靜力爆破在文物保護工程中的應用

董小衛

摘要：北京人遺址管理處第1地點（猿人洞）保護建筑工程石方開挖過程中部分地段為堅硬巖石，由于距離文物本體較近、周圍環境受限且普通破碎方法振動較大，經過方案對比采用了靜力爆破施工工藝，采取綜合性技術措施，取得了較好的效果，在文物安全、環境保護、工期和成本等方面得到了保證。

關鍵詞：文物保護;環境污染;振動

一、前言

現階段，工程上的巖石破碎方法眾多，其中使用頻率比較高的有以下幾種：人工破除法、靜力爆破法、爆破法等，這些方法有著各自的優缺點。在文物保護地區進行石方開挖是非常復雜繁瑣的工程，操作難度大，如果使用傳統的人工破碎不僅需要投入大量的人力資源，且開挖效率也比較低，甚至可能延誤工期。機械破碎法是目前工程建設中應用較為廣泛的一種方法，適用于大塊石頭的二次破碎;然而此類方法有著較大的局限性，比如噪聲大，粉塵多，不利于環保，因此，并不適用于堅硬石灰巖的開鑿[1]。與以上兩種方法相比，爆破法施工最為經濟快速，但根據《文物保護法的》規定不允許使用此方法。綜合考慮只能選擇適宜在復雜環境條件下的靜力爆破法。該方法無震動、無噪音、無有毒物產生，容易使用操作，具有經濟和高效的特點。

二、工程概況

工程位于北京市西南房山區周口店鎮龍骨山北部，周口店遺址是舊石器時代早期的人類遺址，為全國重點文物保護單位。周口店遺址第一地點（猿人洞）保護建筑為一單層鋼結構網殼罩棚，網殼長軸向跨度為83.0 m，橫向最大寬為50.0 m，保護區域約2878 m2，工程總建筑面積約3487 m2，空間網殼由圓鋼管相貫焊接而成，鋼管材質Q345C，通過山頂和山腳兩排支座進行支撐，基礎高差約35 m。網殼結構罩棚基礎分山頂和山腳兩部分，基礎型式為抗推條形基礎。

山腳基礎總體均呈長條弧線形。山腳為寬6.0 m，長度約30 m，深度6～7 m和寬度6.0 m，長度約8 m，深度為7～8 m的兩個長條弧線形基礎。山頂基礎為寬4 m，長度約20 m，深度4～5 m的長條弧線形基礎[2]。

三、靜力爆破的原理

靜力爆破是一種新型的爆破手段，其核心思想是：首先在巖石上鉆孔，之后在其中灌注靜力爆破劑，爆破劑會在短時間內迅速膨脹，由此促使巖石產生裂縫。對于無法使用機械破碎或爆破手段的山體，靜力爆破法無疑是一種非常理想的選擇。靜力爆破劑又叫無聲破碎劑，它是一種經過特殊工藝制備的無機化合物，其主成分是氧化鈣，當該物質與其他添加劑、水混合時，能夠在較短時間內逐漸膨脹，其物理形態為粉狀。靜力爆破劑不屬于危險品，在購買、運輸、保管時無需辦理相關的許可證，因此使用起來非常方便。靜力爆破劑的主成分為氧化鈣，另外還包含有鋁、鎂、鐵等物質。在使用時，只需要在其中添加適當的水，然后灌注至孔道內，在水的作用下，該化合物溫度逐漸升高，并伴隨著膨脹力的產生，在該力力的作用下，孔壁介質產生軸向應力，當拉應力超過孔壁介質抗拉強度時，孔道之間開始產生裂隙，當縫隙擴大到一定程度時，會進一步引起巖體破裂。一般在0.5 h后開始出現裂縫，需要指出的是，在采用這種方法時，孔徑、孔距應平行于臨空面，這樣才能夠在最大程度上破碎山體[3]。

四、靜力爆破施工工藝和技術要求

（一）鉆孔施工

在巖石鉆孔主要采用空壓機和鑿巖機（見圖1）。

（二）攪拌方法

膨脹劑每袋為40 kg，加入1.6 kg左右的干凈水。當環境溫度較高時，水的重量可適當增加，另外，不同規格的無聲膨脹劑，加入的水量也不同。水的重量不能過多也不能過少，否則都會影響破碎效果。在實際操作中，可以采用機器攪拌，也可采用手動攪拌;如果采用前一種方式，則先倒入水后放入無聲膨脹劑，持續攪拌50 s左右直至其充分混勻。小型場合用人工攪拌，叫吧時間相應的延長，確保混合物為“粥”狀漿料。當桶底出現結塊時，要采取措施及時處理。結塊放置時間越長，其性能越弱，則不能達到爆破效果。當環境溫度較低時，要加入熱水攪拌，如此才能縮短其水化時間[4]。

（三）灌孔

制備好漿體后，應在十分鐘內用完。放置的時間越久，其流動性能越差，灌孔難度也就越大，

1. 對于垂直孔，倒入后要使用鐵絲插搗。此舉有兩個目的：（1）防止填的太滿，造成資源浪費[5]。（2）確保填充密實，提高其爆破力。在這一操作過程中，孔口預留空隙應為8 mm。

2. 對于水平孔，首先要將其拌成膠泥，然后搓成條塞入孔，這樣可以避免出現漿體倒流的情況，填滿孔洞后，用木棍搗壓密實。

3. 多排孔。主要用于大體積巖石的破碎。采用此種方式時，由于周邊的孔不受約束，而中間的孔受限制較大，故而灌入膨脹劑時要循序漸進，不能同時灌孔。先灌邊沿一、二排孔，經10～12 h以后，再灌三、四排孔，具體情況如下圖2所示。

