公路工程非爆破開挖方法及適用條件研究

夏曉勇 畢小進

【摘 要】較為系統地介紹了二氧化碳氣體爆破、靜態膨脹劑、機械劈裂、破碎錘、銑挖等工程非爆破開挖方法原理及特點，分析了公路工程非爆破施工方法選擇的影響因素，給出了公路分項工程破巖方法建議。

【關鍵詞】公路工程;非爆破開挖方法;適用條件

中圖分類號： U416.113文獻標識碼： A文章編號： 2095-2457（2019）06-0232-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.06.089

【Abstract】The principles and characteristics of non-blasting excavation methods for carbon dioxide gas blasting， static expansive agent，mechanical splitting，breaking hammer，milling and digging are systematically introduced.The factors influencing the selection of non-blasting construction methods for highway engineering are analyzed，and the suggestions for rock-breaking methods for highway sub-projects are given.

【Key words】Applicable conditions of non-blasting excavation method in Highway Engineering

0 引言

公路工程建設過程中涉及大量土石方工程，通常情況下均采用炸藥爆破法進行開挖，因其技術成熟、效率高、成本合理。但隨著我國經濟社會的不斷發展，傳統爆破使用的局限性越來越大，例如敏感時期政府對炸藥的嚴格管控，高鐵、高速公路的安全保護區、環境敏感區嚴禁爆破等規定均限制了其使用。本文在大量調研的基礎上對目前國內主流非爆破開挖技術進行了梳理，并簡要介紹了公路工程非爆破開挖方式選擇建議，為工程運用提供參考。

1 公路工程常用非爆破開挖方式簡介

1.1 氣體（CO2）爆破法

高壓氣體爆破是一種無炸藥爆破，一般采用液態二氧化碳為能量源，通過加熱液態二氧化碳，使其壓力劇增至幾十至上百兆帕，高壓液態二氧化碳沖破定壓剪切片迅速轉化為氣態，體積急劇膨脹，瞬間釋放的氣體膨脹能使鉆孔周邊巖體致裂，爆破時會產生地微振動。二氧化碳爆破優點是效率較高，作業不產生沖擊波、明火、熱源和有害氣體，生產、儲存、運輸過程也相對安全;缺點是目前其施工工藝、安全標準暫不規范[1]，對作業人員技術要求高。

1.2 靜態膨脹劑法

靜態膨脹劑（又稱無聲破碎劑）是以特殊硅酸鹽、氧化鈣為主要原料，配合其他有機、無機添加劑而制成的粉末狀物質，當氧化鈣變成氫氧化鈣時，其晶體結構發生變化，會引起晶體體積的膨脹。如果將它注入炮孔內，這種膨脹受到孔壁的約束，壓力可上升到數十兆帕，巖體在這種壓力作用下會產生徑向壓縮應力和切向的拉伸應力，將混凝土或巖石悄悄地破碎。靜態膨脹劑破巖法施工周期較長、施工產量低、場地臨空面要求高、受雨水和溫度影響大、有噴漿和強堿性危害等因素影響較多，其大規模應用受到限制[2]。

1.3 機械劈裂法

通常巖石、混凝土抗壓強度很高，但抗拉強度低，機械劈裂法就是利用巖石這一特性，通過鉆孔拉裂的方式對巖石進行分裂以達到破碎的目的。機械劈裂法主要包括液壓分裂棒與液壓劈裂機兩種方法。液壓分裂棒是以高壓油為能量源，由液壓動力站的泵站輸出的超高壓油又經增壓器的機械放大后驅動分裂棒內的油缸產生巨大推動力，推動劈裂棒中的液壓頂向外伸出以脹裂巖石，使巖石按預定方向分裂，達到破碎開挖的目的;液壓劈裂機是通過液壓油控制分裂機內的活塞桿的伸縮，并巧妙應用楔器原理，經機械擴大后可發生高達數千噸的劈裂力，使被劈裂物體按預定方向裂開。

