繁華地段穿越運營地鐵車站基坑靜態爆破施工技術*

曾小明，羅桂軍，汪慶桃，曾 凱

(1.中建五局 土木工程有限公司, 湖南 長沙 410004; 2.國防科學技術大學, 湖南 長沙 410072)

繁華地段穿越運營地鐵車站基坑靜態爆破施工技術*

曾小明1，羅桂軍1，汪慶桃2，曾 凱1

(1.中建五局 土木工程有限公司, 湖南 長沙 410004; 2.國防科學技術大學, 湖南 長沙 410072)

靜態爆破具有無噪聲、無毒氣、無振動、無飛石等特點，在某些對爆破災害控制要求非常嚴格的工程中得到了較為廣泛的應用。結合長沙市地鐵3號線火車站站基坑開挖工程實例，詳細介紹了靜態爆破施工技術在繁華地段穿越運營地鐵車站基坑開挖中的應用，并對靜態爆破的施工工藝和施工安全措施及注意事項進行了詳細的分析。實踐證明，靜態破碎配合人工破碎施工時間大約為14 d，費用共15萬元，具有較好的工期和經濟效益。

地鐵車站；基坑開挖；靜態爆破；施工技術

0 引 言

靜態爆破技術亦稱靜態膨脹(破碎)技術，最早于日本開始研究，到20世紀80年代，靜態膨脹技術在安全性、反應時間、工程應用等方面取得長足的進步，并在日本得到了廣泛的應用。為了適應現代化建設的需要，從1980年開始，我國武漢建材學院(現武漢理工大學)開始研究現代靜態破碎技術，并于1982年成功研制JC-1系列靜態破碎劑。

靜態破碎的原理為氧化鈣與水發生化學反應生成氫氧化鈣，在此過程中放出大量熱，且其體積快速膨脹，對周圍介質產生壓應力，當壓應力超過介質材料的屈服強度時，材料即會發生破碎[1-3]。且破碎過程無聲音、無飛石、不產生振動，生成的氫氧化鈣產物沒有毒性，對周圍的環境不會造成污染[4-6]，所以靜態爆破技術基本不產生爆破災害，能有效的保護周圍結構。隨著社會的發展，城市建設呈立體發展的趨勢，在多數情況下，對爆破災害控制要求都非常嚴格或根本不允許進行爆破作業，但是采用機械法等其他作業方法時施工效率很低，工期很長，而靜態爆破技術能極大的發揮其效應能。

長沙地鐵3號線火車站站下穿正在運營的地鐵2號線，在車站基坑開挖過程中必須確保2號線的正常運營，所以其安全要求非常高。本文以此工程為背景，詳細闡述靜態爆破施工技術及施工工藝，其相關做法可為類似的工程提供參考。

1 工程概況

1.1 周圍環境

長沙火車站地處中心城區的繁華地帶，東臨火車站，西側為住宅、商場等，車流量大，人流量極大。車站設計范圍為車站設計起點里程YCK23+440.920至設計終點里程YCK23+628.520，包括車站主體和出入口通道、風亭等設計。周圍環境如圖1所示。

本車站為地下三層雙柱島式站臺車站，設計站臺長度118 m，站臺寬度14.8 m。車站外包總長187.6 m，標準段外包總寬23.7 m，總建筑面積17047.16 m2。地下一層為車站站廳層，地下二層為車站設備層，站臺位于地下三層。車站埋深23.61 m，頂板覆土3.3 m，軌面標高13.728 m，站廳凈高4.5 m，設備層凈高6.11 m，站臺層凈高4.7 m，在車站范圍內由北向南設置0.2%的縱坡。

車站主體結構采用明挖法+局部蓋挖順作法施工，已建2號線車站北側(大里程端)主體結構采用明挖法施工；南側盾構井(小里程端)西南角鋪蓋處采用蓋挖順作法施工，其余部分為明挖施工；附屬結構全部采用明挖法施工。

