強巖溶發育谷地與丘陵谷地輸水工程靜力爆破施工技術

唐玉婷

【摘 要】廣西建工集團第五建筑工程有限責任公司將一種新型的針對強巖溶發育谷地與丘陵谷地輸水工程的靜力爆破施工技術應用到古償河原水輸水工程中，取得較好的施工效果。文章以古償河原水輸水工程的靜力爆破施工為研究對象，闡述了靜力爆破施工技術的關鍵點，可為今后類似工程的施工提供借鑒。

【關鍵詞】強巖溶發育;輸水工程;靜力爆破

【中圖分類號】P642.25;X43 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2019）06-0070-03

0 前言

隨著我國基礎建設的不斷推進，許多邊遠山區已經實現戶戶通水通電，居民的生活質量大大提升。但是，在廣西的個別山區，受喀斯特地貌的影響，其強巖溶發育谷地與丘陵谷地地質條件給輸水工程帶來極大的困難。輸水區域石山環抱，附近有村莊民房，局部有高壓電塔，若采用爆破施工，有可能引起重大地質災害及地下溶洞崩塌;若采用非爆破式挖掘破碎技術，大型機械又無法開進崎嶇山路;若采用人工作業，則施工進度緩慢，無法滿足生產要求。針對處于喀斯特環境的強巖溶發育谷地與丘陵谷地地質條件的輸水工程，采用全新的靜力爆破施工技術可以有效地解決上述問題。

1 工程概況

廣西柳州市柳東新區水廠古償河原水輸水工程位于廣西柳州市鹿寨縣，取水點在古償河，位于柳州市鹿寨縣桂柳高速與G323國道交匯處附近～洞光村東部600 m處，場地宏觀地貌屬強巖溶發育谷地與丘陵谷地地貌（如圖1所示），E3+900～E11+650為丘陵谷地地貌。丘陵谷地一般呈形態出現，丘頂標高為217.00～238.00 m，谷地標高一般為103.00～143.00 m，巖溶谷地標高一般為103.00～119.00 m，設計的管線主要沿強巖溶發育谷地與丘陵谷地通過，谷地地帶坡度平緩，坡度一般為1°～3°。

2 施工方法選擇

2.1 施工方法選擇

兩岸為喀斯特強巖溶發育地區與丘陵谷地，有樁號（E0-E50～E11+650）E段的管線。施工范圍的巖石新鮮，質硬性脆，鉆探巖芯多呈柱狀，巖層基本質量等級為Ⅲ、IV類。因場地狹小，所以無法采取機械破碎法施工，而且單位面積上石方方量較小，采用火工炸藥爆破需要采用安全措施，并且需上報公安及安監部門審批，審批程序復雜、周期長。本施工爆破作業點采用常規露天爆破，施工過程中不能有效保證周圍環境安全，屬于不允許出現飛石的高壓輸電線及密集民宅旁的破碎施工。為此，經參建各方會議決定，采用靜力爆破法施工。

