牟 晶

(中鐵十八局集團(tuán)市政工程有限公司,天津 300000)

當(dāng)下，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的飛速發(fā)展，城市地鐵交通基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)在如火如荼地進(jìn)行中。在地鐵工程的開挖過程中遇到復(fù)雜的施工環(huán)境，常常對(duì)噪音和振動(dòng)等有極其嚴(yán)格的限制，常規(guī)的爆破方式由于不滿足限制條件而不再采用，而靜力爆破法由于其對(duì)環(huán)境無(wú)擾動(dòng)和無(wú)污染而具有很大的優(yōu)越性[1-2]，近年來(lái)在邊坡治理工程[3]、電網(wǎng)送變電工程[4]和市政工程[5]施工中均有應(yīng)用研究，其中，許多學(xué)者也對(duì)靜力爆破的工藝和方法，以及其他行業(yè)的拓展應(yīng)用展開了一些研究：李新杰等，王勝軍等[6-7]介紹了在煤礦中采用靜力爆破施工的方法和效果；呂亮等[8]針對(duì)福建平潭某市政建設(shè)中采用靜力爆破技術(shù)進(jìn)行土石方路基的開挖進(jìn)行了分析研究；宗維君[9]，張愛莉等[10]對(duì)靜力爆破的施工工法、設(shè)計(jì)和應(yīng)用進(jìn)行了探討分析；吳燕平[11]針對(duì)靜力爆破法應(yīng)用于人工挖孔樁的施工進(jìn)行了研究。綜上研究可見，靜力爆破法施工相比傳統(tǒng)爆破施工方法具有很大的優(yōu)越性。

本風(fēng)井基坑巖面較高，而且臨近福州火車南站，客流密度大，同時(shí)，站房及其周邊管線的安全要求很高，所以基坑的開挖施工要非常謹(jǐn)慎，必須嚴(yán)格控制對(duì)周邊環(huán)境的影響。因此基坑石方開挖采用液壓劈裂方法進(jìn)行，液壓劈裂施工不到的部位采用靜力爆破，并配合人工和機(jī)械開挖施工的綜合施工方法。

1 工程概況

1.1 站址環(huán)境

福州南站小里程風(fēng)井位于倉(cāng)山區(qū)城門鎮(zhèn)福州火車南站東廣場(chǎng)南側(cè)兩山體之間，山體上植被較發(fā)育。風(fēng)井周邊主要為山體公園、瀝青道路和綠化帶，場(chǎng)地西側(cè)主要為綠化帶和既有鐵路及站房，場(chǎng)地東側(cè)主要為道路和規(guī)劃福廈高鐵，南北兩側(cè)主要為山體公園和道路。風(fēng)井所在位置現(xiàn)狀道路寬約8米，路邊設(shè)置有路燈和雨水管道。

1.2 風(fēng)井概況

福州南站小里程風(fēng)井起點(diǎn)里程為右DK39+530.115(左DK39+527.964)，終點(diǎn)里程為右DK39+545.822(左DK39+543.665)，風(fēng)井結(jié)構(gòu)為地下三層，擬采用明挖施工方法，風(fēng)井的建筑總面積為1374.6m2。風(fēng)井尺寸為29m×15.8m，深約26.2m，底板標(biāo)高-17.3m(平面構(gòu)造如圖1所示)。

圖1 福州南站小里程風(fēng)井平面示意圖

福州南站小里程風(fēng)井圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用鎖口圈梁及混凝土支撐結(jié)構(gòu)，由于受場(chǎng)地條件的限制，本風(fēng)井鎖口圈梁尺寸為兩種。其中鎖口圈梁1尺寸為2000×2000mm，為階梯型；鎖口圈梁2尺寸為1000×2000mm，采用矩形?；炷林螢?00×1000mm，鎖口圈梁四腳部位采用2000×2000mm，厚度300mm的混凝土板撐進(jìn)行加強(qiáng)。風(fēng)井開挖支護(hù)采用土釘墻+巖石錨桿的支護(hù)體系。