1.2 工程地質

根據《長沙市軌道交通3號線一期工程KC-2標段長沙火車站巖土工程詳細勘察報告》，地層層序自上而下依次為：雜填土、粉質粘土、圓礫、粉質粘土、強風化泥質粉砂巖、中風化泥質粉砂巖等。本車站基坑開挖采用明挖法+局部蓋挖法施工，基坑總體開挖原則是已建2號線主體南、北兩側對稱開挖，保證卸載平衡。南側基坑為由北向南整體分層開挖，北側基坑為由南向北分段分層開挖。雜填土、粉質粘土、圓礫、粉質粘土等地層直接由挖機挖掘。強風化泥質粉砂巖為紫紅色，泥質膠結，成巖礦物顯著風化，巖石組織結構已大部分破壞，但原巖結構清晰，巖石風化節理裂隙很發育，巖芯多呈土夾碎塊狀，巖塊用手可折斷，合金鉆進速度一般，遇水易軟化。中風化泥質粉砂巖為紫紅色，粉細粒結構，中厚層狀構造，泥質膠結，巖屑成分主要為粉細砂，巖石組織結構部分破壞，少部分礦物風化變質，節理裂隙發育且密閉，多為鈣質或泥質物充填，裂隙面見褐色鐵錳質浸染，巖芯上偶見溶蝕小孔，巖芯較完整，多呈柱狀，偶呈塊狀，錘擊聲較脆，屬極軟～軟巖，巖體基本質量等級為Ⅴ類。強風化和中風化泥質砂巖交錯分布，挖機在挖掘過程中，效率很低，很多區域尤其是緊鄰既有2號線區域，挖機無法挖掘。在施工過程中，既有2號線一直在運營，必須確保其安全，且基坑周邊人流、車流極多，交通十分擁擠，傳統爆破法雖然作業效率高，成本低，但是爆破危害較難控制，尤其是在如此復雜的情況下進行爆破作業，存在著很大的安全風險。而機械破碎方法，雖然較為安全，但是作業效率很低，工期又無法滿足要求。靜態爆破技術具有無聲、無振動、無飛石、無毒氣、無沖擊波等特點，施工較為安全，且其作業效率比機械破碎法明顯提高，比較適合于本工程。

圖1 長沙火車站平面位置

2 靜態爆破施工工藝

目前，國內外絕大部分破碎劑，基本都是以CaO為其主要成分。在使用時，CaO與水發生水化反應，生成Ca(OH)2，同時產生體積膨脹。一般來說，在自由膨脹條件下，CaO經充分水化反應生成Ca(OH)2，體積可增加2～4倍。如果把其裝填在密閉炮孔內，則體積膨脹會在炮孔上產生很大的壓力，當此壓力大于周圍巖石的強度時，巖石就會發生破碎[3]。靜態爆破施工工藝流程一般為：施工準備——炮孔參數設計——藥劑配置——裝藥——養護5個階段。

2.1 施工準備

施工前必須對周圍環境、巖石的地質情況、施工要求等條件調查清楚。根據當地環境、爆破對象的實際情況進行靜態破碎劑的選型，設計好炮孔的孔網參數，并配置好相應的機械設備等。從靜態爆破的原理可以看出，破碎劑的膨脹壓力是其重要的一個技術參數，其大小與破碎效果直接相關，在很多工程施工中，巖石沒有破碎或破碎效果不好，其原因大都與膨脹壓力值達不到要求相關。一般來說，膨脹壓力的大小與下面幾個因素有關：

(1) 時間：破碎劑裝填到炮孔內之后，膨脹壓力不會立即達到最大值，一般會有一個增長的過程。膨脹壓力的增長速度，主要取決于破碎劑的水化反應速度，水化反應速度快，膨脹壓力增長的快，周圍介質破裂的時間也相對較短。反之，則會使破裂時間增長。水化反應速度主要受環境溫度、氧化鈣粒度和活性度以及水灰比等因素的影響[1]。

(2) 溫度：環境溫度對破碎劑破碎效果影響很大，同一種破碎劑在不同溫度條件下使用時，水化反應時間大大不同，在相同時間內產生的膨脹壓力可相差1倍[4]。因此，應根據不同的環境溫度開發相對應的產品，如SCAⅡ型靜態破碎劑適用的溫度為10℃～25℃，根據相關實驗結果，在同樣的條件下，若分別在溫度13℃和20℃使用時，產生的膨脹壓力也將相差1倍[4]。所以在施工之前，根據不同的環境溫度選擇合適的破碎劑型號，對于破碎效果有著很大的影響。