1.4 破碎錘法

液壓破碎錘，又叫做液壓沖擊破碎器。破碎錘是以液體靜壓力或氣體壓力為動力，驅動活塞往復運動，活塞沖程時高速撞擊釬桿，由釬桿破碎巖石、混凝土等。破碎錘沖擊破巖時，由于其作用在孔口的沖擊應力相對于爆破法中沖擊波峰值應力要小很多，不會“壓碎”巖石，故認為此法破巖時只存在一種破壞形式（拉破壞），宏觀表現為孔間產生貫通的裂縫[4]。破碎錘法優點是無振動，環境適應性強，設備本身體積小，與挖掘機搭配使用，靈活機動，設備購置費用低，方便維修;缺點是開挖效率低下，施工單價高，施工周期長，不適合規模較大工程的應用，施工時有噪聲等。

1.5 銑挖法

銑挖法主要是利用懸臂式掘進機（又稱銑挖機）進行巖石破碎開挖的方法。懸臂式掘進機是一種能夠實現截割、裝載運輸、自行走及噴霧除塵的聯合機組，主要用于地下巷道的掘進。懸臂式掘進機適用于普氏硬度不大于10的堅硬、較堅硬巖石、軟質巖石等，其開挖效率可達到5～40m3/小時。但當普氏系數大于7后，其掘進效率和經濟型均明顯下降，巖質越堅硬，下降越明顯[5]。

2 非爆破破巖方案選擇影響因素

工程非爆破破巖方案選擇與各類破巖方法自身特點、工程類型、周邊環境、地形地貌、地質條件、施工工藝與工序搭接、工期要求等均有關系，在具體實施中應重點考慮以下影響因素：

（1）工程規模

大方量開挖工程，因工程數量大，開挖效率與經濟性是應首要考慮的因素，通常情況下宜優先選用炸藥爆破開挖方案。若條件不允許，可考慮在二氧化碳氣體爆破、機械劈裂法中選擇最經濟適宜的方案，也可多種方案搭配使用。對于工程規模較小，工點地形條件、施工作業面等受限的工程，因銑挖、氣體爆破等方法前期投入相對較高，也不宜采用，反而小型的機械劈裂、破碎錘、靜態膨脹劑等方案更為經濟適宜。

（2）適用巖石類型

發軟發棉的巖石劈裂效果不佳，不宜采用機械劈裂法、靜態膨脹劑開挖;裂隙、孔洞發育的巖石，因孔隙對氣體壓力與應力波的吸收，采用氣體爆破效率相對較低;對于普氏硬度大于7的較堅硬或堅硬巖石，或當地下水發育時，銑挖法開挖效率低下，不宜采用。因此，宜根據巖石性質及地質條件選擇開挖方法。

（3）炮眼工程數量

各類非爆破破巖方法中，氣體爆破、靜態膨脹劑、機械劈裂幾種方法需要先鑿鉆孔后才能實施，鉆孔施工對工序時間、費用等均有影響，當鉆孔工程量大時，其影響甚至決定了破巖方案的可實施性，因此進行方案選擇時必須重點考慮。氣體爆破法鉆孔密度為炸藥爆破的1.8倍;膨脹劑法鉆孔工作量是炸藥爆破的4倍;機械劈裂法一般多于氣體爆破，且需鉆較大孔徑的孔;破碎錘法、銑挖法一般無須鉆孔。

（4）破碎效果

不同的破巖方法破碎效果相差甚遠。各類靜態爆破初次破碎物一般呈大塊狀，若轉運或用作填筑材料，還需進行二次破碎;氣體爆破、破碎錘破碎后一般呈碎塊狀，個別塊體可能需要二次破碎才能轉運或用作填筑材料;懸臂式掘進機破碎物一般為巖屑、碎石，可直接轉運或用作填筑材料。

