城市復雜環境下水工隧洞靜態爆破施工技術

李杰浩，黃世林，羅登鋼，曾怡楓，肖宏麗

（中鐵二局第三工程有限公司，成都610036）

1 引言

城市水工隧洞主要是指在城市地下開挖的過水洞，其主要功能是用于城市供水、泄水、導流等。傳統水工隧洞開挖主要采用鉆爆法施工，而在城市復雜環境下，由于傳統爆破作業產生的有害效應十分明顯，對隧洞穿越區域周邊結構物及其他保護對象的影響及損傷是客觀存在的。因此，在城市復雜環境下的水工隧洞巖體開挖施工中，常采用靜態破碎施工技術，靜態破碎包括機械破碎、水磨鉆取芯及靜態爆破等，由于機械破碎及水磨鉆取芯受隧洞施工作業面及開挖進尺限制較大，因此，一般主要采用靜態爆破施工。

本文對靜態爆破技術進行研究，通過不斷優化調整靜態爆破設計參數和施工方法，提高了靜態爆破施工效率，從一定程度上解決了城市復雜環境下水工隧洞開挖難題。

2 工程概況

廣州市南沙區鳳凰湖水系連通及生態整治工程（3#、4#湖）位于蕉門河中心區，緊鄰豐澤西路，北側距離蕉門村約250 m，東側距離疊翠峰小區約200 m，南側距離萬科府前花園小區約230 m，場地內還存在一處通信塔無法搬遷。該工程包含5座水工隧洞，本文以其中的3#湖瀑布隧洞為例進行研究。該隧洞開挖斷面面積僅為6.2 m2，在水工隧洞中劃分為特小斷面，洞內為花崗巖，設計圖中進出口區域為Ⅳ類圍巖、其余區域為Ⅲ類圍巖。為避免傳統爆破產生的噪聲、振動和飛石對周邊居民、房屋和通信塔造成破壞，消除市區使用炸藥帶來的安全隱患，設計采用靜態爆破工藝進行隧洞開挖施工。本工程隧洞施工為其他多項施工內容的緊前工程，因此，對施工工期要求較高。

3 施工工法

靜態爆破開挖施工工藝流程為：選擇臨空面→設計鉆孔參數→鉆孔與清孔→選擇破碎劑→攪拌與裝灌→養護與反應→出渣與運輸→超欠挖處理。

3.1 選擇臨空面

將隧洞斷面分為左右2個開挖部分，用水磨鉆在掌子面正中間鉆孔掏槽，制造臨空面，在槽兩側鉆孔，破碎兩側巖體并開挖出碴。臨空面選擇如圖1、圖2所示。

圖1 臨空面選擇示意圖（單位：mm）

圖2 臨空面選擇現場圖

3.2 設計鉆孔參數

3.2.1 孔徑

孔徑是決定破碎效率的重要因素，破碎巖石時孔徑不宜小于40 mm，但也不宜大于65 mm[1]，孔徑過大會使破碎劑用量增大，在未采取措施情況下，由于巖體夾制易產生破碎劑噴出現象。本工程隧洞擬采用YT28氣腿式鑿巖機進行打孔，孔徑為42 mm。

3.2.2 孔距a

孔距a根據式（1）求得

式中，a為孔距，cm；K為破碎系數，若使用普通型破碎劑時，K值可從當前數據選取；d為孔徑cm。

本工程所在地區巖石為花崗巖，屬于較硬巖類，標準K值取7，計算孔距為a=7×42=294 mm，孔距取30 cm。為增強輪廓破碎效果，周邊眼取15 cm。

3.2.3 孔深L

鉆孔深度與被破碎體深度有關，鉆孔深度一般大于破碎體深度，它們之間的關系可用式（2）表示：

式中，L為孔深，m；H為被破碎體的深度，m；x為孔深系數，與約束條件有關，對于原巖x=1.05。

根據施工圖設計，每次進尺不超過3 m。為使靜態爆破效果更佳，結合現有水磨鉆取芯深度，初步確定單次破碎深度為1 m，3個開挖循環后進行噴錨支護。由于巖體為花崗巖，孔深系數取1.05，因此，鉆孔深度為L=1×1.05=1.05 m。

