曾小明，羅桂軍，汪慶桃，曾 凱

(1.中建五局 土木工程有限公司, 湖南 長(zhǎng)沙 410004; 2.國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué), 湖南 長(zhǎng)沙 410072)

繁華地段穿越運(yùn)營(yíng)地鐵車(chē)站基坑靜態(tài)爆破施工技術(shù)*

曾小明1，羅桂軍1，汪慶桃2，曾 凱1

(1.中建五局 土木工程有限公司, 湖南 長(zhǎng)沙 410004; 2.國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué), 湖南 長(zhǎng)沙 410072)

靜態(tài)爆破具有無(wú)噪聲、無(wú)毒氣、無(wú)振動(dòng)、無(wú)飛石等特點(diǎn)，在某些對(duì)爆破災(zāi)害控制要求非常嚴(yán)格的工程中得到了較為廣泛的應(yīng)用。結(jié)合長(zhǎng)沙市地鐵3號(hào)線(xiàn)火車(chē)站站基坑開(kāi)挖工程實(shí)例，詳細(xì)介紹了靜態(tài)爆破施工技術(shù)在繁華地段穿越運(yùn)營(yíng)地鐵車(chē)站基坑開(kāi)挖中的應(yīng)用，并對(duì)靜態(tài)爆破的施工工藝和施工安全措施及注意事項(xiàng)進(jìn)行了詳細(xì)的分析。實(shí)踐證明，靜態(tài)破碎配合人工破碎施工時(shí)間大約為14 d，費(fèi)用共15萬(wàn)元，具有較好的工期和經(jīng)濟(jì)效益。

地鐵車(chē)站；基坑開(kāi)挖；靜態(tài)爆破；施工技術(shù)

0 引 言

靜態(tài)爆破技術(shù)亦稱(chēng)靜態(tài)膨脹(破碎)技術(shù)，最早于日本開(kāi)始研究，到20世紀(jì)80年代，靜態(tài)膨脹技術(shù)在安全性、反應(yīng)時(shí)間、工程應(yīng)用等方面取得長(zhǎng)足的進(jìn)步，并在日本得到了廣泛的應(yīng)用。為了適應(yīng)現(xiàn)代化建設(shè)的需要，從1980年開(kāi)始，我國(guó)武漢建材學(xué)院(現(xiàn)武漢理工大學(xué))開(kāi)始研究現(xiàn)代靜態(tài)破碎技術(shù)，并于1982年成功研制JC-1系列靜態(tài)破碎劑。

靜態(tài)破碎的原理為氧化鈣與水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成氫氧化鈣，在此過(guò)程中放出大量熱，且其體積快速膨脹，對(duì)周?chē)橘|(zhì)產(chǎn)生壓應(yīng)力，當(dāng)壓應(yīng)力超過(guò)介質(zhì)材料的屈服強(qiáng)度時(shí)，材料即會(huì)發(fā)生破碎[1-3]。且破碎過(guò)程無(wú)聲音、無(wú)飛石、不產(chǎn)生振動(dòng)，生成的氫氧化鈣產(chǎn)物沒(méi)有毒性，對(duì)周?chē)沫h(huán)境不會(huì)造成污染[4-6]，所以靜態(tài)爆破技術(shù)基本不產(chǎn)生爆破災(zāi)害，能有效的保護(hù)周?chē)Y(jié)構(gòu)。隨著社會(huì)的發(fā)展，城市建設(shè)呈立體發(fā)展的趨勢(shì)，在多數(shù)情況下，對(duì)爆破災(zāi)害控制要求都非常嚴(yán)格或根本不允許進(jìn)行爆破作業(yè)，但是采用機(jī)械法等其他作業(yè)方法時(shí)施工效率很低，工期很長(zhǎng)，而靜態(tài)爆破技術(shù)能極大的發(fā)揮其效應(yīng)能。

