復雜環境下大方量靜力爆破施工技術研究及應用

樂國成 （中鐵十六局集團第三工程有限公司，浙江 湖州 313000）

0 前言

目前國內外不少研究人員在膨脹破碎機理、膨脹壓力測試方法、膨脹破碎效果影響因素等領域對靜態爆破技術進行了大量深入的研究，雖然取得了豐碩的成果，但現階段靜態爆破鉆孔直徑小（一般為32mm～50mm）、膨脹壓力小、作用時間長、布孔密集、后續破碎工作量大等缺點、缺陷，影響了施工安全和施工進度，也限制了靜態爆破施工技術的推廣應用。

由該工程特點與難點，不難得出，為保證該工程的順利、安全施工，有必要進行專題立項研究。同時，針對復雜環境下大方量靜態爆破施工技術的研究，分析不同巖層特性，分析破碎原理，應用增大孔徑來提高膨脹力，合理選擇鉆孔機械及鉆孔間距布置，并采用合理的堵塞方式防止沖孔，通過系統的理論研究和工程實踐，形成了一整套復雜環境下大方量靜態爆破施工關鍵技術，實現復雜環境下大方量靜態爆破施工技術的重大突破，為今后類似條件工程建設提供了可資借鑒的工程實例。毋庸置疑，本課題的立項研究的必要性及意義皆為重大。

該技術的應用不僅有效提高靜態爆破效率，且安全系數高，特別適用于破碎量大、臨空面不足的工程當中。

1 工程概況

溫州繞城高速公路西南線第10標段瑤山路塹開挖段起點樁號ZK42+613，終點樁號ZK43+823，路塹長度210m，最大高差38.02m，根椐設計圖紙要求，本段路塹分四級開挖，第一級至第三級取10m，第四級開挖至頂，級間設置2m的平臺，由上而下坡率分別為1:1.0、1:1.0、1:1.0、1:1.25。施工內容包括：山體清表、土方開挖，機械破除開挖，靜力爆破開挖，石渣及廢料外運。施工工期不超過300t，且業主要求采用靜態爆破開挖。總方量約20萬方，其中土方約6萬方，石方約14萬方。

2 工藝原理

2.1 靜態爆破的破碎機理

靜態破碎劑又名靜力爆破劑，是一種不使用炸藥就能使巖石、混凝土等脆性材料破裂的粉狀工程施工材料。它的主要成分是特殊硅酸鹽、生石灰(即氧化鈣)，還含有一些按一定比例摻入的化合物催化劑。其爆破介質的原理就是：把靜態破碎劑與水按一定比例拌和成漿體后裝填至炮孔中，因靜態破碎劑的氧化鈣與水發生水化反應，生成了在自由膨脹的前提下體積可以膨脹3～4倍的氫氧化鈣，同時每摩爾還釋放出6.5×10J的熱量，從而給孔壁施加30MPa～50MPa的膨脹壓力，當膨脹壓力超過了孔壁巖體的抗拉強度后，就會在孔壁切向拉應力的作用下使孔壁產生徑向漲開的裂紋，并使裂紋進一步擴展產生相互連接而導致巖石解體破壞，呈現典型的脆性斷裂。故靜態爆破的破碎機理建立在巖石等脆性材料自身具備的物性之上。

破碎劑的典型化學反應式為：

工作機理如圖1所示。

圖1 工作機理示意圖

2.2 靜力爆破施工工藝原理

在以上靜力破碎劑作用機理的前提下，對于大方量石方爆破施工，其施工工藝原理為：在需要爆破的石方表面按照設計圖紙規定的孔距、孔深及打孔方向，通過機械鉆孔，然后在鉆孔內裝填破碎劑，在靜力爆破劑產生的膨脹力作用下，使巖石脹裂、產生裂縫，再配合炮頭機工作，使巖體解小、破除達到開挖目的。

3 施工工藝流程及操作要點

3.1 施工工藝流程

如圖2所示。

圖2 施工工藝流程

3.2 施工操作要點

3.2.1 總體爆破走向布置

對于大方量石方山體開挖，需要根據現場實際環境、設計斷面形式，并綜合當地地形地貌條件，諸如巖石性質、節理、走向及地下水情況，選擇總體爆破（剝離）走向、分析最大臨空面、鉆孔參數、鉆孔分布和破碎順序。

若路線走向需要求開挖山體坡腳的情況，靜態爆破走向選擇應選取最大臨空面，并背向臨空面方向層層破碎剝離山體坡腳至設計邊坡，見圖3所示。若是路線走向正好穿越山體，需要開挖中間山體石方的情況，則可依靠靜態爆破預先制造最大臨空面，使形成面向兩邊邊坡、背向原山體臨空面凹向的兩個臨空面，并逐步向里層層剝離，不斷擴大臨空面，直至設計邊坡，如圖4所示。

圖3 坡腳靜態爆破

圖4 全山體靜態爆破

3.2.2 設計布眼

一般情況下，爆孔按矩形或梅花形布置。孔距、排距的大小根據巖石的軟硬程度、破碎劑的種類、臨空面數量等因素有關，孔距一般為鉆孔直徑的5～15倍或抵抗線的1.8～2.0倍。排距則由孔距和自由面等因素決定。巖石硬度越大，孔距、排距越小。臨空面（自由面）越多，單位破石量越大，爆破效果也更好。布眼時，同一排鉆孔盡可能保持在一個平面上，鉆孔方向盡可能與臨空面平行。一般情況下，孔距與排距布置可按照如下表所示。

