樂國成 （中鐵十六局集團(tuán)第三工程有限公司，浙江 湖州 313000）

0 前言

目前國內(nèi)外不少研究人員在膨脹破碎機(jī)理、膨脹壓力測試方法、膨脹破碎效果影響因素等領(lǐng)域?qū)o態(tài)爆破技術(shù)進(jìn)行了大量深入的研究，雖然取得了豐碩的成果，但現(xiàn)階段靜態(tài)爆破鉆孔直徑?。ㄒ话銥?2mm～50mm）、膨脹壓力小、作用時(shí)間長、布孔密集、后續(xù)破碎工作量大等缺點(diǎn)、缺陷，影響了施工安全和施工進(jìn)度，也限制了靜態(tài)爆破施工技術(shù)的推廣應(yīng)用。

由該工程特點(diǎn)與難點(diǎn)，不難得出，為保證該工程的順利、安全施工，有必要進(jìn)行專題立項(xiàng)研究。同時(shí)，針對復(fù)雜環(huán)境下大方量靜態(tài)爆破施工技術(shù)的研究，分析不同巖層特性，分析破碎原理，應(yīng)用增大孔徑來提高膨脹力，合理選擇鉆孔機(jī)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(tǒng)的理論研究和工程實(shí)踐，形成了一整套復(fù)雜環(huán)境下大方量靜態(tài)爆破施工關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜環(huán)境下大方量靜態(tài)爆破施工技術(shù)的重大突破，為今后類似條件工程建設(shè)提供了可資借鑒的工程實(shí)例。毋庸置疑，本課題的立項(xiàng)研究的必要性及意義皆為重大。

該技術(shù)的應(yīng)用不僅有效提高靜態(tài)爆破效率，且安全系數(shù)高，特別適用于破碎量大、臨空面不足的工程當(dāng)中。

1 工程概況

溫州繞城高速公路西南線第10標(biāo)段瑤山路塹開挖段起點(diǎn)樁號ZK42+613，終點(diǎn)樁號ZK43+823，路塹長度210m，最大高差38.02m，根椐設(shè)計(jì)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(shè)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(nèi)容包括：山體清表、土方開挖，機(jī)械破除開挖，靜力爆破開挖，石渣及廢料外運(yùn)。施工工期不超過300t，且業(yè)主要求采用靜態(tài)爆破開挖?？偡搅考s20萬方，其中土方約6萬方，石方約14萬方。

2 工藝原理

2.1 靜態(tài)爆破的破碎機(jī)理

靜態(tài)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(zhì)的原理就是：把靜態(tài)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(tài)破碎劑的氧化鈣與水發(fā)生水化反應(yīng)，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(shí)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(dāng)膨脹壓力超過了孔壁巖體的抗拉強(qiáng)度后，就會在孔壁切向拉應(yīng)力的作用下使孔壁產(chǎn)生徑向漲開的裂紋，并使裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展產(chǎn)生相互連接而導(dǎo)致巖石解體破壞，呈現(xiàn)典型的脆性斷裂。故靜態(tài)爆破的破碎機(jī)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(xué)反應(yīng)式為：

工作機(jī)理如圖1所示。

圖1 工作機(jī)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(jī)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(shè)計(jì)圖紙規(guī)定的孔距、孔深及打孔方向，通過機(jī)械鉆孔，然后在鉆孔內(nèi)裝填破碎劑，在靜力爆破劑產(chǎn)生的膨脹力作用下，使巖石脹裂、產(chǎn)生裂縫，再配合炮頭機(jī)工作，使巖體解小、破除達(dá)到開挖目的。

3 施工工藝流程及操作要點(diǎn)

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(diǎn)

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(jù)現(xiàn)場實(shí)際環(huán)境、設(shè)計(jì)斷面形式，并綜合當(dāng)?shù)氐匦蔚孛矖l件，諸如巖石性質(zhì)、節(jié)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(shù)、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(tài)爆破走向選擇應(yīng)選取最大臨空面，并背向臨空面方向?qū)訉悠扑閯冸x山體坡腳至設(shè)計(jì)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(tài)爆破預(yù)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(kuò)大臨空面，直至設(shè)計(jì)邊坡，如圖4所示。

圖3 坡腳靜態(tài)爆破

圖4 全山體靜態(tài)爆破

3.2.2 設(shè)計(jì)布眼

一般情況下，爆孔按矩形或梅花形布置?？拙?、排距的大小根據(jù)巖石的軟硬程度、破碎劑的種類、臨空面數(shù)量等因素有關(guān)，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(shí)，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(yè)擬采用直徑為42mm的鉆頭進(jìn)行。根據(jù)以往的施工經(jīng)驗(yàn)，孔徑過小，限制了破碎劑裝入量導(dǎo)致膨脹作用力較小；孔徑過大，又容易發(fā)生沖孔傷人事故。

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

3.2.4 鉆孔、裝藥深度設(shè)計(jì)