長(zhǎng)沙地鐵3號(hào)線(xiàn)火車(chē)站站下穿正在運(yùn)營(yíng)的地鐵2號(hào)線(xiàn)，在車(chē)站基坑開(kāi)挖過(guò)程中必須確保2號(hào)線(xiàn)的正常運(yùn)營(yíng)，所以其安全要求非常高。本文以此工程為背景，詳細(xì)闡述靜態(tài)爆破施工技術(shù)及施工工藝，其相關(guān)做法可為類(lèi)似的工程提供參考。

1 工程概況

1.1 周?chē)h(huán)境

長(zhǎng)沙火車(chē)站地處中心城區(qū)的繁華地帶，東臨火車(chē)站，西側(cè)為住宅、商場(chǎng)等，車(chē)流量大，人流量極大。車(chē)站設(shè)計(jì)范圍為車(chē)站設(shè)計(jì)起點(diǎn)里程YCK23+440.920至設(shè)計(jì)終點(diǎn)里程YCK23+628.520，包括車(chē)站主體和出入口通道、風(fēng)亭等設(shè)計(jì)。周?chē)h(huán)境如圖1所示。

本車(chē)站為地下三層雙柱島式站臺(tái)車(chē)站，設(shè)計(jì)站臺(tái)長(zhǎng)度118 m，站臺(tái)寬度14.8 m。車(chē)站外包總長(zhǎng)187.6 m，標(biāo)準(zhǔn)段外包總寬23.7 m，總建筑面積17047.16 m2。地下一層為車(chē)站站廳層，地下二層為車(chē)站設(shè)備層，站臺(tái)位于地下三層。車(chē)站埋深23.61 m，頂板覆土3.3 m，軌面標(biāo)高13.728 m，站廳凈高4.5 m，設(shè)備層凈高6.11 m，站臺(tái)層凈高4.7 m，在車(chē)站范圍內(nèi)由北向南設(shè)置0.2%的縱坡。

車(chē)站主體結(jié)構(gòu)采用明挖法+局部蓋挖順作法施工，已建2號(hào)線(xiàn)車(chē)站北側(cè)(大里程端)主體結(jié)構(gòu)采用明挖法施工；南側(cè)盾構(gòu)井(小里程端)西南角鋪蓋處采用蓋挖順作法施工，其余部分為明挖施工；附屬結(jié)構(gòu)全部采用明挖法施工。

1.2 工程地質(zhì)

