靜態(tài)爆破技術(shù)在隧道開(kāi)挖施工中的應(yīng)用

梁曉峰

(中鐵十八局集團(tuán)有限公司,天津 300222)

1 工程概況

靜態(tài)爆破技術(shù)是一種新的破碎或切割巖石及混凝土的技術(shù),與傳統(tǒng)的炸藥爆破相比,它具有無(wú)噪聲、無(wú)振動(dòng)、無(wú)飛石及無(wú)炮煙污染等特點(diǎn),主要應(yīng)用在環(huán)保要求較高的混凝土拆除工程、石材荒料開(kāi)采領(lǐng)域,近幾年在一些隧道開(kāi)挖施工中也有應(yīng)用。

襄渝鐵路二線新紫陽(yáng)隧道穿越紫陽(yáng)縣城繁華商業(yè)街、居民區(qū)和 310省道,隧道埋深 5～130 m,且距右側(cè)既有紫陽(yáng)隧道 25～31 m。為保證隧道附近居住房屋、310省道和既有紫陽(yáng)隧道不受擾動(dòng),決定采取靜態(tài)爆破技術(shù)。

2 洞身開(kāi)挖施工方法及工藝

本隧道為單線鐵路隧道,全長(zhǎng)為 490 m,從進(jìn)出口雙向掘進(jìn),采用靜態(tài)爆破技術(shù)進(jìn)行洞身開(kāi)挖。總體施工方法為液壓式巖石分裂法掏槽、靜態(tài)破碎劑破碎、液壓式巖石分裂機(jī)修邊開(kāi)挖法。現(xiàn)主要將液壓式巖石分裂法掏槽、靜態(tài)破碎劑破碎二部分的施工工藝介紹如下。

2.1 液壓式巖石分裂法掏槽

2.1.1 達(dá)爾達(dá)液壓分裂機(jī)簡(jiǎn)介

采用液壓式巖石分裂機(jī)替代爆破和傳統(tǒng)的破碎方法,主要因?yàn)樗谄扑閹r石或混凝土?xí)r不會(huì)產(chǎn)生壓力波,也沒(méi)有振動(dòng)、噪聲和粉塵,而且操作簡(jiǎn)便,特別是對(duì)破碎體積小,要求短時(shí)間內(nèi)完成的項(xiàng)目非常適用。本項(xiàng)目采用的是德國(guó)達(dá)爾達(dá)液壓巖石分裂機(jī),該分裂機(jī)由三部分組成:液壓動(dòng)力站,高、低壓油管,分裂機(jī)。整機(jī)圖片見(jiàn)圖1。

圖1 達(dá)爾達(dá)分裂機(jī)整機(jī)

2.1.2 施工過(guò)程

首先根據(jù)設(shè)計(jì)要求確定劈裂巖石的分割線,根據(jù)巖石的劈裂難易程度布孔,確定鉆孔深度和孔間距,鉆孔深度必須大于中間楔塊伸出的最大值,排孔應(yīng)在同一平面內(nèi),避免出現(xiàn)犬齒孔。在本工程中該分裂機(jī)主要用來(lái)掏槽和開(kāi)挖外輪廓修邊,掏槽鉆孔深度 50～60 cm,孔間距 10～20 cm,鉆孔完成后將一個(gè)或多個(gè)分裂機(jī)插入鉆好的排孔內(nèi),啟動(dòng)液壓動(dòng)力系統(tǒng),中間楔塊在液壓力的推動(dòng)下伸出,迫使夾在它兩邊的一對(duì)反向楔塊向巖石孔洞的兩壁擴(kuò)張,幾秒鐘內(nèi)就可以破開(kāi)材料。隨后,縮回中間楔塊,拔出分裂機(jī),進(jìn)行掏槽,作為下一步靜態(tài)爆破的臨空面。

