水庫除險加固工程中靜態爆破技術的應用探討

楊麗娜

(烏魯木齊鑫盛開源工程項目管理有限公司，新疆 伊犁 835000)

1 問題的提出

由于設計施工條件等的限制，水庫大壩施工機械設備缺乏，基本依靠人工填筑夯實，密實度與回填質量無法保證，竣工運行后壩體必將出現滲漏和沉陷等質量缺陷，泄洪洞、閘室機電設備也會出現不同程度老化，必須加固處理。在水庫除險加固施工過程中，經常面臨拆除部分水工混凝土建筑物或拆除新建水工建筑物附近舊建筑結構等情況。考慮到拆除過程中所保留建筑物結構的安全性，通常采用風鎬、鉆孔脹楔、液壓破碎錘等機械及人工拆除技術，雖然能達到保護既有建筑的要求，但是施工時間長、工效低、施工成本高，一些拆除機械的使用會受到拆除現場地形和既有建筑的制約。所以，對于工期緊、地形復雜的水利工程既有建筑拆除過程中傳統施工技術的應用受到很大限制，為此，可以考慮采用靜態爆破技術進行病害導流墻混凝土結構等的拆除，既能充分保證周圍建筑結構的安全，又能加快施工進度，控制拆除施工成本。

在靜態爆破施工過程中，靜態破碎劑類型的選擇和用量的確定是靜態爆破拆除效果控制的重點，與常規炸藥不同的是，靜態破碎劑主要應用種子原理實現對硬度較大巖石和混凝土構筑物的破碎。氧化鈣是靜態破碎劑中較為重要的成分，其主要發揮化合物催化劑的作用，即通過氧化鈣和相應化合物的充分混合，并按設計比加入水后便會發生化學反應，導致靜態破碎劑溫度快速升高、體積快速發生膨脹，膨脹后的壓力傳遞至孔壁后還會持續且迅速增大，從而在相對安靜的狀態下實現對巖體和混凝土等硬質物質的破碎。

2 水庫除險加固靜態爆破方案設計

水庫拱壩壩體所出現的橫向及水平裂縫加固處理施工過程中，必須確保拱壩穩定，盡可能避免基礎開挖爆破對拱壩可能造成的不利影響。考慮到靜態爆破技術具有振動小、煙塵少、飛石少、施工擾動小等優勢，決定對水庫拱壩壩基進行靜態爆破開挖，基巖在靜態爆破劑的作用下發生漲裂，再由施工人員通過沖擊錘或風鎬進行敲擊與破除，達到壩基基層開挖的目的[1]。

2.1 爆破鉆孔參數確定

為保證爆破效果，必須根據水庫拱壩壩基地質條件、開挖具體要求等進行孔徑、孔距、排距、爆破劑填裝量等參數設計，地層巖性與爆破鉆孔參數的對應關系詳見表1[2]。

表1 爆破鉆孔參數

水庫拱壩壩基巖層主要是砂礫石板巖、泥質板巖等中硬質基巖，所以壩基靜態爆破主要參數設計如下：

1)孔徑：靜態爆破孔孔徑對破碎效果影響較大，若孔徑過小，則爆破劑力無法充分發揮，若孔徑過大，則很容易發生沖孔，結合水庫拱壩壩基巖層等級及開挖要求，確定孔徑為50mm。

2)孔距與排距(抵抗線距離)：爆破孔的間距應根據巖層硬度確定，且與巖層硬度反方向變動，硬度越大則爆破孔間距越小，由于水庫壩基巖層主要為砂礫石板巖、泥質板巖等中硬質基巖，故確定孔距為200mm。靜態爆破孔排距(抵抗線距離)主要根據自由面距離、基巖硬度、混凝土強度和布筋等情況確定，自由面抗線少，基巖硬度越大，混凝土強度越高，布筋越密則排距寬，根據水庫壩基自由面情況，確定孔排距為150mm。

3)起爆順序與布孔：布孔前必須確定自由面，并保證鉆孔方向平行于自由面，壩基巖石切割時同一排鉆孔必須位于同一平面。爆破開挖遵循先外圍后中間、先上后下、先角后邊的次序，確保爆破效果，防止無序爆破對其他結構的破壞[2]。靜態爆孔的布設應該綜合考慮孔位、孔距、孔形、結構強度、起爆順序等方面，考慮到水庫拱壩壩基巖層特性以及起爆次序，為提升爆破效果，降低對自由面的影響等，水庫除險加固工程靜態爆破孔按梅花形布設，詳見圖1。