2.2 靜力爆破的特點

（1）操作簡單，易于管理，在購買、運輸、保管方面無任何限制，可按普通貨物進行管理。

（2）在破碎施工中不會產生震動、噪聲、污染及飛石等。同時，施工使用的靜力爆破劑不屬于危險品，可以隨時使用。

2.3 適用范圍

（1）場地條件特殊，無法使用巖石破碎機械設備，不允許或不適宜使用炸藥，但是又需要破除巖石的工程。

（2）不允許出現飛石的鐵路線路、通信光纜、高壓輸電線旁及公共場所等施工環境。

（3）不允許強烈震動的巖石破碎施工，例如文物搶救保護工程、危急邊坡險情的處理、密布既有管線周圍地下工程。

（4）不允許出現聲響的破碎施工等。

（5）要求完整性的工程，例如保留部分巖石完整，要求結構強度與原工程一致。

（6）貴重巖石開采，名貴石料切割。

3 工藝原理

3.1 基本工藝原理

在對巖石進行人工造孔后，靜力爆破劑發生膨脹，促使巖石脹裂，最后產生裂縫。使用風鎬對其破除，最終達到施工破碎的目的。

3.2 破碎機理

（1）使用本技術時，需使用靜力爆破劑進行破碎作業，靜力爆破劑的成分及原理與炸藥完全不一樣，本方法提及的破碎劑在被破碎體內會發生一系列的化學反應，同時存在大量的物理變化，包含特殊晶粒發生變形、體積發生變化、溫度逐漸升高，伴隨著體積的增大，對孔壁的膨脹壓力也逐步增大，導致介質最終因龜裂而完全解體。

（2）巖石屬于脆性介質，它的抗拉強度在5～10 MPa，本技術使用的無聲破碎劑膨脹壓力較大，為30～50 MPa，是巖石最大抗拉強度的5倍以上，在靜力爆破劑發生作用時，它周圍的介質因一系列受力情況的改變而產生拉應力，該拉應力屬于周向拉應力，此應力值隨著反應的增強而不斷增大，最終達到介質的抗拉強度，當超過抗拉強度時，介質預留的孔中會產生裂隙，因為膨脹壓力不斷增大的過程比較緩慢，所以會慢慢導致裂隙逐步擴展，一步一步地成為相對較大的新裂縫，最終介質被完全破壞，達到施工目的。

3.3 化學原理

將施工中需要使用到的特殊硅酸鹽、氧化鈣等物質為作為本反應的主要原料，同時配合其他的反應材料，例如有機及無機的添加劑等，制成靜力爆破劑，它的化學反應公式如下：

CaO+H2O→Ca（OH）2+6.5×104 J

在以上化學反應式中，主要物質氧化鈣遇水變成氫氧化鈣時，它的晶體結構會發生較大變化，即由立方晶體轉變成為復三方偏三角面體，形狀完全改變，這種晶體與晶體之間的轉化，會引起原來晶體的體積發生較大的膨脹，最終擠破巖石，達到施工目的。根據權威機構測定，晶體自由膨脹時，反應后的體積可增長3倍以上，同時表面積變大100倍以上，還能釋放出大量熱量，每摩爾可達到6.5×104 J。如果將它注入事先設置好的空隙內，由于膨脹反應受到孔壁的狹小空間的約束，其壓力會迅速增高，達到50 MPa以上，巖石介質在這種壓力的作用下，將無法抵抗，其內部受力情況會發生巨大改變，進而產生一系列的徑向壓縮應力和切向的拉伸應力。人工造孔如圖2所示。

4 施工工藝流程及操作要點

4.1 工藝流程圖

工藝流程圖如圖3所示。

4.2 操作要點

（1）在進行破碎作業之前，施工隊組應對巖石有一定的了解，如巖石額性質、節理、工期要求、工程量、破碎程度、氣候條件、走向和地下水情況等，都要一一進行詳細調查。其中，本試驗所用到的鉆孔參數、鉆孔分布及最終的破碎順序等都需要根據破碎物體的實際情況（巖石屬性）確定。

（2）設計布眼。布眼工作開始前，要先確定巖石的情況，確保巖石滿足施工時需具備一個臨空面的要求，同時在作業鉆孔過程要注意對方向的把控，與臨空面保持平行，存在的自由面越多，則說明一定單位內的破石量越大，產生的經濟效益越高。如果施工中巖石硬度大，則孔距及排距就要小一些，兩個條件互為相反，它們的關系見表1。

（3）鉆孔。巖石的鉆孔直徑對施工能否順利進行至關重要，破碎效果也取決于此，如果鉆孔過小，藥劑放得太少，會影響藥劑反應的效果;但是如果鉆孔太大，孔口又很難填滿藥劑。本工程施工中使用直徑為38～42 mm的鉆頭，為統一標準，以40 mm為宜。使用前，必須清理干凈鉆孔內的余水和余渣，孔口旁要保持干凈整潔。

