靜力爆破施工技術(shù)在隧道基坑開挖過程中的應(yīng)用實踐

文/宛志寰

1 前言

在我國經(jīng)濟建設(shè)飛速發(fā)展的大背景下，城市隧道等交通基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)需求日益增長。在城市隧道開挖過程中，復(fù)雜的地質(zhì)條件、嚴苛的施工環(huán)境等不利情況頻繁出現(xiàn)，施工噪音、機械振動等受到嚴格限制。傳統(tǒng)的機械破除方式施工效率低、施工噪音大，常規(guī)的爆破方式產(chǎn)生的振動、沖擊、飛石等影響難以消除。相對而言，靜力爆破具有對環(huán)境擾動小、爆破藥劑無污染的優(yōu)勢。因此，將靜力爆破施工技術(shù)應(yīng)用在隧道基坑開挖過程中，可實現(xiàn)工程效益的優(yōu)化與提升。

2 靜力爆破的破碎機理

靜態(tài)黏結(jié)劑也被稱為靜態(tài)動力劑，是一種粉末建筑材料，是用特殊硅酸鹽、氧化鈣和某些復(fù)合催化劑按一定比例混合而制成，使用時無須使用炸藥就能打破巖石和混凝土等易碎材料。其動力支撐的原理如下：靜態(tài)黏結(jié)劑與水按一定比例混合后，由于靜態(tài)黏結(jié)劑中的氧化鈣與水的水合反應(yīng)，注入加農(nóng)炮孔后，產(chǎn)生的氫氧化鈣體積可膨脹3～4 倍；與此同時，當(dāng)膨脹壓力超過孔壁的拉伸強度時，會釋放每孔6.5×104j的熱量，從而在孔壁上施加30MPa 至50MPa 的膨脹壓力。在孔壁切向拉伸應(yīng)力的作用下，孔壁產(chǎn)生徑向上升的裂紋，而裂紋擴展導(dǎo)致相互連接，導(dǎo)致巖石斷裂，具有典型的脆性斷裂。因此，靜力破碎機理是基于巖石等易碎材料的物理性質(zhì)。

3 基坑開挖技術(shù)特點

基坑開挖過程技術(shù)運用特點如下:

第一，具有區(qū)域性特點。如果地質(zhì)條件、水文信息和環(huán)境特點存在差異，那么對于基坑開挖提出的要求各不相同。即使同一城市當(dāng)中的工程建設(shè)，地質(zhì)條件也各有不同。因此，基坑開挖之前，需要對施工區(qū)進行全面考察，按照地質(zhì)條件完成施工計劃和方案的制定，保證施工技術(shù)應(yīng)用符合區(qū)域?qū)嶋H情況。

第二，具有臨時性特點。基坑開挖施工階段，臨時性特點體現(xiàn)在基坑支護系統(tǒng)當(dāng)中。該系統(tǒng)所屬連續(xù)結(jié)構(gòu)，和永久性支護系統(tǒng)相對比，在安全系數(shù)、穩(wěn)定系數(shù)等方面呈現(xiàn)出不足。所以，基坑開挖階段，應(yīng)該注意對支護系統(tǒng)全程監(jiān)測，并建立應(yīng)急措施，保證對意外事故能夠及時處理[1]。

第三，影響環(huán)境。基坑開挖會導(dǎo)致周圍環(huán)境受到破壞，同時，開挖施工階段，還會使地下水位發(fā)生變化，地基應(yīng)力場也可能發(fā)生變化。受多種因素影響，基坑會出現(xiàn)不同程度的變形，周圍土體也會受力不均衡，對于地下管道、周圍環(huán)境也會產(chǎn)生不同程度影響。

4 土方開挖基本原則

在挖掘土方前，按照基坑的開挖深度、支撐形式、開挖幾何尺寸、基坑規(guī)模、基坑加固條件和平衡、對稱、分布、分層的原則提出可操作的、詳細的開挖與支撐施工參數(shù)與施工程序。最為重要的施工參數(shù)為一層開挖的深度以及對應(yīng)的開挖層數(shù)，還包括擋墻被動體在完成土地開挖但未進行支撐時暴露的高度、寬度與時間。土方開挖應(yīng)遵循先撐后挖的原則，嚴令禁止超挖。