3.2.3 鉆孔

①鉆孔作業擬采用直徑為42mm的鉆頭進行。根據以往的施工經驗，孔徑過小，限制了破碎劑裝入量導致膨脹作用力較小；孔徑過大，又容易發生沖孔傷人事故。

②鉆孔完成后，把高壓風管伸進孔底吹干凈孔底積水、浮渣，同時為了避免裝藥時孔口石塊掉入孔內堵塞孔道，要保持孔口一定范圍內無土石渣堆積。

3.2.4 鉆孔、裝藥深度設計

一般情況下，鉆孔孔深由爆破臺階高度H及巖石的堅硬程度等因素決定，對于低硬度巖體取L=1.0H，中硬、堅硬度巖體取L=1.05H。裝藥深度為孔深的100%。

3.2.5 裝藥

①采用分組同步裝藥的方式。每個裝藥小組由2名裝藥手組成，各司其職，其中一個人負責拌藥、裝藥入孔，另一個人負責搗實和對孔口保護。各裝藥小組遵循“少孔多組，同步裝藥”的原則，即：每組人員嚴格控制單次裝孔數量，每次拌藥量不超過實際能夠完成的裝藥量；各組裝藥人員在取藥、加水、拌和、裝填過程中基本保持同步，以便讓每個鉆孔內的最大膨脹壓能夠基本保持同期出現，有利于巖石的破碎。

②本工程采用顆料藥劑破碎劑。裝藥前，根據破碎劑顆粒大小確定加水量的多少，一般在藥劑中加入22%～32%(重量比)左右的水，以便把破碎劑拌成流質狀態（糊狀）后方便裝灌入孔內。裝藥時，要迅速將流質狀態的破碎劑倒入孔內，并搗實保證藥劑在孔內處于密實狀態。

圖5 臺階爆破參數及炮孔布置示意圖

靜態破碎劑布孔設計參數表

③當發現巖體產生裂縫后，立即向裂縫中加水，以保持藥劑持續反應，增強破碎效果。

④裝藥過程中，發現已經溫度升高異常或開始冒氣的藥劑嚴禁裝入孔內。嚴格控制從藥劑加入拌和水到裝藥結束的整個過程時間不超過5min。隨時注意觀察已裝填孔的情況，發現有沖孔危險時，立即停止裝藥，并疏散人員至安全處。

⑤裝填地下水位以下的鉆孔時，先將套筒插入鉆孔內，然后往套筒內裝藥，從而使藥劑發揮最大地效力。

3.2.6 藥劑反應時間控制

實踐證明：藥劑反應速率過快容易發生沖孔傷人事故，一般情況下控制藥劑反應時間在30min～60 min之間效果比較好。為此，在靜態爆破施工中經常采用下列兩種方法來控制藥劑反應的速率：一種是在拌合水中摻入一定數量延緩反應時間的抑制劑，摻入量一般按拌和水總量的5%～6%考慮，同時嚴格控制拌和水的溫度不超過15℃。另一種是采取有效措施降低干粉藥劑和巖石的溫度。夏季施工時，氣溫較高，爆破時對被爆巖體進行遮擋，避免陽光曝曬；冬季施工時，氣溫較低，可采取加入促發劑和適當提高拌和水溫度的方法，但拌和水溫最高不超過50℃。有條件的施工現場，可根據實際情況適當縮短反應時間，以利于加快施工。

4 注意事項

4.1 鉆孔質量控制

由有資質的技術人員，根據實際調查情況編寫實施性施工方案，并嚴格按照審批后的爆破方案進行實施。鉆孔前，技術人員嚴格按照設計圖紙要求對孔距、排距、孔深、角度等施工技術參數進行核實，確認無誤方可交給施工班進行鉆孔作業。鉆孔時，鉆孔人員嚴格按設計圖紙要求的孔距、排距、角度等爆孔技術參數進行鉆孔，確保爆孔位置、孔深和角度的誤差控制在規范允許范圍之內。

4.2 裝藥的質量控制

裝藥前，先將所有鉆孔采用高壓風管插進孔底進行清孔，保證孔底無浮渣，孔深滿足要求，并待孔壁溫度降到常溫后方可裝藥。裝藥時，發現已經開始發生化學反應的藥劑應廢棄，嚴禁裝入孔內。

4.3 藥劑反應時間的控制

藥劑反應時間一般控制在30min～60min，不能太短，以免發生沖孔傷人的安全事故，具體的藥劑反應時間，可根據現場的施工條件，通過試驗測定。

圖6 邊坡施工效果

5 結論

①靜態爆破所使用的破碎劑不同于傳統炸藥，施工全過程無需布設雷管炸藥，是安全的非爆炸危險品，無強烈沖擊波、無瞬間高能高溫、無飛石；并且無需辦理傳統炸藥所需的各種許可證等手續，減少施工前的準備時間，提高工程進度。

②施工過程中，不產生大量粉塵、毒氣，無聲、無振動，對周邊居民、企業的正常生產生活無不利影響，是爆破施工中最為環保無公害的施工方法。且能對開采巖石的石材成材率較傳統爆破方法提高3～4倍，對大型工程的移挖做填、石料再加工，有著積極的經濟效益。

③根據不同結構物或石方山體節理發育特征，選擇適當的孔距、孔徑及炮孔角度，能夠有效地解體、切割巖石和混凝土結構。對于大方量石方山體，在靜態破碎劑快速起裂（一般在裝藥30min）后，再配合破碎錘及挖掘機，能夠迅速層層剝離巖體，以達設計要求。