一般情況下，鉆孔孔深由爆破臺階高度H及巖石的堅(jiān)硬程度等因素決定，對于低硬度巖體取L=1.0H，中硬、堅(jiān)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(fù)責(zé)拌藥、裝藥入孔，另一個人負(fù)責(zé)搗實(shí)和對孔口保護(hù)。各裝藥小組遵循“少孔多組，同步裝藥”的原則，即：每組人員嚴(yán)格控制單次裝孔數(shù)量，每次拌藥量不超過實(shí)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(nèi)的最大膨脹壓能夠基本保持同期出現(xiàn)，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(jù)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(zhì)狀態(tài)（糊狀）后方便裝灌入孔內(nèi)。裝藥時(shí)，要迅速將流質(zhì)狀態(tài)的破碎劑倒入孔內(nèi)，并搗實(shí)保證藥劑在孔內(nèi)處于密實(shí)狀態(tài)。

圖5 臺階爆破參數(shù)及炮孔布置示意圖

靜態(tài)破碎劑布孔設(shè)計(jì)參數(shù)表

③當(dāng)發(fā)現(xiàn)巖體產(chǎn)生裂縫后，立即向裂縫中加水，以保持藥劑持續(xù)反應(yīng)，增強(qiáng)破碎效果。

④裝藥過程中，發(fā)現(xiàn)已經(jīng)溫度升高異?；蜷_始冒氣的藥劑嚴(yán)禁裝入孔內(nèi)。嚴(yán)格控制從藥劑加入拌和水到裝藥結(jié)束的整個過程時(shí)間不超過5min。隨時(shí)注意觀察已裝填孔的情況，發(fā)現(xiàn)有沖孔危險(xiǎn)時(shí)，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(shí)，先將套筒插入鉆孔內(nèi)，然后往套筒內(nèi)裝藥，從而使藥劑發(fā)揮最大地效力。

3.2.6 藥劑反應(yīng)時(shí)間控制

實(shí)踐證明：藥劑反應(yīng)速率過快容易發(fā)生沖孔傷人事故，一般情況下控制藥劑反應(yīng)時(shí)間在30min～60 min之間效果比較好。為此，在靜態(tài)爆破施工中經(jīng)常采用下列兩種方法來控制藥劑反應(yīng)的速率：一種是在拌合水中摻入一定數(shù)量延緩反應(yīng)時(shí)間的抑制劑，摻入量一般按拌和水總量的5%～6%考慮，同時(shí)嚴(yán)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(shí)，氣溫較高，爆破時(shí)對被爆巖體進(jìn)行遮擋，避免陽光曝曬；冬季施工時(shí)，氣溫較低，可采取加入促發(fā)劑和適當(dāng)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(xiàn)場，可根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)縮短反應(yīng)時(shí)間，以利于加快施工。

4 注意事項(xiàng)

4.1 鉆孔質(zhì)量控制

由有資質(zhì)的技術(shù)人員，根據(jù)實(shí)際調(diào)查情況編寫實(shí)施性施工方案，并嚴(yán)格按照審批后的爆破方案進(jìn)行實(shí)施。鉆孔前，技術(shù)人員嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)圖紙要求對孔距、排距、孔深、角度等施工技術(shù)參數(shù)進(jìn)行核實(shí)，確認(rèn)無誤方可交給施工班進(jìn)行鉆孔作業(yè)。鉆孔時(shí)，鉆孔人員嚴(yán)格按設(shè)計(jì)圖紙要求的孔距、排距、角度等爆孔技術(shù)參數(shù)進(jìn)行鉆孔，確保爆孔位置、孔深和角度的誤差控制在規(guī)范允許范圍之內(nèi)。

4.2 裝藥的質(zhì)量控制

裝藥前，先將所有鉆孔采用高壓風(fēng)管插進(jìn)孔底進(jìn)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(shí)，發(fā)現(xiàn)已經(jīng)開始發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的藥劑應(yīng)廢棄，嚴(yán)禁裝入孔內(nèi)。

4.3 藥劑反應(yīng)時(shí)間的控制

藥劑反應(yīng)時(shí)間一般控制在30min～60min，不能太短，以免發(fā)生沖孔傷人的安全事故，具體的藥劑反應(yīng)時(shí)間，可根據(jù)現(xiàn)場的施工條件，通過試驗(yàn)測定。

圖6 邊坡施工效果

5 結(jié)論

①靜態(tài)爆破所使用的破碎劑不同于傳統(tǒng)炸藥，施工全過程無需布設(shè)雷管炸藥，是安全的非爆炸危險(xiǎn)品，無強(qiáng)烈沖擊波、無瞬間高能高溫、無飛石；并且無需辦理傳統(tǒng)炸藥所需的各種許可證等手續(xù)，減少施工前的準(zhǔn)備時(shí)間，提高工程進(jìn)度。

②施工過程中，不產(chǎn)生大量粉塵、毒氣，無聲、無振動，對周邊居民、企業(yè)的正常生產(chǎn)生活無不利影響，是爆破施工中最為環(huán)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(tǒng)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(jīng)濟(jì)效益。

③根據(jù)不同結(jié)構(gòu)物或石方山體節(jié)理發(fā)育特征，選擇適當(dāng)?shù)目拙唷⒖讖郊芭诳捉嵌?，能夠有效地解體、切割巖石和混凝土結(jié)構(gòu)。對于大方量石方山體，在靜態(tài)破碎劑快速起裂（一般在裝藥30min）后，再配合破碎錘及挖掘機(jī)，能夠迅速層層剝離巖體，以達(dá)設(shè)計(jì)要求。