（5）開挖面規整度

不同破巖方法形成的開挖面形態差別甚大。氣體爆破、破碎錘破碎因為沖擊、振動作用，往往難以形成規則的開挖面;靜態膨脹劑、機械劈裂能人為控制巖石破裂面，形成形態規則的開挖面，對開挖面損傷小;銑挖施工能自由控制開挖面形狀。

3 公路工程破巖方案建議

3.1 隧道破巖方案建議

隧道開挖是隧道施工核心工作內容之一，選擇合理的破巖方案不僅對開挖效果、效率、經濟性有直接影響，還間接影響后續支護工程的施作，必須合理選擇。開挖工藝分為如下幾種：1）明挖法開挖，2）全斷面開挖，3）臺階法分部開挖，4）環形開挖預留核心土法，5、CD法、CRD法、雙側壁導坑法等特殊工法。

3.2 路基大方量土石方開挖

通常情況下，路基土石方、場平工程等大方量開挖工程宜優先選用炸藥爆破開挖方案，其作業效率高、單價低、技術成熟。必須采用非爆破方案時，可考慮氣體爆破、機械劈裂等開挖方式，當巖石堅硬程度不高時，還可直接采用挖掘機冷開。

3.3 邊坡保護層開挖

路基邊坡工程，對于近坡面線部位的開挖須控制對坡面巖體的損傷，確保開挖面平整，以增加坡面穩定性，降低支護工程規模。因此邊坡保護層的開挖應采用控制爆破（含氣體爆破），有條件時宜優選機械劈或挖掘機冷開，其中機械劈裂適用于巖質較堅硬且相對完整的工點。

3.4 橋梁基坑開挖

橋梁基坑開挖可在控制爆破、氣體爆破、機械劈裂、破碎錘、銑挖等方法中，結合現場具體施工條件、工程規模、地質條件，按安全、經濟的原則進行方案選擇。當對坑壁規整度、巖體完整性有要求時，宜優先選擇機械劈裂、銑挖施工方法。

3.5 料場開挖

對于砂石料場宜優先選擇炸藥爆破法，其作業效率高、分裂效果好，便于材料后期加工以降低原材料價格;對于片塊石料場，宜優先選擇機械劈裂或靜態膨脹劑法進行作業，以保證石材成形率。

3.6 結構物、危巖破除工程

結構物、危巖體的破除工程量一般不大，宜優先采用破碎錘法，也可采用機械劈裂、靜態膨脹劑法，條件允許的情況下還可以采用控制爆破法，應結合現場具體施工條件，按安全、經濟的原則進行方案選擇。

4 小結與展望

（1）本文梳理了目前國內工程巖體主流非爆破破巖技術的基本原理與技術特點，在研究二氧化碳氣體爆破、靜態膨脹劑、機械劈裂、破碎錘、銑挖等方法自身技術特點、適用條件與經濟性的基礎上，提出了非爆破破巖方法選擇的影響因素，對公路隧道、路基、基坑、料場等工程破巖方法選擇提供了建議。

（2）關于各類破巖方法的成本，因受具體工程性質、規模、施工環境、地質地形、施工操作人員熟練程度、設備材料性能等影響較大，加之各類方法使用普及度存在較大差異，本文未對各方法的單價進行詳細調研與對比研究，還需后期進一步研究完善，以便更合理地指導破巖方案選擇。

（3）除前述方法外，公路施工中采用的繩鋸法、切割法、孔樁沖孔與旋挖等施工方法本質上也屬于非爆破開挖方法，但因其使用面單一或成本過高，本文未進行詳細討論。后期可進一步開展更為系統地討論，為公路工程非爆破開挖方法選擇提供更為完整指導建議。

【參考文獻】

[1]羅濤.液態二氧化碳爆破技術在挖方路基施工中應用研究[B].公路交通科技（應用技術版），2018年，（12）：14-16

[2]張小康，丁亞明.非炸藥爆破破巖展望[A].廣東化工，2017年，44（15）：131-133.

[3]張亞.石方非爆破開挖施工技術[B].四川水力發電，2017年，36（4）：28-29.