施工技術參數的選取方法、施工工藝流程及操作要點和安全和環保措施，為進一步在工程總推廣應用提供了有益的經驗。

關鍵詞：靜態膨脹破碎 公路工程 石方爆破

中圖分類號：U416.1+13 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）03（a）-0047-04

巖石開挖是公路路基施工的重要施工內容，堅硬巖石施工目前一般采用炸藥爆破、裝載機裝卸、汽車運輸方式。對于周邊有建筑物或對爆破敏感區域，石方量又較大時，無法采用傳統的爆破施工工藝，同時僅采用機械開挖又效率極低，施工成本大，工期不能滿足要求，這樣的事例較為常見。目前，我國實行嚴格的民爆器材、作業的管理制度，安全警戒距離不少于200m。溫州和麗水市某二級公路一段石方路基靠近一個村莊，傳統的爆破作業擾民非常嚴重，如遷移民房需花費數千萬元安置費用。開挖石方路基時，最后采取了單一的機械挖掘作業，費用十分昂貴，還延誤了工期。由此，石方路基采用靜態膨脹破碎劑預裂機械破碎開挖施工工藝，費用、工期、安全、質量都得到了較好地控制，村民反映良好，工程進展順利，體現了施工文明，為維護社會穩定、建設和諧社會作出努力。

1 靜態膨脹預裂爆破機理

1.1 力學機理

靜態膨脹破碎劑通常呈粉末狀散粒體，使用前按適當的比例加水拌和，然后裝填在巖石中，經過一定時間的水化反應，產生膨脹壓力，如圖1所示。

將巖石模擬為厚壁圓筒彈性體，填充靜態膨脹破碎劑的半徑為r1，r2，其內部作用的壓力為P，任意半徑處的切向拉伸應力為，則：

（1）

巖石為脆性材料，抗拉強度遠小于抗壓應力。一般巖石的抗拉強度為5～10 MPa，靜態膨脹破碎劑可產生30～50 MPa的膨脹力。當切向膨脹力大于巖石抗拉強度時，巖石便產生裂縫而破壞。圖2為膨脹破碎劑預裂示意圖。

2.2 化學機理

靜態膨脹破碎劑主要以、無機鹽化合物和有機復合劑組成，加水后產生膨脹性的結晶水化物，其中氧化鈣（）的化學反應如下式：

（2）

由于氧化鈣的密度為3.35 kg/cm3，氫氧化鈣的密度為2.24 kg/cm3，在總質量不變的條件下，體積膨脹了49.6%，這就是靜態膨脹破碎劑的化學原因。

2 靜態膨脹破碎劑施工技術參數

根據現場巖石的材質、裂隙尺寸和破碎的要求，設計計算出破碎參數，并選用對應鉆孔設備和鉆孔工具。破碎參數包括孔徑、孔距、孔深、排距、最小抵抗線、破碎體劑的用量和炮孔排列。

2.1 孔徑

孔徑是影響破碎效果的重要因素。孔徑越大，破碎劑的裝入量就越多，產生的膨脹壓力也越大，破碎效果也就越好，同時產生的熱量也越多，溫度上升也越高，最后導致破碎劑漿體的噴出，所以孔徑不宜過大。另外孔徑由鉆孔設備的性能確定，孔徑越大，鉆孔速度下降越顯著。因此，視巖石的堅硬程度孔徑選擇為30～50 mm。

2.2 孔距

當其他條件不變時，孔距越小，開裂越容易，破碎所需時間也越短。但孔距越小，孔數增多，必然后增加鉆孔工作量和破碎劑的消耗量。因此，對于不同的破碎對象，確定出可行的最大孔距，以達到最好的技術經濟效果。

影響孔距的因素主要有：被破碎體的抗拉強度、破碎劑的膨脹壓力和鉆孔孔徑，當其它條件不變時，抗拉強度越高，孔距應越??；反之，則可增大。另外，膨脹壓力和孔徑越大，孔距應越大；反之，則應減小?？拙嗟拇笮】捎孟率絹砬蟮茫?/p>