根據(jù)《長(zhǎng)沙市軌道交通3號(hào)線(xiàn)一期工程KC-2標(biāo)段長(zhǎng)沙火車(chē)站巖土工程詳細(xì)勘察報(bào)告》，地層層序自上而下依次為：雜填土、粉質(zhì)粘土、圓礫、粉質(zhì)粘土、強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖等。本車(chē)站基坑開(kāi)挖采用明挖法+局部蓋挖法施工，基坑總體開(kāi)挖原則是已建2號(hào)線(xiàn)主體南、北兩側(cè)對(duì)稱(chēng)開(kāi)挖，保證卸載平衡。南側(cè)基坑為由北向南整體分層開(kāi)挖，北側(cè)基坑為由南向北分段分層開(kāi)挖。雜填土、粉質(zhì)粘土、圓礫、粉質(zhì)粘土等地層直接由挖機(jī)挖掘。強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖為紫紅色，泥質(zhì)膠結(jié)，成巖礦物顯著風(fēng)化，巖石組織結(jié)構(gòu)已大部分破壞，但原巖結(jié)構(gòu)清晰，巖石風(fēng)化節(jié)理裂隙很發(fā)育，巖芯多呈土夾碎塊狀，巖塊用手可折斷，合金鉆進(jìn)速度一般，遇水易軟化。中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖為紫紅色，粉細(xì)粒結(jié)構(gòu)，中厚層狀構(gòu)造，泥質(zhì)膠結(jié)，巖屑成分主要為粉細(xì)砂，巖石組織結(jié)構(gòu)部分破壞，少部分礦物風(fēng)化變質(zhì)，節(jié)理裂隙發(fā)育且密閉，多為鈣質(zhì)或泥質(zhì)物充填，裂隙面見(jiàn)褐色鐵錳質(zhì)浸染，巖芯上偶見(jiàn)溶蝕小孔，巖芯較完整，多呈柱狀，偶呈塊狀，錘擊聲較脆，屬極軟～軟巖，巖體基本質(zhì)量等級(jí)為Ⅴ類(lèi)。強(qiáng)風(fēng)化和中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖交錯(cuò)分布，挖機(jī)在挖掘過(guò)程中，效率很低，很多區(qū)域尤其是緊鄰既有2號(hào)線(xiàn)區(qū)域，挖機(jī)無(wú)法挖掘。在施工過(guò)程中，既有2號(hào)線(xiàn)一直在運(yùn)營(yíng)，必須確保其安全，且基坑周邊人流、車(chē)流極多，交通十分擁擠，傳統(tǒng)爆破法雖然作業(yè)效率高，成本低，但是爆破危害較難控制，尤其是在如此復(fù)雜的情況下進(jìn)行爆破作業(yè)，存在著很大的安全風(fēng)險(xiǎn)。而機(jī)械破碎方法，雖然較為安全，但是作業(yè)效率很低，工期又無(wú)法滿(mǎn)足要求。靜態(tài)爆破技術(shù)具有無(wú)聲、無(wú)振動(dòng)、無(wú)飛石、無(wú)毒氣、無(wú)沖擊波等特點(diǎn)，施工較為安全，且其作業(yè)效率比機(jī)械破碎法明顯提高，比較適合于本工程。

圖1 長(zhǎng)沙火車(chē)站平面位置

2 靜態(tài)爆破施工工藝

目前，國(guó)內(nèi)外絕大部分破碎劑，基本都是以CaO為其主要成分。在使用時(shí)，CaO與水發(fā)生水化反應(yīng)，生成Ca(OH)2，同時(shí)產(chǎn)生體積膨脹。一般來(lái)說(shuō)，在自由膨脹條件下，CaO經(jīng)充分水化反應(yīng)生成Ca(OH)2，體積可增加2～4倍。如果把其裝填在密閉炮孔內(nèi)，則體積膨脹會(huì)在炮孔上產(chǎn)生很大的壓力，當(dāng)此壓力大于周?chē)鷰r石的強(qiáng)度時(shí)，巖石就會(huì)發(fā)生破碎[3]。靜態(tài)爆破施工工藝流程一般為：施工準(zhǔn)備——炮孔參數(shù)設(shè)計(jì)——藥劑配置——裝藥——養(yǎng)護(hù)5個(gè)階段。

2.1 施工準(zhǔn)備

施工前必須對(duì)周?chē)h(huán)境、巖石的地質(zhì)情況、施工要求等條件調(diào)查清楚。根據(jù)當(dāng)?shù)丨h(huán)境、爆破對(duì)象的實(shí)際情況進(jìn)行靜態(tài)破碎劑的選型，設(shè)計(jì)好炮孔的孔網(wǎng)參數(shù)，并配置好相應(yīng)的機(jī)械設(shè)備等。從靜態(tài)爆破的原理可以看出，破碎劑的膨脹壓力是其重要的一個(gè)技術(shù)參數(shù)，其大小與破碎效果直接相關(guān)，在很多工程施工中，巖石沒(méi)有破碎或破碎效果不好，其原因大都與膨脹壓力值達(dá)不到要求相關(guān)。一般來(lái)說(shuō)，膨脹壓力的大小與下面幾個(gè)因素有關(guān)：