5 隧道基坑開挖靜力爆破技術(shù)應(yīng)用

5.1 工程地質(zhì)條件及周邊環(huán)境

南京沿山大道一期錦繡路隧道工程場地隸屬丘崗─坳溝地貌單元，主要地層為：一層為近期人工堆填的雜填土和素填土；二層為Q4 沖積形成的新近沉積黏性土；三層為Q3 及以前沖積形成的黏性土（下蜀土）；四層為沖積形成的卵礫石混粉質(zhì)黏土；五層為白堊系上統(tǒng)浦口組（K2P）強風(fēng)化砂巖、中風(fēng)化砂質(zhì)泥巖、中風(fēng)化砂巖。

以樁號K1+995 為界，分界點北側(cè)中風(fēng)化基巖埋深較深，隧道基礎(chǔ)位于黏土層及強化風(fēng)巖層；分界點以南中風(fēng)化基巖埋深較淺，深度約為2～5m，隧道基礎(chǔ)位于中風(fēng)化基巖。巖體強度約50MPa 左右，屬于次堅石。

錦繡路隧道西側(cè)沿線埋設(shè)電力隧道，東側(cè)零星分布建筑物及構(gòu)筑物。電力隧道走向基本與現(xiàn)狀沿山大道平行，結(jié)構(gòu)外尺5.65×3.6m，平均埋深5.6m，與錦繡路隧道平均凈距離約為6.2m。東側(cè)浦廠二村住宅小區(qū)位于規(guī)劃錦繡路交叉口北側(cè)，與錦繡路隧道結(jié)構(gòu)邊線最小距離約為23m。

5.2 錦繡路隧道工程概況

沿山大道一期交通及環(huán)境提升工程全線總長4550m，設(shè)置一條車行長隧道為錦繡路隧道。隧道標準斷面采用雙向六車道，隧道暗埋段長度1260m，北側(cè)敞開段長度140m，南側(cè)敞開段長度160m。

隧道敞開段主體結(jié)構(gòu)采用U 槽結(jié)構(gòu)形式，結(jié)構(gòu)外輪廓寬度27.7～38.2m，采用明挖順作法施工，開挖深度1.19～8.88m 不等。暗埋段采用雙跨矩形框架+中間廊道結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)外輪廓尺寸28.7×7.95m，采用明挖順作法施工，開挖深度8.43～11.37m 不等。

錦繡路隧道敞開段基坑寬度27.7～38.2m，開挖深度1.19～8.88m；暗埋段基坑寬度28.7m，開挖深度8.43～11.37m。本工程場地內(nèi)主要分布有粉質(zhì)黏土及風(fēng)化巖，且地下水較少。根據(jù)基坑開挖深度及周邊環(huán)境，本工程支護樁形式主要分為放坡開挖和垂直支護。

北側(cè)敞開段開挖深度范圍內(nèi)主要為風(fēng)化巖，采用1∶0.5 放坡開挖；南側(cè)敞開段開挖深度范圍內(nèi)主要為填土及黏性土，采用1∶1 放坡開挖。暗埋段開挖范圍內(nèi)主要為填土及黏性土，支護樁采用φ1000@1400 灌注樁；暗埋段開挖范圍內(nèi)主要為風(fēng)化巖，支護樁采用φ800@1600 灌注樁。

5.3 土方石工程爆破技術(shù)的應(yīng)用

5.3.1 鉆孔布置

根據(jù)基坑平面布置形式，選擇由首道混凝土支撐、連系梁、冠梁所圍合的三個相鄰矩形區(qū)塊作為一個預(yù)裂單元。為了降低振動擾動對圍護樁等的影響，預(yù)先設(shè)置掏槽眼、崩落眼和周邊定向致裂眼。首先通過中部掏槽眼預(yù)先致裂巖體，產(chǎn)生臨空面，臨界掏槽眼進一步擴大臨空面；然后通過崩落眼進一步開挖掘進隧道巖體至基坑樁基礎(chǔ)安全半徑范圍；最后通過周邊定向預(yù)裂眼確定石方開挖輪廓線，并保證邊沿平整。