2.2 靜態(tài)破碎劑破碎施工

2.2.1 破碎機(jī)理

靜態(tài)爆破(又稱(chēng)靜態(tài)破碎)是將一種含有鈣、鋁、鎂、硅、鐵等元素的無(wú)機(jī)鹽粉末狀破碎劑,用適量水調(diào)成流動(dòng)狀漿體,直接灌入鉆孔中,經(jīng)水化反應(yīng)后,產(chǎn)生巨大膨脹壓力(可達(dá) 30～50 MPa),將混凝土(抗拉強(qiáng)度 1.5～3.0 MPa)或巖石(抗拉強(qiáng)度 4.0～10.0 MPa)脹裂、破碎。

2.2.2 影響膨脹壓力的因素

靜態(tài)爆破方法主要是利用靜爆劑的膨脹壓力來(lái)劈裂混凝土或巖石,因此在破碎設(shè)計(jì)之前,首先須要了解破碎劑的性能,影響膨脹壓力的因素,然后才能進(jìn)行鉆孔參數(shù)的設(shè)計(jì),進(jìn)行無(wú)聲破碎施工,為此必須考慮以下幾點(diǎn):

1)溫度。因破碎劑的主要成分為 C a O,環(huán)境溫度越高,破碎劑水化反應(yīng)越快,其膨脹壓力也越高。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)得出,某一破碎劑,在20℃時(shí),膨脹壓力達(dá) 40 MPa;而在13℃時(shí),膨脹壓力僅達(dá) 20 MPa。而且當(dāng)溫度低于15℃時(shí),膨脹壓力急劇延遲,在30℃以上時(shí),破碎劑的膨脹壓力迅速提高。

2)水灰比。所謂水灰比就是水與破碎劑的質(zhì)量比,膨脹壓力隨水灰比的增大而減小。試驗(yàn)證明,破碎劑的水灰比為 20%時(shí),膨脹壓力非常大,但流動(dòng)性很差,水灰比 ＞30%時(shí),盡管流動(dòng)性好,但膨脹壓力下降太多。因此,考慮施工的可靠性,水灰比在 25%～30%為宜。紫陽(yáng)隧道采用的破碎劑為棒狀,它用強(qiáng)力紙做成圓筒狀,在水中浸泡 2 min,約吸水 25%,膨脹效果很好。

3)孔徑。一般來(lái)說(shuō),隨孔徑增大,膨脹壓力也將提高,因?yàn)殂@孔直徑越大,裝入破碎劑漿體多,所以膨脹壓力也越大。但是當(dāng)孔徑超過(guò) φ 60 mm時(shí),藥量增加太大,當(dāng)遇到30℃以上施工環(huán)境時(shí),水化和放熱速度快,可能會(huì)發(fā)生噴孔現(xiàn)象。

4)填充密實(shí)度。破碎劑填充密實(shí)度與水灰比和管孔作業(yè)有關(guān)。試驗(yàn)證明,破碎劑的密實(shí)度從 1.22 kg/cm3提高到 1.65 kg/cm3時(shí),在水灰比為 30%的同樣條件下,膨脹率從 0.5%增加到 6.5%,而壓縮力也從 10 MPa提高到 30 MPa,這也證明填充密實(shí)度越高,則膨脹和破碎效果越好。

2.2.3 鉆爆設(shè)計(jì)與施工

開(kāi)挖的整個(gè)施工程序?yàn)?確定開(kāi)挖步驟→巖體調(diào)查→靜爆設(shè)計(jì)→鉆孔→選擇靜爆劑→裝藥充填→脹裂→二次破碎→清理→檢查斷面。

1)開(kāi)挖步驟。按照該單線隧道開(kāi)挖斷面特點(diǎn),將其分為 4個(gè)部分進(jìn)行開(kāi)挖(見(jiàn)圖2),分別為 1、2、3、4部分,安排 1部超前開(kāi)挖,利用 1部開(kāi)挖空間,以掌子面為臨空面,進(jìn)行豎向打眼開(kāi)挖 2部,這樣不但可以節(jié)約搭拆腳手架,安全施工,而且可以提高施工效率。同樣利用 2、3部超前開(kāi)挖 3、4部。在隧道開(kāi)挖外輪廓處,或者由于斷面輪廓為曲線無(wú)法豎向打眼處,則預(yù)留20～40 cm修邊層,采用順幫鉆孔,準(zhǔn)確修邊。修邊層由于體積較小,利用達(dá)爾達(dá)巖石分裂機(jī)可在短時(shí)間內(nèi)完成,實(shí)現(xiàn)時(shí)間可控,超欠挖可控,安全生產(chǎn)。