3.3 鉆孔與清孔

采用DJ2230G水磨鉆，垂直于掌子面鉆孔取芯，取芯直徑230 mm，取芯深度1 m，采用YT28氣腿式鑿巖機在取芯形成的臨空面左右兩側進行鉆孔，為避免裝藥后破碎劑倒流，打孔保持5°~10°的向下傾角。

因孔內巖屑和積水將影響破碎劑反應效果，鉆孔至設計孔深后，采用高壓風進行炮孔清吹，清除孔內巖屑及積水[2]。

3.4 選擇破碎劑

選擇高效無聲破碎劑（HSCA-Ⅱ）作為隧洞巖體破碎材料，HSCA-Ⅱ主要由游離氧化鈣（f-CaO）、硅酸三鈣（C3S）、鐵鋁化合物等材料配以石膏和木鈣以一定比例磨粉混合而成[3]；破碎劑存放在專門的施工棚內，保持環境干燥，防止受潮。

3.5 選擇脹裂順序

為使靜態破碎時能有更多更大的自由面，以提高膨脹破碎效果，炮孔中破碎劑的灌裝順序應考慮一定的時間差[4]。因此，破碎劑灌裝順序為：先裝前排炮孔，再依次往后逐排裝填后排炮孔。這樣前排炮孔先產生反應，先破碎的炮孔可減少前排的夾制作用，從而取得較好的靜態破碎效果。

3.6 攪拌與裝灌

選擇的水灰比為：水∶破碎劑=0.3∶1。將破碎劑質量比為30%的水倒入容器中，然后倒入破碎劑，操作人員戴好橡膠手套，將混合物攪拌成為具有流動性的均勻漿體。由于鉆孔具有一定傾角，可直接采用灌壺將漿體灌入孔中，攪拌好的破碎劑漿體，必須在10 min內用完，否則流動性和破碎效果將會降低。

由于破碎劑具有一定腐蝕性，在攪拌和灌注過程中，施工人員必須佩戴橡膠手套和護目鏡，且不得直視炮孔口，以防發生噴漿傷害眼睛，漿體碰到皮膚和眼睛時，要立即用大量清水沖洗。

3.7 養護與反應

在夏季裝填完漿體后，孔口用土工布覆蓋，以免發生噴孔。冬季氣溫過低時，進行覆蓋保溫。藥劑反應時間過快容易發生沖孔傷人事故，且反應時可能脹裂巖體造成破碎體掉落傷人，發生物體打擊傷害，因此，在反應時應設警戒線，禁止無關人員進入。

3.8 出渣與運輸

當巖面未完全破碎或破碎下來的巖石體積較大時，采用劈裂棒或風鎬單獨破碎至合適尺寸[5]，洞內用人工配合小型裝載機裝車出渣，洞外用自卸車進行運輸。

3.9 超欠挖處理

隧洞不允許欠挖，隧洞欠挖時，采用劈裂棒、風鎬等進行處理；隧洞超挖時，采用噴射混凝土進行噴射回填。

4 提高施工效率及經濟性的措施

4.1 調整開挖進尺

通過查閱相關資料、類似工程記錄并咨詢破碎劑廠家專業人員明確，靜態爆破單次破碎深度一般不超過2.0 m，本工程原方案單次開挖進尺為1.0 m，考慮到現有技術水平及不可預見性原因，按照理想狀態的70%進行考慮，因此，將單次開挖循環進尺定為1.4 m，在此開挖進尺條件下，要達到目標值效率，需要加強破碎效果，可從調整臨空面、鉆孔參數和破碎劑品種方面進行考慮。