（3）

式中：a為孔距，cm；

d為孔徑，cm；

k為破碎系數，若使用普通型破碎劑時，k值可從表1中選取。

2.3 孔深

炮孔深度與被破碎體的高度（或寬度）有關。當被破碎體的高度和其它條件相同時，炮孔深度大的比炮孔深度小的更容易開裂，破碎效果也更好，它們之間的關系可用式4表示：

（4）

式中：L為孔深，m；

H為被破碎體的高度或破碎高度，m；

為孔深系數，與約束條件有關。對于硬質巖石或孤石～；對于軟質巖石。

2.4 排距和最小抵抗線

炮孔排距的大小與破碎劑膨脹壓力的大小、被破碎體的強度和自由面的多少有關。膨脹壓力大、被破碎的強度小和自由面多，可取大值，反之，則取小值。在靜態破碎中，最小抵抗線的大小因根據介質的強度、形狀大小、孔徑、節理以及要求破碎的塊度等因素由圖3和表2來確定。

2.5 破碎劑的選型和用量

普通型破碎劑，它們共同特點是呈粉末狀，水反應速度較慢，膨脹壓力上升也較慢，破碎能力小和介質的破裂時間長，新型速效靜態脹裂劑，呈顆粒狀結構，可以加速水反應和有利于膨脹壓力的迅速上升，30 min后出現30～50 MPa的膨脹壓力，工藝比較簡單。

破碎劑的用量是影響破碎效果的主要因素。當炮孔布置方式和有關的破裂參數確定好以后，用藥量可按下面兩種方式確定。

2.5.1 按每米炮孔裝藥量計算

（5）

式中：Q為個炮孔的用藥量或一次破碎的總用藥量，kg；

為損耗率，采用0.05～0.1；

為一個炮孔的延米數或一個破碎體全部炮孔的總延米數，m；

q1為單位孔長的用藥量，kg/m，按表3選取。

3.5.2 按單位體劑耗藥量計算

（6）

式中：Q為用藥量，kg；

V為被破碎碎體體積，m3；

q2為破碎單位體積介質用藥量，kg/m3。按表4選取。

3 施工工藝流程及操作要點

3.1 工藝流程

巖石膨脹破碎預裂機械開挖施工工藝流程如圖4所示。

3.2 操作要點

3.2.1 施工準備

根據巖石強度及節理發育情況選擇合適的機械和所需的膨脹破碎劑的類型及型號；根據開挖巖體工程量確定配備機械及人員；放樣定位及清理松土軟石，并修筑施工便道。

3.2.2 布孔（眼）

（1）在布孔（眼）前，設置臨空面，臨空面可根據巖石開挖難易情況結合路基開挖方案隨機設置，并盡可能多創造臨空面。

（2）根據被破碎物體的不同材質和硬度沿平行于臨空面布置孔（眼），約為孔徑的8～10倍，具體由試驗確定。根據邊坡巖石的具體情況，可采用單排孔或多排孔布置。多排布孔一般采用梅花型排列，如圖5所示。

3.2.3 鉆孔（眼）

（1） 鉆孔（眼）工程。

①首先檢查風動鑿巖鉆機，保證性能良好。開孔前，把鉆機操縱閥開到輕轉位置，待孔（眼）位固定并鉆進20～30mm以后，掌釬工兩手松開，退到機身后側監護；打眼工把操縱閥板到中轉位置鉆進，當鉆進50mm左右，鉆頭不易脫離眼口時，全速鉆進。

②鉆孔（眼）時，用手柄閥門及時調節氣腿高度，使鉆機、鉆桿和鉆孔（眼）方向一致，推力均勻，不要用力過大，防止斷釬、夾釬。鉆桿不要上下、左右擺，以保持鉆進方向。

③掌握好鉆孔（眼）的深度和角度，達到要求深度時，減速撤鉆。鉆深孔（眼）時，必須采用不同長度的鉆桿，開始時使用短鉆桿。

④撤鉆時，小開閥門，停止向前推力，使鉆桿緩慢旋轉，緩慢向懷中拉鉆機，同時縮氣腿，使鉆桿在旋轉中退出炮眼；此時掌釬工待鉆桿鉆速減慢時，站在鉆桿一側，協助鉆孔（眼）工把鉆桿退出灌漿孔（眼）。