2)巖體情況。新紫陽(yáng)隧道大多為Ⅱ、Ⅲ級(jí)圍巖,占整個(gè)隧道的 85%,屬于中硬巖。本施工工藝主要用于Ⅱ、Ⅲ級(jí)圍巖,而且在中硬巖中靜爆效果較好。該隧道也有Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖,采用液壓破碎錘或大功率挖掘機(jī)等其他方法開(kāi)挖。

3)鉆孔與堵塞。鉆孔采用氣腿式風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī),鉆眼孔徑為 φ 38 mm～φ 50 mm,第 1部鉆孔與掌子面垂直,掏槽眼安排在隧道中線位置,共計(jì) 5排 80個(gè)孔,鉆孔間距 10 cm,鉆孔深度 55 cm,中間一豎排鉆孔直徑為 φ 50 mm,做為臨空面,兩側(cè)豎排掏槽眼孔徑為 φ 42 mm,安放達(dá)爾達(dá)巖石分裂機(jī)。掏槽后其余斷面采用正常靜爆破,整個(gè) 1部的完成為第 2部開(kāi)挖提供豎向鉆孔作業(yè)面。

第 2部豎向鉆孔布置見(jiàn)圖3。根據(jù) K系列產(chǎn)品技術(shù)要求,在中硬巖中,鉆孔間距 a=15～36 cm時(shí)最佳,經(jīng)過(guò)試驗(yàn)取 a=25 cm,鉆孔確定為25 cm×25 cm網(wǎng)狀布置,縱向每次鉆孔 5排即進(jìn)尺 1.25 m,豎向鉆孔深度 1.3 m。第 2部采用二臺(tái)階鉆孔開(kāi)挖,同樣第 3部和第 4部采用上述方法施工,這樣 1、2、3、4部可形成流水作業(yè),有效利用了作業(yè)面,利于加快施工進(jìn)度。

圖3 豎向鉆孔布置圖(單位:cm)

堵塞的作用在于增加炮孔約束條件,提高脹裂效果。對(duì)于向上傾斜的炮眼還起到裝藥后防止藥卷下掉的作用。堵塞可用木塞或塑料塞,也可用炮泥,堵塞長(zhǎng)度 10 cm左右。

4)靜爆劑種類(lèi)的選擇。由于普通靜爆劑水化速度慢,水化反應(yīng) 24 h左右時(shí),才能接近最大膨脹壓力,無(wú)法滿足隧道掘進(jìn)要求,故新紫陽(yáng)隧道采用了 K系列快速靜爆劑,K系列快速靜態(tài)破碎劑除主體膨脹破碎劑藥卷外,還有一種熱敏劑靜態(tài)破碎劑卷,可加速靜爆劑的水化反應(yīng)。其主要技術(shù)指標(biāo)為:最大膨脹壓力 50～60 MPa,水化反應(yīng)時(shí)間 10～60 min,適用環(huán)境溫度-16℃～35℃,可根據(jù)不同季節(jié)及施工環(huán)境溫度選用 K-Ⅰ ～K-Ⅳ型靜爆劑。

5)炮眼脹裂順序。為使各類(lèi)炮眼在脹裂時(shí)能有更多更大的自由面,以提高脹裂效果,各類(lèi)炮眼在脹裂順序上應(yīng)存在一個(gè)時(shí)間差。為此,在炮眼破碎順序上的安排第 1部:掏槽眼→輔助眼→周邊眼;第 2、3、4部為前排先破碎→后排后破碎的順序,其中在前排一定范圍內(nèi)可以同時(shí)裝藥,后面每排依次推遲 0.5 h后裝藥破碎,可減少前排挾制,而取得較好破碎效果。