圖1 爆破孔布設示意圖

2.2 靜態爆破劑的確定

靜態爆破劑主要以硅酸鹽和氧化鈣為原料，配合以其他添加劑而制成，氧化鈣遇水變成氫氧化鈣后，其晶體結構因改變而體積膨脹至原來的4-5倍，表面積將增加至少100倍，同時釋放出每摩爾6.8×104J熱量，將靜態爆破劑注入炮孔后所發生的這種膨脹反應因受到孔壁約束，其壓力甚至會上升至55MPa，介質受壓迫后所產生的壓縮應力和拉應力引發基巖破碎[3]。

當前存在三種類型的靜態爆破劑，其在環境溫度、爆破壓力、爆破力度和爆破效果等方面存在較大差異，具體見表2。水庫所在托喀依鄉年平均氣溫10.7℃，靜態爆破過程中下午填裝爆破劑夜間等待反映，施工期內夜間氣溫在10℃-14.6℃，考慮到環境施工溫度及壩基爆破所要求的爆破壓力，選用HSCA-Ⅱ類靜態爆破劑。

表2 靜態爆破劑類型及適用范圍

3 水庫除險加固工程靜態爆破施工

3.1 鉆孔

根據靜態爆破方案設計以及被破碎基巖的硬度、強度，鋼筋排列密集度等，水庫大壩壩基開挖爆破鉆孔施工應使用直徑45-55mm的鉆頭，采用移動空壓機配合YT-28式手持風鉆鉆孔，鉆孔施工前，應用高壓風機將孔洞內余水和余渣吹干凈，確保孔內內外的干凈。大壩壩基混凝土和基巖鉆孔深度應控制在目標破碎體的85%以上。

3.2 爆破劑的拌制與填裝

將單位孔洞內的爆破劑用量倒入盆中，按10∶0.25(爆破劑:水)的比例加水并用手提式拌和機人工攪拌為濕而松散的流動性漿液后注入孔洞，并搗實，爆破劑裝填深度必須達到孔深。為確保爆破劑裝填質量，防止沖孔，從爆破劑與水混合至灌注結束不能超過10min。而對于水平方向的孔洞，應將爆破劑裝入高強度長纖維紙袋內，并將爆破劑卷浸泡在盆內清水中50s使其充分浸潤，無氣泡產生后取出并從孔底依次密實裝填。爆破劑反映的時間直接受到環境溫度的影響，溫度越高則所需的反應時間越長，水庫除險加固工程大壩壩基爆破開挖施工過程中，如遇環境溫度升高，應在破碎前遮擋破碎物，并將爆破劑存放于低溫環境下，控制拌合水溫度在15℃及以下。

3.3 爆破劑反應

將靜態爆破劑注入炮孔后所產生的膨脹反應引起基巖裂縫后，為支持爆破劑持續反應，應迅速向裂縫中加水，使裂縫持續增大。為縮短爆破劑反應時間，應在炮孔內加入保溫劑，同時將拌合水溫度控制在30℃-40℃，反應時間控制在30-50min。為確保靜態爆破質量，嚴禁邊打孔邊填裝爆破劑，打孔和爆破劑填裝必須分開且一次性完成，打孔結束，清洗完成，待孔壁溫度降至適宜溫度后進行爆破劑填裝。

靜態爆破完成后，所破碎和開挖出的石塊用炮錘式挖掘機破碎后，通過自卸汽車裝運至指定的棄石場。

4 結 論

水庫拱壩壩基靜態爆破開挖技術的應用充分保證了水庫除險加固前期邊坡開挖和水庫壩基安全，確保了水庫大壩除險加固各項施工的順利進行，山體及壩基已建水工建筑物穩定性得到充分保證。與其他爆破施工技術相比，靜態爆破施工技術省時省力，爆破效率高，斷面平整無裂隙，充分杜絕了炸藥明爆施工對其余構筑物帶來的施工擾動與安全隱患，但是靜態爆破劑威力不如炸藥爆破，所需炮孔多，鉆孔工程量大，破碎效果受環境溫度影響較大，開裂時間難控制。水庫拱壩壩基靜態爆破開挖實踐證明，靜態爆破施工應用于水庫除險加固工程建筑物開挖及拆除過程中，必須嚴格控制環境溫度、爆破劑裝填量及爆破開挖順序，才能使其技術優勢得以有效發揮。