1.3 周邊環(huán)境

福州南站小里程風(fēng)井建設(shè)場(chǎng)地范圍內(nèi)及周邊分布的建筑物主要為福州南站站房及地鐵1#線福州南站線以及鐵路既有線。距離福州南站站房最近距離約為63.6m，距離鐵路既有線最近距離為39.6m。

2 地質(zhì)條件

2.1 工程地質(zhì)條件

根據(jù)鉆探揭露，場(chǎng)地內(nèi)各巖土特征如下：

(1)雜填土及淤泥層(厚1.24m)：土層顏色主要為灰黑、青灰及灰褐色等，干～稍濕，具有松散結(jié)構(gòu)和復(fù)雜的成分，主要是人工堆填的砂土、凝灰?guī)r碎塊和瀝青砼塊等組成，硬雜質(zhì)含量大于40%，均勻性差，整個(gè)場(chǎng)地均有分布，松散～密實(shí)，堆填時(shí)間為3～5年。

(2)碎塊狀凝灰?guī)r(厚2.15m)：強(qiáng)風(fēng)化，巖體顏色總體呈青灰色～灰白色，或者灰黃色，較硬并微濕，含有少量的石英顆粒。強(qiáng)烈的風(fēng)化作用下使巖石結(jié)構(gòu)遭到嚴(yán)重破壞。巖芯采集率≥65%且呈碎塊狀，敲擊易碎，尺寸1～11cm。以凝灰?guī)r為母巖，巖體較破碎～破碎，屬軟巖～較軟巖，屬Ⅴ～Ⅳ類。

(3)凝灰?guī)r(中風(fēng)化)(厚24.32m)：巖體顏色主要呈灰～青灰色，凝灰質(zhì)結(jié)構(gòu)、塊狀構(gòu)造，巖質(zhì)堅(jiān)硬，裂隙發(fā)育。巖芯采集率為82～98%，RQD值為80～92%，巖芯大多呈柱狀～短柱狀，部分為長(zhǎng)柱狀，敲擊聲脆，不易碎，部分結(jié)構(gòu)被破壞但原巖結(jié)構(gòu)清晰可辨，為中等風(fēng)化的晶屑熔結(jié)凝灰?guī)r。巖體屬較破碎-較完整的較硬巖～堅(jiān)硬巖，屬Ⅳ～Ⅱ類。

2.2 水文地質(zhì)條件

擬建場(chǎng)地附近無(wú)河流存在，市區(qū)由于降雨造成內(nèi)澇的記錄最高水位為7.5米(高程)。擬建場(chǎng)地地勢(shì)高程約為8.88～9.34m，受內(nèi)澇影響較小。

(1)地下水類型

本場(chǎng)地中存在多層地下水：存在于上部填土層中上層滯水，存在于強(qiáng)風(fēng)化凝灰?guī)r中的孔隙水以及存在于底部為強(qiáng)風(fēng)化凝灰?guī)r和中風(fēng)化凝灰?guī)r中的基巖裂隙水。本場(chǎng)地孔裂隙水均不具承壓性。

(2)地下水對(duì)結(jié)構(gòu)及施工的影響

根據(jù)設(shè)計(jì)方案，主體圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用巖石錨桿(索)的形式。針對(duì)場(chǎng)地內(nèi)地下水埋深大部分位于中風(fēng)化凝灰?guī)r中；在對(duì)基坑的開挖施工過程中，為了防止基坑底部積水，需采用明排井(坑)降水的方法。及時(shí)觀測(cè)地下水位動(dòng)態(tài)，加強(qiáng)對(duì)地下水位的監(jiān)測(cè)。

2.3 不良地質(zhì)與特殊性巖土

(1)不良地質(zhì)

風(fēng)井場(chǎng)地邊坡山體見明顯基巖裸露，山體見明顯已經(jīng)過土釘加固及表層鋼絲防護(hù)網(wǎng)等加固措施，但施工過程中應(yīng)及時(shí)監(jiān)測(cè)山體穩(wěn)定性，注意裸露巖石落石。根據(jù)野外調(diào)查、勘察及有關(guān)資料，風(fēng)井周邊無(wú)不良地質(zhì)作用，無(wú)發(fā)育的地質(zhì)災(zāi)害。