(1) 時(shí)間：破碎劑裝填到炮孔內(nèi)之后，膨脹壓力不會(huì)立即達(dá)到最大值，一般會(huì)有一個(gè)增長(zhǎng)的過(guò)程。膨脹壓力的增長(zhǎng)速度，主要取決于破碎劑的水化反應(yīng)速度，水化反應(yīng)速度快，膨脹壓力增長(zhǎng)的快，周?chē)橘|(zhì)破裂的時(shí)間也相對(duì)較短。反之，則會(huì)使破裂時(shí)間增長(zhǎng)。水化反應(yīng)速度主要受環(huán)境溫度、氧化鈣粒度和活性度以及水灰比等因素的影響[1]。

(2) 溫度：環(huán)境溫度對(duì)破碎劑破碎效果影響很大，同一種破碎劑在不同溫度條件下使用時(shí)，水化反應(yīng)時(shí)間大大不同，在相同時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的膨脹壓力可相差1倍[4]。因此，應(yīng)根據(jù)不同的環(huán)境溫度開(kāi)發(fā)相對(duì)應(yīng)的產(chǎn)品，如SCAⅡ型靜態(tài)破碎劑適用的溫度為10℃～25℃，根據(jù)相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在同樣的條件下，若分別在溫度13℃和20℃使用時(shí)，產(chǎn)生的膨脹壓力也將相差1倍[4]。所以在施工之前，根據(jù)不同的環(huán)境溫度選擇合適的破碎劑型號(hào)，對(duì)于破碎效果有著很大的影響。

(3) 水灰比：即添加水的重量與破碎劑的重量之比。水灰比范圍一般在0.2 ～0.38之間。隨著比值增大，藥劑的流動(dòng)性增大，更便于裝填，但是膨脹壓力將會(huì)減小。若比值減小，則藥劑的流動(dòng)性較差，裝填起來(lái)比較困難，效率也較低。大量的研究表明，常用的水灰比為0.3左右。由于破碎劑與水?dāng)嚢杈鶆蚝?，即?huì)發(fā)生水化反應(yīng)，同時(shí)流動(dòng)性會(huì)逐步喪失，因此要盡快進(jìn)行裝填[2]。

(4) 孔徑：膨脹壓力隨著孔徑的增大而增大，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的破碎劑，相比國(guó)外的來(lái)說(shuō)價(jià)格要低，但是反應(yīng)時(shí)間較慢，最大膨脹壓力也較小。當(dāng)前國(guó)內(nèi)用的比較多的孔徑范圍一般為30～50 mm。在這個(gè)范圍內(nèi)應(yīng)用時(shí)，裝藥工藝比較簡(jiǎn)單，一般不需要采取特別的措施，而且大部分均能夠滿(mǎn)足要求。在某些特殊的情況下，為了獲得較大的膨脹壓力，會(huì)采用較大的孔徑。隨著孔徑的增大，膨脹產(chǎn)生較大的壓力容易導(dǎo)致沖孔的發(fā)生[5]，這時(shí)，要采用特殊的堵塞方法。

2.2 炮孔參數(shù)設(shè)計(jì)

(1) 孔徑：根據(jù)本工程情況選用42 mm孔徑，用手持式風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī)YTP-26鉆取。

(2) 孔距(a)與排距(b)：a、b的大小與施工成本及破碎效果直接相關(guān)。一般來(lái)說(shuō)，a、b值越大，單位面積上鉆孔數(shù)量越少，鉆孔成本及藥劑成本均會(huì)下降。但是，隨著a、b值的增大，巖石破碎塊度也越大，當(dāng)大到一定值時(shí)，甚至不能有效破碎巖石。所以，從理論上分析存在一個(gè)最佳的a、b值。a、b值大小與破碎劑的膨脹壓力及巖石力學(xué)性能相關(guān)，為了確定較優(yōu)的a、b值，一般在施工前要通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定。本工程項(xiàng)目圍巖性質(zhì)為強(qiáng)風(fēng)化/中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，巖體基本質(zhì)量等級(jí)為Ⅴ類(lèi)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，a、b值宜為300～500 mm。