(3) 水灰比：即添加水的重量與破碎劑的重量之比。水灰比范圍一般在0.2 ～0.38之間。隨著比值增大，藥劑的流動性增大，更便于裝填，但是膨脹壓力將會減小。若比值減小，則藥劑的流動性較差，裝填起來比較困難，效率也較低。大量的研究表明，常用的水灰比為0.3左右。由于破碎劑與水攪拌均勻后，即會發生水化反應，同時流動性會逐步喪失，因此要盡快進行裝填[2]。

(4) 孔徑：膨脹壓力隨著孔徑的增大而增大，國內生產的破碎劑，相比國外的來說價格要低，但是反應時間較慢，最大膨脹壓力也較小。當前國內用的比較多的孔徑范圍一般為30～50 mm。在這個范圍內應用時，裝藥工藝比較簡單，一般不需要采取特別的措施，而且大部分均能夠滿足要求。在某些特殊的情況下，為了獲得較大的膨脹壓力，會采用較大的孔徑。隨著孔徑的增大，膨脹產生較大的壓力容易導致沖孔的發生[5]，這時，要采用特殊的堵塞方法。

2.2 炮孔參數設計

(1) 孔徑：根據本工程情況選用42 mm孔徑，用手持式風動鑿巖機YTP-26鉆取。

(2) 孔距(a)與排距(b)：a、b的大小與施工成本及破碎效果直接相關。一般來說，a、b值越大，單位面積上鉆孔數量越少，鉆孔成本及藥劑成本均會下降。但是，隨著a、b值的增大，巖石破碎塊度也越大，當大到一定值時，甚至不能有效破碎巖石。所以，從理論上分析存在一個最佳的a、b值。a、b值大小與破碎劑的膨脹壓力及巖石力學性能相關，為了確定較優的a、b值，一般在施工前要通過現場試驗確定。本工程項目圍巖性質為強風化/中風化泥質粉砂巖，巖體基本質量等級為Ⅴ類，根據實驗結果，a、b值宜為300～500 mm。

(3) 鉆孔深度(H)：H跟破碎效率直接相關，H太大，對鉆孔精準度要求較高，口部稍有偏差，底部可能偏差就很大，造成破碎效果不好；相反，H太小，破碎效率低，經濟效益差。一般來說，在鉆孔之前，應該盡可能的創造出多個自由面，根據本工程巖石性質及所采用的鉆孔設備，H為1.5～2.0 m。

2.3 藥劑配置

首先準備好盛裝破碎劑的容器，先把水倒入容器中，水的重量約為破碎劑重量的30%，然后再加入破碎劑，用木棒或手提式攪拌機充分攪拌均勻，使其流動性和稠度適中。需要注意的是，若水的溫度較低，或者氣溫小于5℃時，宜先把水的溫度加溫至40℃左右時再進行配置。

2.4 裝 藥

裝藥是靜態爆破的一個關鍵環節，其質量的好壞直接決定了破碎效果的好壞。在裝藥之前須先清孔，即先等孔內溫度下降到一定程度后，清除孔內殘渣等雜物，這個過程一般可以用風管吹。裝藥過程務必要迅速，這是因為攪拌好的破碎劑漿液已經在發生化學反應，經過一定的時間就會硬化。此外，灌注漿液必須要裝填密實，可以邊裝填邊搗實，直至把整個炮孔填滿[6]。

2.5 養 護

裝藥完成以后，經過一定的時間，破碎劑即進入膨脹狀態。這個過程中必須要進行養護。在夏季溫度較高時，可以用沙袋、草席等對孔口進行一定的覆蓋，防止藥劑在膨脹過程中從孔口噴出。在冬季，氣溫一般比較低，也需要對孔口進行覆蓋，或者采用其它的加溫方法，以使孔內保持一定溫度，從而加快破碎劑反應速度，確保破碎效果。養護對于確保施工安全、縮短施工工期有著重要的意義，尤其是對于本工程來說，施工班組較多，在靜態爆破養護期間，還有切割班組，支護班組等在進行交叉施工，必須加強覆蓋，防止意外傷亡事件的發生。實際施工時，在孔口用麻袋覆蓋，上面再壓上沙袋。