(2)特殊性巖土

工程場(chǎng)地內(nèi)的特殊性巖土以填土為主。

3 靜力爆破的工藝原理及特點(diǎn)

3.1 靜力爆破原理

人工造孔后，在靜態(tài)爆破劑的作用下使巖石脹裂、產(chǎn)生裂縫，再使用破碎錘或風(fēng)鎬解小、破除，從而達(dá)到開挖的目的。靜力爆破主要以特殊的硅酸鹽和氧化鈣為基本原料，再由其他添加劑配制而成的一種粉末狀物質(zhì)，其作用過程典型化學(xué)反應(yīng)式為：

CaO+H2O→Ca(OH)2+6.5×104J

(1)

在化學(xué)反應(yīng)過程中，氧化鈣變成氫氧化鈣，會(huì)使相應(yīng)的晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而使晶體的體積產(chǎn)生膨脹。在無(wú)約束條件下，氧化鈣晶體體積經(jīng)化學(xué)反應(yīng)后可增加3～4倍，而表面積增加約100倍，并伴隨著每摩爾釋放出6.5×104J的熱量。若把這種材料灌入巖土體鉆孔中，則化學(xué)反應(yīng)過程中的體積膨脹受到鉆孔孔壁的約束，最大壓力可達(dá)50MPa，巖土體在這種膨脹力作用下會(huì)炮孔會(huì)產(chǎn)生徑向拉伸應(yīng)力從而使巖土體開裂，達(dá)到爆破的目的。

3.2 靜力爆破特點(diǎn)

靜力爆破劑是一種含有鋁、鎂、鈣、鐵、氧、硅、磷、鈦等元素的粉末狀物質(zhì)，具有非燃、非爆、無(wú)毒的特點(diǎn)。施工時(shí)按要求的配合比加水?dāng)嚢韬笞⑷脬@孔內(nèi)，經(jīng)水化反應(yīng)后產(chǎn)生巨大膨脹壓力，安靜地使巖土體脹裂。

靜力爆破雖然稱為爆破，但是爆破的過程悄無(wú)聲息地發(fā)生，期間不產(chǎn)生震動(dòng)、沒有飛沙走石、沒有震耳欲聾的噪聲，爆破過程不產(chǎn)生有毒有害物質(zhì)，對(duì)環(huán)境無(wú)污染。而且靜力爆破劑屬于非危險(xiǎn)品，便于存貯和運(yùn)輸。

4 施工步驟

4.1 施工準(zhǔn)備

首先需確定環(huán)境、藥劑、水、巖土體和容器的溫度是否符合要求；然后要檢查爆破劑的包裝是否完好；最后需準(zhǔn)備好爆破藥劑和水，以及必需的攪拌設(shè)備及防護(hù)用具。

4.2 施工工藝流程

靜力爆破的施工順序及工藝流程如圖2所示。

圖2 工藝流程圖

4.3 施工操作要點(diǎn)

(1)對(duì)于巖石破碎需要了解巖石性質(zhì)、節(jié)理、走向及地下水情況，鉆孔的布置以及爆破順序需要根據(jù)巖土體的實(shí)際情況進(jìn)行確定。此外，靜力爆破劑的爆破效力與原料的配合比有密切關(guān)系，同時(shí)也與施工時(shí)的環(huán)境溫度、水溫、水灰比、孔徑孔距、鉆孔位置的分布、灌漿的時(shí)間和速度、巖土體的尺寸等因素均有很大關(guān)系。

(2)設(shè)計(jì)布眼

首先需要確定至少一個(gè)爆破臨空面，然后在鉆孔時(shí)應(yīng)盡可能使鉆孔方向平行于臨空面，臨空面對(duì)爆破效果有很大影響。鉆孔的排距和孔距需要根據(jù)所要爆破介質(zhì)的硬度進(jìn)行計(jì)算并調(diào)整?？拙嗪团啪嗟牟贾萌绫?所示。