(3) 鉆孔深度(H)：H跟破碎效率直接相關(guān)，H太大，對(duì)鉆孔精準(zhǔn)度要求較高，口部稍有偏差，底部可能偏差就很大，造成破碎效果不好；相反，H太小，破碎效率低，經(jīng)濟(jì)效益差。一般來(lái)說(shuō)，在鉆孔之前，應(yīng)該盡可能的創(chuàng)造出多個(gè)自由面，根據(jù)本工程巖石性質(zhì)及所采用的鉆孔設(shè)備，H為1.5～2.0 m。

2.3 藥劑配置

首先準(zhǔn)備好盛裝破碎劑的容器，先把水倒入容器中，水的重量約為破碎劑重量的30%，然后再加入破碎劑，用木棒或手提式攪拌機(jī)充分?jǐn)嚢杈鶆?，使其流?dòng)性和稠度適中。需要注意的是，若水的溫度較低，或者氣溫小于5℃時(shí)，宜先把水的溫度加溫至40℃左右時(shí)再進(jìn)行配置。

2.4 裝 藥

裝藥是靜態(tài)爆破的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其質(zhì)量的好壞直接決定了破碎效果的好壞。在裝藥之前須先清孔，即先等孔內(nèi)溫度下降到一定程度后，清除孔內(nèi)殘?jiān)入s物，這個(gè)過(guò)程一般可以用風(fēng)管吹。裝藥過(guò)程務(wù)必要迅速，這是因?yàn)閿嚢韬玫钠扑閯{液已經(jīng)在發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間就會(huì)硬化。此外，灌注漿液必須要裝填密實(shí)，可以邊裝填邊搗實(shí)，直至把整個(gè)炮孔填滿(mǎn)[6]。

2.5 養(yǎng) 護(hù)

裝藥完成以后，經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間，破碎劑即進(jìn)入膨脹狀態(tài)。這個(gè)過(guò)程中必須要進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。在夏季溫度較高時(shí)，可以用沙袋、草席等對(duì)孔口進(jìn)行一定的覆蓋，防止藥劑在膨脹過(guò)程中從孔口噴出。在冬季，氣溫一般比較低，也需要對(duì)孔口進(jìn)行覆蓋，或者采用其它的加溫方法，以使孔內(nèi)保持一定溫度，從而加快破碎劑反應(yīng)速度，確保破碎效果。養(yǎng)護(hù)對(duì)于確保施工安全、縮短施工工期有著重要的意義，尤其是對(duì)于本工程來(lái)說(shuō)，施工班組較多，在靜態(tài)爆破養(yǎng)護(hù)期間，還有切割班組，支護(hù)班組等在進(jìn)行交叉施工，必須加強(qiáng)覆蓋，防止意外傷亡事件的發(fā)生。實(shí)際施工時(shí)，在孔口用麻袋覆蓋，上面再壓上沙袋。

3 安全措施和注意事項(xiàng)

靜態(tài)爆破雖然比起炸藥爆破來(lái)說(shuō)，安全性較高，但也存在一些特別需要注意的事項(xiàng)，否則很容易出現(xiàn)安全事故或者導(dǎo)致爆破效果達(dá)不到預(yù)期要求。

(1) 靜態(tài)爆破各工序之間銜接必須緊密，有些工序存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)，為了減少不必要的影響因素，確保安全，必須劃定警戒區(qū)域。警戒人員須堅(jiān)守崗位，熟悉崗位職責(zé)，所有無(wú)關(guān)人員不得進(jìn)入施工現(xiàn)場(chǎng)；

(2) 在作業(yè)之前，必須對(duì)所有施工人員進(jìn)行安全教育，某些技術(shù)工種，如安全員、工班長(zhǎng)、鉆孔人員等，要進(jìn)行崗前培訓(xùn)和考核，達(dá)到要求之后才能上崗作業(yè)；

(3) 根據(jù)崗位特點(diǎn)，穿戴好防護(hù)裝具。例如，所有進(jìn)入施工現(xiàn)場(chǎng)的必須戴安全帽，從事藥劑配置、裝藥、養(yǎng)護(hù)崗位的人員必須戴防護(hù)眼鏡，鉆孔人員必須戴口罩等；

