復雜敏感環境下大孔徑靜態爆破施工技術

汪慶桃, 胡其高, 陳志陽, 錢浩勇

（國防科技大學軍事基礎教育學院，湖南 長沙 410072）

0 引 言

靜態爆破技術是利用靜態破碎劑膨脹破碎巖石的一種技術，又稱靜態膨脹技術，該技術起源于日本。到20世紀80年代，靜態爆破技術趨于成熟。我國從 1980年開始研究該技術，最早由武漢建材學院進行，并于1982年研究成功，取名為JC-1系列破碎劑。靜態破碎劑的主要成分為CaO，主要原理為CaO與水發生化學反應，生成Ca(OH)2，同時體積快速膨脹，并放出大量熱。膨脹對周圍介質產生壓力，當壓力超過周圍介質材料的屈服強度時，材料就發生破碎[1-3]。由于靜態爆破整個過程無聲音、無飛石、無污染、不產生振動[4-5]，所以在某些對爆破災害控制要求非常嚴格的場合下得到了廣泛的應用。

當前的靜態爆破主要基于 50 mm以下的小孔徑范圍進行。小孔徑靜態爆破破巖效率低，在某些對施工周期要求較為嚴格的場合則存在較大的局限性。實踐表明，增大炮孔孔徑可以明顯提高開挖效率，但是隨著炮孔孔徑的增大，在傳統施工工藝的情況下，破碎效果不佳，而且還容易發生沖孔。目前對于大孔徑靜態爆破施工技術，除了少數文獻之外[6]，公開發表的文獻較少。

新建長沙地鐵3號線長沙火車站無縫對接正在運營的地鐵2號線，在基坑開挖過程中，在2號線兩側較大范圍內碰到了巖石，為了確保地鐵2號線的正常運營，石方開挖不能采取爆破的方法進行，而機械法和傳統的小孔徑靜態破碎劑法又速度太慢，不能滿足工期的需要，于是提出了采用大孔徑靜態爆破技術。

1 工程概況

地鐵3號線長沙火車站站地處繁華地帶，位于五一大道和車站中路交叉路口的東側，沿車站中路呈南北布置。周圍環境如圖1所示。

車站埋深23.61 m，覆土3.3 m，車站基坑采用明挖法+局部蓋挖法施工，基坑開挖總體原則是在已建2號線南、北兩側對稱開挖，車站結構及工程地質概況如圖2所示。從圖2可以看出，地層從上至下依次為雜填土、粉質粘土、圓礫、殘積粉質粘土、強風化砂巖和中風化砂巖共6層。上面4層直接采用挖機開挖，強風化泥質粉砂巖為紫紅色、泥質膠結、巖石風化、節理裂隙發育、遇水易軟化，中風化砂巖為紫紅色，粉細粒、中厚層狀構造，泥質膠結，節理裂隙發育，多為鈣質或泥質物充填，巖芯上偶見溶蝕小孔，巖芯較完整，錘擊聲較脆，巖體質量等級為Ⅳ～Ⅴ類。強風化和中風化泥質砂巖交錯分布，挖機在挖掘過程中，效率很低，傳統爆破法雖然作業效率高，成本低，但在如此復雜的情況下進行爆破作業，存在著很大的安全風險。在工期緊、安全壓力大的情況下，擬采用大孔徑靜態爆破技術進行巖石破碎。

圖1 長沙火車站站平面位置

圖2 既有線車站結構及基坑周圍地質

2 大孔徑靜態爆破破巖機理

大孔徑靜態破碎劑與水混合后填充到炮孔中，在水化作用下體積不斷增大，由于受到堵孔裝置的約束，產生的膨脹壓力轉化為沿炮孔孔壁徑向方向的壓應力和切向方向的拉應力。對于巖石等脆性材料，通常具有抗拉強度低、抗壓強度高的特點，且巖石是不連續性、各向異性的物質，內部不可避免的存在節理、斷層等初始微裂紋。當巖石內部所受拉應力超過其抗拉強度時，膨脹壓力在微裂紋尖端會出現應力集中，在應力作用下產生裂縫，巖石失穩開始破碎。

對于靜態破碎劑破巖機理的分析，目前的文獻研究主要集中破碎劑水化作用后的能量輸出特性方面，巖石的破碎機理主要在定性描述方面，定量的研究則較少[7]。本文基于大孔徑靜態爆破膨脹特性，基于彈性力學理論，對雙孔情況下巖石的破碎理論，進行了分析。首先假設：

（1）炮孔周圍介質為連續的、各向同性的理想彈性體；

（2）大孔徑靜態爆破膨脹壓力加載過程近似為靜載過程；

（3）忽略炮孔沿軸線方向的位移，膨脹壓力的作用過程視為平面均勻分布的壓力。

如圖3所示，炮孔O1、O2的距離為l，在t時刻，靜態破碎劑在孔 O1內產生 q1(t)的壓力，在孔O2內產生q2(t)的壓力，則在兩炮孔之間的某一微元的受力狀態如圖3所示。

圖3 雙孔巖石受力分析

根據假設條件，膨脹壓作用過程為一個準靜態過程，則兩孔間的作用效果為各孔作用效果的疊加。因此，在兩孔中心的連線上任意一點 A點受力為：

對r求導為：

該極值點相應應力為：

則兩炮孔連心線上應力最小值為：

在工程實踐中，通常炮孔孔徑、破碎劑類型及裝藥結構等都相同，因此，兩炮孔參數及作用效果一致，即，則式（7）可寫為：

根據第三強度理論，當mintRσ≥時，巖石介質開始破碎失穩，即：

亦即：

式中：[]σ為破碎巖石介質的極限抗拉強度。

隨著靜態破碎劑膨脹壓力的增大，巖石在孔壁附近處出現破裂，裂紋不斷延伸，最終孔與孔之間產生的裂隙相連通。

3 大孔徑靜態爆破的施工工藝

3.1 大孔徑靜態破碎巖石的孔口堵塞裝置

當炮孔孔徑小于 50 mm時，裝藥工藝比較簡單，一般不需要采取特別的填塞措施，而且大部分均能滿足要求。在采用大孔徑靜態爆破時，膨脹產生的壓力容易導致沖孔事故，這時，要采用特殊的堵塞方法。