5.3.2 裝藥與堵塞

炸藥填充必須注意以下兩個方面:第一，在裝載前必須采取相應(yīng)的清理措施，以清理垃圾，如泥、石粉等。應(yīng)確保鉆孔中沒有碎片，從而確保爆炸的順利進行。此外，必須相應(yīng)地清理鉆孔，以避免出現(xiàn)諸如爆炸物濕度等問題，這些問題不僅可能影響爆炸效果，而且可能導(dǎo)致安全事故。因此，如有必要，也可以在鉆孔底部鋪上油紙。如果是散裝炸藥，應(yīng)多次裝載，然后壓縮[2]。如果使用藥箱，則應(yīng)根據(jù)相應(yīng)的技術(shù)要求和技術(shù)指標放置藥箱，以確保正確安裝引線。在裝載炸藥后，使用細石粉堵塞裝載炸藥留下的間隙，同時注意長度控制不應(yīng)低于最小電阻線。裝藥時，應(yīng)控制人員進出現(xiàn)場，嚴格禁止非有關(guān)人員隨意進出，明確區(qū)分安全區(qū)和危險區(qū)，并設(shè)置相應(yīng)的警戒線和標志，以提高裝藥安全。工作人員必須具備充分的技術(shù)知識，嚴格控制其行為，并確保有效地履行職責(zé)。相鄰踏板不能在上部踏板爆炸時執(zhí)行其他操作。

5.3.3 在施工過程中控制除塵措施

鉆井過程中產(chǎn)生的粉塵是產(chǎn)生粉塵的主要方式。工程石材部分動力運行中的鉆孔機是先進的集成液壓鉆孔機，該模型比傳統(tǒng)高壓鉆孔機具有較大優(yōu)勢。一是液壓傳動功率輸出穩(wěn)定，鉆孔速度均勻，孔壁光滑。二是大型吸塵裝置與鉆具一同使用，鉆孔清洗方法由原來的吹孔法改為吸孔法，孔內(nèi)的石粉由吸塵器吸入吸塵裝置，并且爆炸時，炮孔附近的巖石被擠壓變形產(chǎn)生小顆粒，但爆炸力主要作用于巖石體，造成大量斷裂，從而使山體碎裂。在施工過程中，可采用下列爆破方法減少粉塵的產(chǎn)生：一是均勻布孔，控制單孔藥物用量和初級起爆粉用量，增加炸藥能量的使用；二是采用微差射技術(shù)；三是根據(jù)巖石的性質(zhì)選擇合適的炸藥，并努力與巖石波浪的阻抗相匹配；四是由于石爆一般位于開闊地帶，產(chǎn)生的少量粉塵在自然條件下會迅速擴散，粉塵由霧氣噴射，不會導(dǎo)致單位面積空氣質(zhì)量急劇下降。

在爆炸結(jié)束時和現(xiàn)場解除警戒后，計劃安排噴砂機在爆炸后將零件澆筑成石塊，以減少在大型顆粒碎石連接過程中以及在火炮機器裝載石塊過程中產(chǎn)生的灰塵。

6 結(jié)語

總之，在基坑土石方開挖過程中，由于會受到周邊環(huán)境以及巖石硬度等因素的制約，需要對靜力爆破技術(shù)加以應(yīng)用。靜力爆破方法不產(chǎn)生震動，沒有飛沙走石，爆破過程不產(chǎn)生有毒有害物質(zhì)，具有對環(huán)境無污染和對周邊環(huán)境無干擾的優(yōu)點，應(yīng)用前景廣闊。另外，爆破技術(shù)具有一定的危險性，對此，相關(guān)施工單位不但要落實好相應(yīng)的技術(shù)控制，還要實行安全管理，在整個爆破流程中對其進行監(jiān)督，杜絕安全事故的發(fā)生。