(4) 藥劑裝填直到巖石開(kāi)裂之前，要防止噴孔，不可將面部直接面對(duì)已裝藥的炮孔。藥劑裝填完成后，要加強(qiáng)覆蓋，在觀察巖石裂隙發(fā)展情況時(shí)要更加小心；此外，施工現(xiàn)場(chǎng)要專(zhuān)門(mén)備好清水和干凈的毛巾，若發(fā)生沖孔藥劑濺在皮膚上，必須立即沖洗，嚴(yán)重者送醫(yī)院救治；

(5) 嚴(yán)禁鉆孔與裝藥同步進(jìn)行，藥劑不要一次配置過(guò)多，配置好的藥劑必須在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)裝填完畢；

(6) 嚴(yán)格遵守各項(xiàng)操作規(guī)程，防止沖孔的發(fā)生，沖孔產(chǎn)生的原因較多，大致有：操作人員操作不當(dāng)，操作時(shí)間太長(zhǎng)，藥劑裝填不夠密實(shí)，有空氣隔層等；溫度控制不當(dāng)，氣溫過(guò)高時(shí)配置藥劑，炮孔孔壁溫度過(guò)高；炮孔設(shè)計(jì)不合理；炮孔直徑過(guò)大，且沒(méi)有采用專(zhuān)門(mén)的堵孔器;

(7) 破碎劑在運(yùn)輸和儲(chǔ)存過(guò)程中要注意防潮、防暴曬，一袋開(kāi)封后盡量使用完畢，如未用完，要注意防潮。

4 效果與體會(huì)

(1) 靜態(tài)爆破取得圓滿(mǎn)成功，工程實(shí)踐表明，靜態(tài)爆破技術(shù)無(wú)聲音、無(wú)振動(dòng)、無(wú)飛石，該方法能有效保護(hù)周?chē)Y(jié)構(gòu)，特別適用于對(duì)爆破災(zāi)害控制要求非常嚴(yán)格的工程。

(2) 靜態(tài)爆破開(kāi)挖與常規(guī)的機(jī)械破碎開(kāi)挖或人工風(fēng)鎬開(kāi)挖相比，具有施工安全、作業(yè)效率高、可操作性強(qiáng)、施工工藝簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。以本工程為例，靜態(tài)爆破開(kāi)挖0.56萬(wàn)m3巖石，采用破碎劑進(jìn)行靜態(tài)破碎配合人工破碎施工，施工時(shí)間大約14 d，共花費(fèi)15萬(wàn)元；采用常規(guī)機(jī)械破碎施工，施工時(shí)間大約為26 d，人工費(fèi)和機(jī)械租賃費(fèi)大約28萬(wàn)元；采用人工風(fēng)鎬破碎施工，施工時(shí)間大約為52 d，人工費(fèi)和機(jī)械租賃費(fèi)大約為30萬(wàn)元。因此在不允許采用爆破開(kāi)挖的情況下，靜態(tài)破碎配合人工破碎施工方法具有很好的經(jīng)濟(jì)和工期效益。

(3) 孔網(wǎng)參數(shù)的設(shè)計(jì)與破碎效果直接相關(guān)，在施工前，要根據(jù)所選的破碎劑及圍巖性質(zhì)進(jìn)行試驗(yàn)，確定合適的孔網(wǎng)參數(shù)。

(4) 靜態(tài)爆破具有一定的危險(xiǎn)性，在施工期間，要加強(qiáng)安全教育，做好各項(xiàng)安全防范措施，嚴(yán)防事故的發(fā)生。

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湖南省住房和城鄉(xiāng)建設(shè)廳重點(diǎn)支持項(xiàng)目(XJS201535).

2016-09-30)

曾小明(1982-)，男，工程師，主要從事土木工程施工管理，Email：35016567@qq.com。