（4）鉆孔深度和裝藥深度。處理孤立的巖石時，鉆孔深度要嚴格控制，對體積非常龐大的巖石，或者遇到特殊情況時，必須分步破碎，而且要進行事先評估，對鉆孔的深度要慎重選擇。一般根據不同的施工要求，在1～2 m是比較理想的鉆孔深度。裝藥深度若能達到孔深的100%為最佳，一定要確保填滿。

（5）裝藥。如果施工中遇到向下及向下傾斜的眼孔，由于形狀已經無法改變，可以在反應藥劑中摻入25%左右的水，同時攪拌均勻，在拌成藥劑呈現流質狀態后，應趁藥劑沒有高速反應前迅速倒入事先已經開好的孔內，同時要確保藥劑都在孔內且處于完全密實的狀態。無論藥劑是粗顆粒還是細顆粒，都要注意配比：粗顆粒藥劑水灰比需調節到25%時，各項指標如流動性等較好，細顆粒藥劑制成的水灰比為 32%左右時，各項指標較好。

在遇到水平方向或向上方向的鉆孔時，建議選擇其他尺寸的器械（使用比鉆孔直徑略小的為宜），可以在高強長纖維紙袋中裝入一定量的特殊藥劑，將其放入盆中，同時及時倒入純凈水對其完全浸泡，等1 min左右，等待藥卷完全濕潤，取出該藥卷從孔底開始進行深加工，最后逐條裝入，并用小棍子捅緊，直至密實地裝填到孔口不能再填入為止。與此同時，可攪拌藥劑，并配制一定比例的灰漿將其壓入孔內，最后孔口用濕潤的黃泥封堵完畢，保證藥劑不流出即為合格。

每次裝填藥劑后，應當及時觀察數據，確定溫度符合要求，溫度過高或過低都會導致施工失敗。在整個施工的灌裝過程中，要時刻注意對于已經開始發生化學反應的藥劑，不能再裝入孔內，否則會發生安全事故。藥劑反應過程中，要加入拌合水保證其反應順利，直至灌裝結束，整個過程控制在6 min為宜。

（6）藥劑反應時間的控制。如果藥劑溫度高，反應時間快，所需反應時間短，反之時間長。我們在實際施工時，藥劑的反應時間是可以控制的。具體方法有兩種：第一種是加入抑制劑，即在拌合水中加入特殊的抑制劑，使其反應變慢。另一種方法是在施工中嚴格控制拌合水和藥劑的溫度。如果工程在氣溫較高的夏季進行，必須對藥劑嚴格看管，確保其低溫存放，避免曝曬。拌合水溫度在15 ℃以下為宜。抑制劑加入量最少為0.5%，最大為6%。冬季施工時，拌合水的溫度最高不能夠過50 ℃，反應時間視具體工況而定，一般為30～60 min。

5 結語

采用靜力爆破施工技術，能對強巖溶發育谷地與丘陵谷地的山石進行開挖，具有安全、高效及不受場地制約的特點，特別適合在廣西及類似的喀斯特地貌地區的山石爆破施工中使用。廣西建工集團第五建筑工程有限責任公司成功地將該項技術使用在輸水工程的管線開挖過程中，為以后類似工程的施工積累了大量寶貴的經驗。

參 考 文 獻

[1]郭偉，張海波，高俊合.靜力爆破施工工法[EB/OL].http：//jz.docin.com/p-378421308.html，2019-05-24.

[2]潘小龍.簡述工程爆破新技術——靜力爆破[J].中小企業管理與科技（下旬刊），2009（7）.

[3]楊國梁，楊軍，姜琳琳.框-筒結構建筑物的折疊爆破拆除[J].爆炸與沖擊，2009（4）.

[責任編輯：鐘聲賢]