⑤兩臺或多臺鉆機作業時，應按作業規程規定的區域，做到定鉆具，定人定孔（眼），順序鉆孔（眼），防止相互干擾。

⑥突然停風，應取下鉆機，撥出鉆桿。

⑦孔（眼）深度應小于等于臨空面高度或開挖深度，一般不宜小于0.8 m，且不大于4 m，一般在2 m較好。

⑧退鉆時，不得用力猛拉鉆機，孔（眼）口前方禁止站人。

3.2.4 清孔（眼）

（1） 壓風管接到L型吹孔（眼）鋼管上。把鋼管長端插入孔（眼）內，人員站在側面，先警示相關人員然后打開風門，用手來回拖動，直到把孔（眼）內巖粉吹凈，依次把各孔（眼）吹完。

（2） 吹孔（眼）人員要戴好手套，防止傷手。吹孔（眼）人員兩眼不得正對眼口位置。風管與L型鋼管連接牢固可靠。

3.2.5 灌入膨脹破碎劑預裂

（1）在正式膨脹預裂施工前，應在現場進行膨脹破碎劑試配，已確定最佳配合比。

（2）攪拌及裝孔：將配比好的破碎劑緩慢加入水中，邊加入邊攪拌，直到攪拌成糊狀漿體（一次攪拌最好不超過10 kg），然后將攪拌好的漿體在3 min內倒入孔中，混合攪拌和裝孔的整個過程不得超過8 min，如果孔數較多，最好多人同時裝孔。

（3）膨脹破碎劑漿體灌入時，從破碎預裂方向后退順序裝填，邊填邊退，不得再次進入已經灌入膨脹破碎劑的孔洞范圍，防止膨脹破碎劑沖孔傷人。

（4）根據使用時作業環境的不同，選擇不同產品型號，工作效率和操作性可大幅度提高。

（5）填充破碎劑后，一般情況下，預裂在1 h內完成，再經過1 h后，即可采用機械進行開挖。也可根據工程需要，通過控制添加劑，自由掌握裂開速度，隨著時間的增長，裂縫會越來越大。

3.3 機械開挖

（1） 機械鑿巖采用挖掘機配破碎錘進行開挖。

（2） 對于不發育或欠發育堅硬巖體，挖掘機功率不宜小于110 kW（挖掘力不小于127 kN）如型號廈工XG 820（或功率等效的其他類型的挖機）。

（3） 機械鑿巖應按照路基開挖方案進行開挖，全斷面開挖時先中間后兩側，每次開挖深度不宜超過3 m。

（4） 對于適合采用機械開挖的巖體先進行開挖；對于采用機械開挖困難或效率低下的巖體，采用膨脹破碎劑預裂開挖。

（5） 挖方邊坡應從開挖面往往下分段整修，每下挖2～3 m，宜對新開挖邊坡刷坡，同時清除危石及松動塊石。

4 質量控制

4.1 質量控制標準

（1）孔位、孔深允許偏差±5 cm。

（2）膨脹破碎劑應符合《無聲破碎劑》（JC506-2008）中技術要求。

凝結時間：初凝不得早于8 min，終凝不得遲于150 min。膨脹破碎劑膨脹壓技術指標見表5。

（3）邊坡坡面平順，無松石、危石。

4.2 質量控制措施

（1） 掌握膨脹破碎劑的特性：膨脹壓力隨水灰比的增大而減??；它的膨脹壓力與環境溫度和反應時間成正比，物體開裂所需時間與環境溫度成反比；膨脹壓力隨孔徑的增大而增加。