對此，本文設計了一種用于大孔徑靜態破碎巖石的孔口堵塞裝置，通過簡單操作該裝置，達到快速、有效堵塞孔口的目的。

圖4為堵塞裝置的剖視圖，圖5為堵塞裝置俯視圖。如圖4所示，堵塞裝置由上部和下部兩部分組成，上部和下部均為圓柱體。平時，保險銷插入保險銷孔，并擋住擊針，擊針簧呈壓縮狀態。在使用時，堵塞裝置下部插入炮孔中，上部蓋住炮孔。拉出保險銷，擊針失去控制，在擊針簧的張力作用下往外彈出，頂在炮孔壁上。由于擊針簧的張力很大，且擊針的頭部較為鋒利，所以堵塞裝置與炮孔壁產生較大的摩擦力，從而實現對炮孔快速封堵、防止沖孔發生的目的。

圖4 堵塞裝置剖視圖

圖5 堵塞裝置俯視圖

3.2 大孔徑靜態爆破的施工流程和施工工藝

大孔徑靜態爆破施工工藝流程一般為：準備工作、網孔參數設計、配置破碎劑、裝填破碎劑、填塞、養護等5個階段。

3.2.1 準備工作

施工前，首先需了解破碎巖石的有關性質，如巖石的種類、性質、紋理結構、風化程度、強度特性等等；其次要清理工作面，將工作面上的可清除的雜質及影響鉆孔的巖渣等清理干凈，以便于后續鉆孔；第三，選擇合適的靜態破碎劑。環境溫度與靜態破碎劑水化速度、膨脹壓力成正比，選擇合適的靜態破碎劑型號，對于確保爆破效果和施工進度有著重要的意義。一般破碎劑分夏季型和冬季型，在選取時，應根據確定的環境、巖石等實際情況，選擇合適的靜態破碎劑。

3.2.2 網孔參數設計

（1） 孔徑。根據本工程情況選用90 mm孔徑。

（2） 最小抵抗線W。本工程為強風化/中風化砂巖，W取50～90 cm。

（3） 孔距（a）與排距（b）。a、b的選擇直接決定著施工成本及破碎效果。一般來說，a、b值越大，鉆孔數量越少，鉆孔及藥劑成本都會下降。但是隨著a、b值的變大，巖石塊度也會增大，當a、b增大到一定值時，破碎效果不好甚至不能破碎巖石。所以，理論上根據一定的地質條件，會存在一個最優的 a、b值。工程中一般在施工前根據現場試驗確定。本工程為強風化/中風化砂巖，a、b值取50～90 cm為宜。

（4） 鉆孔深度（H）。H跟開挖效率相關，H大，整個開挖效率高，但是對鉆孔精度要求相對較高，因為口部較小的偏差，都可能造成孔底出現較大的偏差，從而使得破碎效果不好；相反，H太小，開挖效率低，經濟效益差。本工程H取1.5～2.5 m。

3.2 .3 配置破碎劑

準備好盛裝容器，先將水倒入容器中，其重量約為破碎劑重量的20%～40%，然后再加入靜態破碎劑，邊加邊用手持式攪拌機或木棒攪拌均勻，使其粘稠度適中。

3.2 .4 裝填破碎劑

破碎劑的裝填是靜態爆破的一個重要環節，裝填質量直接決定了巖石破碎效果的好壞。在裝填之前必須先清孔，要注意，在清孔之前要等炮孔內的溫度下降到一定程度后再進行。清孔可以用風管吹。破碎劑裝填過程要快速，以防止硬化，此外，在裝填過程中，要邊裝填邊用木棒搗實，直至把整個炮孔填滿。

3.2 .5 填 塞

采用專用的堵孔器堵塞。首先，檢查堵塞裝置擊針空室內的擊針情況、保險銷保險狀態，確保保險銷擋住擊針，擊針簧成壓縮狀態；其次，對炮孔口部周圍進行簡單的清理，將本裝置的下部插入炮孔內，直到本裝置的上部完全蓋住炮孔口部為止；第三，用手依次拔出保險銷，可聽到“叮當”一下的聲音，這是擊針在擊針簧的張力作用下頂在炮孔壁上的聲音；第四，當所有保險銷都拔出以后，用手握住堵塞裝置的上部，并輕微旋轉，用手輕輕上下移動本裝置，確保所有擊針完全與炮孔壁緊密接觸。

3.2 .6 養 護

靜態破碎劑發生化學反應進入膨脹狀態需要一個時間過程，這個過程即養護。在夏季，溫度比較高，可以對炮孔進行覆蓋，防止在膨脹過程中個別炮孔由于壓力太大或堵塞不緊密而發生沖孔破壞的現象。在冬季，氣溫較低，覆蓋可以實現孔內保溫的作用，加快破碎劑的化學反應速度，從而確保破碎效果。

4 結 論

本文以長沙市軌道交通地鐵3號線長沙火車站站基坑開挖工程為背景，介紹了大孔徑靜態爆破技術在地鐵車站基坑開挖中的應用，并對大孔徑靜態爆破破巖機理進行了分析，優化了大孔徑靜態爆破施工工藝，研發了大孔徑靜態爆破的專用堵孔裝置，實現了既有地鐵線路零距離處大孔徑靜態爆破施工，保障了既有線安全運營。