4. 養護

在春秋、夏季，灌入填充劑后通常不覆蓋，對于出現裂紋的情況，可用水灌縫，以最大程度地縮短膨脹時間。如果是在冬季，則用熱水攪拌，如果環境溫度過低，那么可以加入適量的CaCl2，即當水的體積為1500 mL時，CaCl2的重量應為80 g左右，之后倒入膨脹劑，為了使其溫度維持在一個比較恒定的狀態，應進行覆蓋[6]。

五、無聲膨脹劑的噴出

引起該現象的因素眾多，總的來說有以下幾方面的原因：

（一）選擇的膨脹劑規格不適宜，這樣會容易出現膨脹劑噴出。

（二）環境溫度過高，比如夏季在中午灌孔。

（三）孔徑尺寸不符合要求。

（四）無聲膨脹劑質量不達標。

該現象的產生機制是：無聲膨脹劑水化時產生大量的熱，而由于受到周圍物體的制約，使得溫度在較短的時間內快速上升，當超過100 ℃時，未水化的水便沸騰，由此形成的蒸汽壓發展到一定程度時就會形成噴出。

六、施工注意事項

在施工過程中，需注意以下幾方面的問題：

（一）藥劑反應時間的控制

反應時間會受到外部環境溫度的影響，兩者呈顯著的正相關關系。在具體施工時，可采用兩種手段來控制反應時間：首先在拌合水中加入適當的抑制劑，這樣會在一定程度上延遲反應時間。其次是控制拌和水、和巖石的溫度，這樣也能達到比較好的控制效果。夏季氣溫較高，破碎前要對施工地點和藥劑進行覆蓋處理，防止其溫度過高。拌合水溫度應當不超過15 ℃。在實際操作過程中，通常會出現因藥劑反應時間過快而引起的沖孔現象，這會給威脅到操作者的生命安全，因此可用延緩反應時間的抑制劑。冬季為了縮短藥劑反應時間，提高施工效率，可加入促發劑和提高拌和水溫度。水溫應在50 ℃以內。通常反應時間不低于30 min，不超過60 min，在某些情況下可適當縮短反應時間，以提高施工效率。

（二）質量控制

主要包括如下幾個方面：

1. 靜力爆破劑的質量控制

對于施工材料應要嚴格按照相關標準進行審核，如果材料的質量不達標則不予使用。

2. 打孔質量控制

在施工過程中，要結合工程實際情況，編寫實施性施工方案，在此基礎上來確定出孔的位置，孔的相關參數要符合規定。孔直徑應不小于38 mm，不超過42 mm。

3. 裝藥的質量控制

結合實際需要并經過對比分析，選用無聲破碎劑型號SCA-I。在具體的施工過程中，嚴防邊打孔邊裝藥，打孔、裝藥均要一氣呵成。此處還需要注意的是，禁止打孔完成后立即裝藥。孔的溫度降低并進行清洗后才能裝藥。在操作的過程中，如果藥劑已經發生化學反應，那么不宜繼續使用。

4. 藥劑反應時間控制

時間應當不低于0.5 h時，不超過1 h，并結合場地實際情況控制相關參數。

（三）安全措施

施工時，由于材料具有一定的危害性，因此作業人員要做好防護措施，戴防護手套和防護眼鏡。破碎過程中，操作者要距離現場一段距離，以防止出現安全事故。另外還需要注意的是，嚴禁鉆孔與注入破碎劑同步施工。如果在破碎過程中出現異常，那么要徹底解決問題后才能繼續施工。灌入藥劑時面部不能與孔過近。出現裂隙時要與現場保持適當的距離。在實踐中，通常會出現藥劑濺人眼內和皮膚上的情況，這會對人體健康帶來危害，因此在施工前要準備清水，用水沖洗藥劑。特殊情況下要將傷者送醫院清洗治療[7]。各類添加劑的量應當嚴格按照標準配備，同時避免擅自加人其他任何化學物品。藥劑與水混合后不能放入容量過小的容器中。孔鉆好后，要進行清洗并進行降溫處理才能倒入藥劑。藥劑在存放和運輸過程中要避免受潮，使用時盡量一次性用完。另外還要注意，藥劑應單獨存放。作業員應當熟悉作業流程，充分掌握藥劑使用方法[8]。

七、結語

由于施工環境的影響，結合本工程的實際情況并通過對比分析，確定了靜力爆破的施工工藝。

這種方式不僅安全可靠，而且能提高施工效率。施工成本得到了降低，且爆破效果良好，因此是文物保護施工中的理想選擇。

文物是今天社會物質環境和文化精神環境的重要組成部分。對文物的保護是對歷史、文化的保護，是對社會共同記憶和利益的保護，也是對優秀文化傳統的傳承。文物保護是一項公共事業，每個人都應積極承擔其保護文物的責任。

參考文獻：

[1]周口店北京人遺址管理處.周口店遺址保護工程報告[M].文物出版社， 2013.

[2]中國文化遺產研究院.中國文物保護與修復技術[M].科學出版社， 2009.

[3]文君.巖土工程施工對環境的污染與可持續發展[J].工程勘察， 2010（S1）：818-821.

[4]宗維君.靜力爆破施工工法的探討[J].產業與科技論壇， 2012（6）.

[5]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（07）.

[6]宗維君.靜力爆破施工工法的探討[J].產業與科技論壇， 2012（06）.

[7]楊晟釗，林盛，李慧.復雜環境中深基坑的爆破開挖[J].青島理工大學學報， 2008（06）.

[8]劉武.周口店人類化石與中國古人類連續進化學說的形成和發展[J].化石， 2019（04）.