（2） 膨脹破碎劑水灰比需經試驗確定最佳配合比，供實際施工使用。

（3） 孔位、孔深、膨脹破碎劑水灰比、裝藥、機械挖掘操作是本工法的關鍵技術，相關操作人員須按照操作規程操作，確保收到良好的效果。

（4） 要妥善保管，防止受潮和暴曬。使用時膨脹破碎劑要隨用隨提，拆封數量與使用數量要控制好，以免多提多拆使成品受潮或失效。

（5） 靠近邊坡時，孔眼方向應平行坡面設置，避免坡面超挖。

（6） 坡面整修完成后，由質檢員對坡坡面進行驗收，驗收合格后方可進行下一級邊坡開挖。

5 安全和環保措施

（1） 建立健全安全生產保證體系和環保制度，制定膨脹破碎劑預裂專項安全管理制度，落實安全生產責任制，分工明確，責任到人，加強施工安全檢查，消滅發生安全生產事故的苗頭，保護自然環境。

（2） 設置安全環保標志醒目，安排專人管理標識的警戒區域，非操作人員不得進入施工現場；膨脹破碎劑和拌和水存放陰涼干燥處，避免暴曬；嚴防膨脹破碎劑成品或外包裝流失，污染環境；機械開挖區域和民房之間設置臨時聲屏障，不得夜間作業；遇大風時，停止鉆孔或開挖作業，防止粉塵污染；完善周邊排水設施，設置沉淀池、過濾池，防止施工區域廢水直接排放入河流或池塘。

（3） 膨脹破碎劑是一種對人體眼角膜有傷害的化學制劑，操作人員不得將手在眼睛擦拭；施工現場必須預備足夠數量的清潔水，防止操作人員萬一接觸膨脹破碎劑作清洗使；如操作人員眼部接觸了膨脹破碎劑漿體，就立即用清水沖洗，再送醫院急救治療；鉆孔操作員應佩戴防護眼鏡、防塵口罩，灌裝操作人員須佩戴防腐橡膠手套；灌入膨脹破碎劑漿體時，需待孔內溫度降到常溫，操作人員面部距離孔面50 cm以外，且不得正面相對；裝灌完成后，應及時覆蓋預裂孔，不得在裝灌地點逗留。

6 結語

6.1 靜態膨脹預裂爆破技術施工工藝質量高、安全可靠

通過膨脹破碎劑預裂，有效的降低了巖石開挖的難度，同時極大地提高了機械開挖的效率；采用膨脹破碎劑預裂，無噪音、無粉塵、無毒氣，不產生震動、飛石，無沖擊波，不影響周邊的建筑物，不擾民，具有良好的安全和環保特性；采用膨脹破碎劑預裂和機械開挖，容易控制巖石被破碎體的形狀，避免了采用爆破開挖引起的虧坡現象，減少了爆破對巖體及坡面的影響，同時采用機械開挖保證了開挖坡面的平順，有利于坡面的穩定和美觀。

6.2 態膨脹預裂爆破技術施工工藝具有較高的經濟效益和社會效益

采用機械開挖1臺挖掘機配破碎錘每天能夠開挖不發育或欠發育堅巖約10 m3，采用巖石膨脹破碎預裂機械開挖施工每天開挖約30 m3，采用本施工工藝雖然增加了膨脹劑預裂相關費用，但大大降低了機械破碎錘的報廢率，明顯地提高了開挖效率，降低了機械開挖油耗，整體上節約了成本，較單獨采用機械開挖具有顯著的經濟效益。

態膨脹預裂爆破技術施工工藝將靜態爆破與機械開挖有機地結合起來，發揮了靜態爆破和機械開挖的優勢，成功的解決了路基開挖中無法采用爆破、同時采用機械開挖又效率低下的石方開挖難題，與傳統的爆破相比較具有明顯的安全性，無飛石、無噪音、無震動、無沖擊波、無有毒煙霧。本施工工藝是一種因受條件限制無法采用爆破工藝的區域路基開挖的十分有效的施工方法，節能減排，保證了工程進度按期完成；有利于協調工程施工與周圍群眾的關系，施工文明，不擾民，深得周邊群眾的好評。

參考文獻

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