表1 孔距與排距簡(jiǎn)易布置表

孔距計(jì)算：根據(jù)公式

a=K×d

(2)

式中：a為孔距；d為孔徑，本工程鉆孔孔徑d取值為5cm。

K為破碎系數(shù)，對(duì)凝灰?guī)r取值范圍為5～7，本工程為中風(fēng)化凝灰?guī)r，K取值為6。利用(2)式進(jìn)行計(jì)算得到a=30cm。所以在本爆破工程的施工過程孔距排距均取30cm。

(3)鉆孔

鉆孔直徑的大小在很大程度上影響爆破的效果。當(dāng)鉆孔直徑過小時(shí)，爆破藥劑的爆破效力不能被充分發(fā)揮出來(lái)；而當(dāng)鉆孔直徑過大時(shí)，在反應(yīng)過程中容易造成沖孔而釀成傷人事故。所以本工程中擬采用強(qiáng)風(fēng)鉆成直徑為Φ=50mm的鉆孔。鉆孔過程如圖3所示。

圖3 鉆孔過程

(4)鉆孔深度

本工程為風(fēng)井的開挖，爆破對(duì)象為整個(gè)巖體，鉆孔深度確定為1.0～2.0m。同時(shí)依據(jù)設(shè)計(jì)要求，土釘墻每次開挖深度不應(yīng)大于1.5m，所以鉆孔深度最終選為1m。

(5)裝藥及爆破

根據(jù)本風(fēng)井開挖爆破施工的實(shí)際情況，本工程中選擇SCA-IV型破碎劑進(jìn)行爆破施工。

靜態(tài)破碎劑爆破每孔用藥量可按下式計(jì)算：

Q=πR2×L×K

(3)

式中：Q-每孔所用劑量，kg；R-鉆孔半徑，m；L-鉆孔深度，m；K-每立方SCA漿體中SCA的量，kg/m3，具體數(shù)量根據(jù)表2進(jìn)行計(jì)算并選用。因此，本爆破施工過程中每孔每米所用藥劑量為：

表2 SCA的比重及每立方米漿體中SCA重量K值

Q=πR2×L×K=3.14×0.000625×1×1650=3.2kg。

裝藥過程可以分為以下幾步進(jìn)行：

①先根據(jù)重量比將30%的水加入破碎劑中攪拌成流質(zhì)狀，接著迅速倒入鉆孔內(nèi)并搗實(shí)。裝藥過程如圖4所示。

圖4 裝藥過程

②在被爆破巖石中發(fā)現(xiàn)有裂縫出現(xiàn)后，立即再向裂縫中加水以支持破碎劑的持續(xù)化學(xué)反應(yīng)。

③一般可分三小組同時(shí)進(jìn)行灌裝，每個(gè)小組有兩名灌裝人員。一人負(fù)責(zé)將藥劑灌裝進(jìn)鉆孔內(nèi)，另一人負(fù)責(zé)進(jìn)行搗實(shí)。每個(gè)小組需要“同步操作，少拌勤裝”，即每個(gè)小組在每次灌裝藥劑的過程中所負(fù)責(zé)的孔數(shù)不能太多。在灌裝藥劑的過程中，所有灌裝操作人員應(yīng)基本保持同步進(jìn)行，可使每個(gè)鉆孔內(nèi)的最大膨脹力基本能夠保持同時(shí)產(chǎn)生效力，使破碎效果更加理想。

④在對(duì)每個(gè)鉆孔填裝藥劑時(shí)都要確定巖石鉆孔內(nèi)的溫度，藥劑、水和桶的溫度是否符合要求。在爆破藥劑的灌裝過程中，若藥劑的溫度大于60℃時(shí)則不允許裝孔。從藥劑加水?dāng)嚢璧焦嘌b完全結(jié)束的整個(gè)過程不應(yīng)超過5分鐘。灌裝時(shí)應(yīng)注意觀察孔內(nèi)反應(yīng)，若發(fā)現(xiàn)有氣體冒出并伴有“嘶嘶”的聲音時(shí)，可能會(huì)馬上發(fā)生沖孔，應(yīng)當(dāng)立即停止灌裝。