3 安全措施和注意事項

靜態爆破雖然比起炸藥爆破來說，安全性較高，但也存在一些特別需要注意的事項，否則很容易出現安全事故或者導致爆破效果達不到預期要求。

(1) 靜態爆破各工序之間銜接必須緊密，有些工序存在一定的安全風險，為了減少不必要的影響因素，確保安全，必須劃定警戒區域。警戒人員須堅守崗位，熟悉崗位職責，所有無關人員不得進入施工現場；

(2) 在作業之前，必須對所有施工人員進行安全教育，某些技術工種，如安全員、工班長、鉆孔人員等，要進行崗前培訓和考核，達到要求之后才能上崗作業；

(3) 根據崗位特點，穿戴好防護裝具。例如，所有進入施工現場的必須戴安全帽，從事藥劑配置、裝藥、養護崗位的人員必須戴防護眼鏡，鉆孔人員必須戴口罩等；

(4) 藥劑裝填直到巖石開裂之前，要防止噴孔，不可將面部直接面對已裝藥的炮孔。藥劑裝填完成后，要加強覆蓋，在觀察巖石裂隙發展情況時要更加小心；此外，施工現場要專門備好清水和干凈的毛巾，若發生沖孔藥劑濺在皮膚上，必須立即沖洗，嚴重者送醫院救治；

(5) 嚴禁鉆孔與裝藥同步進行，藥劑不要一次配置過多，配置好的藥劑必須在規定的時間內裝填完畢；

(6) 嚴格遵守各項操作規程，防止沖孔的發生，沖孔產生的原因較多，大致有：操作人員操作不當，操作時間太長，藥劑裝填不夠密實，有空氣隔層等；溫度控制不當，氣溫過高時配置藥劑，炮孔孔壁溫度過高；炮孔設計不合理；炮孔直徑過大，且沒有采用專門的堵孔器;

(7) 破碎劑在運輸和儲存過程中要注意防潮、防暴曬，一袋開封后盡量使用完畢，如未用完，要注意防潮。

4 效果與體會

(1) 靜態爆破取得圓滿成功，工程實踐表明，靜態爆破技術無聲音、無振動、無飛石，該方法能有效保護周圍結構，特別適用于對爆破災害控制要求非常嚴格的工程。

(2) 靜態爆破開挖與常規的機械破碎開挖或人工風鎬開挖相比，具有施工安全、作業效率高、可操作性強、施工工藝簡單等特點。以本工程為例，靜態爆破開挖0.56萬m3巖石，采用破碎劑進行靜態破碎配合人工破碎施工，施工時間大約14 d，共花費15萬元；采用常規機械破碎施工，施工時間大約為26 d，人工費和機械租賃費大約28萬元；采用人工風鎬破碎施工，施工時間大約為52 d，人工費和機械租賃費大約為30萬元。因此在不允許采用爆破開挖的情況下，靜態破碎配合人工破碎施工方法具有很好的經濟和工期效益。

(3) 孔網參數的設計與破碎效果直接相關，在施工前，要根據所選的破碎劑及圍巖性質進行試驗，確定合適的孔網參數。

(4) 靜態爆破具有一定的危險性，在施工期間，要加強安全教育，做好各項安全防范措施，嚴防事故的發生。

[1]游寶坤.靜態爆破技術[M].北京:中國建筑工業出版社，2008.

[2]李 強，鄭道明.靜態爆破施工技術研究[J].四川水利發電，2013,32(4):7-9.

[3]王玉杰.靜態爆破技術及機理研究[D].武漢：武漢理工大學，2009.

[4]栗瑞宣，傅菊根，魯 力.靜態破碎劑破碎機理研究[J].四川建材，2012,38(6):189-190.

[5]溫尊禮，徐全軍，姜 楠,等.新型大孔徑靜態破碎技術的試驗研究[J].探礦工程，2013,40(5):72-74.

[6]張愛莉，姚 剛.靜態爆破的設計及應用[J].建筑技術，2002(6): 420-421.

湖南省住房和城鄉建設廳重點支持項目(XJS201535).

2016-09-30)

曾小明(1982-)，男，工程師，主要從事土木工程施工管理，Email：35016567@qq.com。