6)裝藥。靜態(tài)爆破與炸藥爆破不同,裝藥需基本填滿炮孔,按照空孔總長(zhǎng)計(jì)算,并隨孔徑、孔距而異。破碎劑的總用藥量按照被破碎體積乘以單位體積耗破碎劑量的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)按下式計(jì)算:

式中,Q為破碎劑總用藥量(kg);V為破碎體積(m3);q為單位體積耗破碎劑量(kg/m3)。q參照表1使用。

表1 破碎劑單位體積用藥量

藥卷裝入鉆孔后用木棍搗實(shí)。鉆孔裝藥結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4。

圖4 裝藥結(jié)構(gòu)圖

7)循環(huán)作業(yè):第 1部每一掏槽循環(huán)進(jìn)尺 0.5 m,對(duì)應(yīng)輔助眼和周邊眼進(jìn)尺也為 0.5 m,每天二次掏槽二次破碎循環(huán)進(jìn)尺 1.0 m。第 2、3部每天 1循環(huán),進(jìn)尺1.25 m。第 4部由于暴露時(shí)間較長(zhǎng),加上有裂隙水的浸泡,巖石風(fēng)化較快,部分地段采用破碎錘及大功率的挖掘機(jī)可開(kāi)挖,進(jìn)尺較快。

2.3 出渣

由于采用分部臺(tái)階開(kāi)挖,各部開(kāi)挖空間較小,第1、2部只能采用人工 +小推車(chē)的出渣方式,將 1、2部的渣堆在第 3部,再利用挖掘機(jī)(安放在第 4臺(tái)階上)一同出渣。

靜態(tài)爆破劑發(fā)生作用后,巖石大部分已經(jīng)出現(xiàn)裂紋,然后利用挖掘機(jī)裝配的液壓破碎錘將大塊巖石二次破碎分解,然后利用裝載機(jī)、運(yùn)輸車(chē)出渣。

3 靜爆作業(yè)注意事項(xiàng)

1)靜爆劑漿體略有腐蝕性,操作人員必須戴手套、防護(hù)眼鏡及口罩,工作完畢,應(yīng)及時(shí)洗臉和洗手,以防堿性刺激皮膚。

2)裝填炮孔時(shí),每卷均要搗實(shí),孔口要堵塞,在灌漿到裂縫出現(xiàn)前,不得在近距離直視孔口,以防發(fā)生噴孔現(xiàn)象,傷害眼睛。

3)炮孔內(nèi)積水在裝藥前應(yīng)排除干凈,防止水灰比過(guò)大,靜爆效果降低。

4)熱敏劑藥卷浸水溫度應(yīng)控制在25℃以下,浸水時(shí)間不要超過(guò) 2 min,防止藥卷外殼在水中脹破。

5)破碎劑應(yīng)隨配隨用,配制好的藥卷漿體應(yīng)盡快裝入鉆孔內(nèi),并應(yīng)在 10 min內(nèi)用完。

4 結(jié)語(yǔ)

襄渝鐵路二線新紫陽(yáng)隧道在開(kāi)挖過(guò)程中采用了靜態(tài)爆破,取得了良好的效果,不僅滿足了隧道工期,而且保證了當(dāng)?shù)鼐用竦恼Ｉ?實(shí)現(xiàn)了 310國(guó)道和既有紫陽(yáng)隧道的運(yùn)營(yíng)安全,得到的當(dāng)?shù)卣I(yè)主、設(shè)計(jì)和監(jiān)理單位的一致認(rèn)可。

但是靜態(tài)爆破也存在一定問(wèn)題,比如施工成本較高,鉆孔過(guò)多導(dǎo)致開(kāi)挖進(jìn)度不如傳統(tǒng)爆破速度快,破碎效果受溫度影響較大,開(kāi)裂時(shí)間不宜控制等,因此該方法只有在特殊的施工環(huán)境下及個(gè)別有約束條件的工程中采用。

[1]游寶坤.靜態(tài)爆破技術(shù)——無(wú)聲破碎劑及其應(yīng)用[M].北京:中國(guó)建材工業(yè)出版社,2008.