⑤藥劑反應(yīng)時(shí)間的控制

溫度對(duì)爆破藥劑的反應(yīng)快慢有直接影響。溫度高則反應(yīng)時(shí)間快；若溫度較低，則藥劑的反應(yīng)時(shí)間會(huì)比較長(zhǎng)，過長(zhǎng)的反應(yīng)時(shí)間會(huì)阻礙施工進(jìn)度。施工中常常加入保溫劑并增加水的溫度，但是加入過多的保溫劑也會(huì)降低藥劑的效力，達(dá)不到預(yù)期的爆破效果。攪拌水的溫度可以根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)增加，但最高以不超過40℃為宜，以防止發(fā)生沖孔的可能性。爆破藥劑的反應(yīng)時(shí)間一般控制在30～60分鐘為宜，也可以根據(jù)工程施工現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，縮短爆破藥劑的反應(yīng)時(shí)間來(lái)加快爆破施工的進(jìn)度。但是如果爆破藥劑的反應(yīng)時(shí)間過快，則反應(yīng)過程中容易發(fā)生沖孔，可能造成傷人事故而影響施工。爆破效果如圖5所示。

圖5 爆破效果

5 數(shù)值分析

根據(jù)福州南站風(fēng)井開挖位置的巖土體物理力學(xué)參數(shù)(見表3)，利用MidasGTS有限元計(jì)算軟件建立福州南站風(fēng)井的三維計(jì)算模型(圖6)。通過有限元數(shù)值仿真計(jì)算，對(duì)福州南站風(fēng)井靜力爆破開挖過程產(chǎn)生的變形進(jìn)行了分析，結(jié)果如圖7～圖9所示。

圖6 三維計(jì)算模型

圖7 X方向最大位移

圖8 Y方向最大位移

圖9 Z方向最大位移

表3 福州南站風(fēng)井開挖位置的巖土體物理力學(xué)參數(shù)

從圖7～9可以看出，通過數(shù)值模擬計(jì)算，在用靜力爆破法對(duì)風(fēng)井進(jìn)行爆破開挖施工后，風(fēng)井水平方向上產(chǎn)生的最大位移為10.87mm(實(shí)測(cè)水平最大位移9.6mm)，豎向產(chǎn)生的最大沉降為5.6mm(實(shí)測(cè)豎向最大沉降值為6.4mm)，數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)值基本吻合。靜力爆破產(chǎn)生的位移小，既很好地保證了風(fēng)井開挖的順利進(jìn)行，同時(shí)也把對(duì)周邊環(huán)境的干擾和影響程度降到了最低。

6 結(jié)語(yǔ)

以福州南站風(fēng)井開挖為依托工程，針對(duì)靜力爆破施工方法進(jìn)行了研究。通過研究并進(jìn)行對(duì)比分析可以看出，與傳統(tǒng)爆破方法相比，采用靜力爆破方法進(jìn)行施工不產(chǎn)生震動(dòng)、沒有飛沙走石、沒有震耳欲聾的噪聲，爆破過程不產(chǎn)生有毒有害物質(zhì)，具有對(duì)環(huán)境無(wú)污染和對(duì)周邊環(huán)境無(wú)干擾等諸多優(yōu)點(diǎn)。以上通過對(duì)靜力爆破應(yīng)用的分析，施工過程中要嚴(yán)格控制鉆孔間排距和鉆孔深度，裝藥深度和爆破反應(yīng)時(shí)間等。通過對(duì)施工過程的分析可以看出，靜力爆破后的巖體產(chǎn)生大量明顯的脹裂縫，有利于后續(xù)的破除施工，達(dá)到了非常理想的爆破效果。同時(shí)靜力爆破施工過程產(chǎn)生的位移很小，對(duì)環(huán)境的干擾和影響可以降到很低，具有常規(guī)爆破施工無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。