4.2 調整臨空面

臨空面數量對靜態爆破破碎效果影響尤為明顯，臨空面越多，靜態爆破效果越好。先用水磨鉆在掌子面周邊和底部取芯，將臨空面由原來的1個增加為多個，使掌子面中部巖體呈四周懸空狀態。此方法充分利用了巖體自重產生的下墜拉力，增強了破碎劑膨脹效果，增加臨空面后，雖相應增加了水磨鉆取芯時間，但減少了周邊巖鑿巖鉆孔數量，也減少了靜態爆破鉆孔和裝藥時間，同時，大幅提高了破碎效果。因此，破碎大塊和欠挖處理時間也大幅降低。

4.3 調整鉆孔參數

通過觀察項目一處孤石靜態爆破不同孔距的巖體破碎效果，發現孔距較小區域產生裂縫時間較早，孔距較大區域產生裂縫時間較晚，通過查看靜態破碎劑產品說明書并咨詢廠家專業人員，廠家建議靜爆鉆孔孔距不超過6倍孔徑，本隧洞鉆孔孔徑為42 mm，因此，本隧洞孔距減小為25 cm，減小孔距后，打孔和裝藥時間均有所增加，但破碎效果更佳，因此，減少了破碎大塊和欠挖處理時間。

4.4 改變破碎劑品種

由于入夏后廣州溫度持續升高，施工期白天平均溫度已達35.5℃，原方案采用的HSCAⅡ破碎劑適用的溫度為10～30℃，在此高溫下已不再適用；HSCAⅠ的適宜的反應溫度為25~40℃，且在相同的反應時間下，HSCAⅠ比HSCAⅡ達到的膨脹壓更高，且最終的膨脹壓也更高，因此，決定將HSCAⅡ更換為HSCAⅠ。破碎劑更換后，反應速度更快，破碎效果更好，相應縮短了破碎大塊和欠挖處理的時間。

4.5 施工效率及經濟性比較

調整臨空面、鉆孔參數和更換破碎劑品種后，達到破碎效果的反應時間、破碎大塊和欠挖處理時間顯著縮短，鉆孔清孔和攪拌裝灌時間也有所降低，雖然增加了臨空面導致水磨鉆取芯制造臨空面時間有所增加，但因為同時增加了破碎體深度，因此，總體施工效率得到了顯著提升。3#湖瀑布隧洞總長44.5 m，采取3種綜合改進措施后，技術人員如實記錄了各工序時間，并與改進前進行了對比，發現每循環開挖施工時間節約了2.2 h，施工效率提高了0.5 m/d，總工期縮短了17.6 d，

改進后，技術人員同時對機械臺班、勞動力和破碎劑用量進行了統計，發現水磨鉆增加了58.3臺班，YT28氣腿式鑿巖機減少了25.1臺班，劈裂棒、風鎬減少了49.5臺班，裝載機減少了0.8臺班，開挖勞動力減少了96.8工日，破碎劑減少3 561.1 kg，節約費用共計53 281.1元。

綜上，采取優化措施后，每開挖循環節約了2.2 h，每循環進尺增加了0.4 m，施工效率提高了0.5 m/d，總工期節約了17.6 d，取得了53 281.1元的經濟效益。

5 結語

鳳凰湖隧洞采用靜態爆破施工技術，現場技術人員根據靜態爆破基本原理，結合工程現場實際情況，采取了一系列優化改進措施，縮短了開挖循環時間，提高了施工效率，節約了施工工期，提高了施工經濟性，且改進后破碎效果更佳，隧洞成型效果更好，在確保施工安全、周邊結構物安全和避免爆破有害效應擾民的前提下，滿足了施工工期要求。

但該工程應用也表明，靜態爆破施工也存在一定局限性，如施工成本較高，與傳統爆破相比效率仍然較低，僅在特定環境下的硬巖體開挖中使用該技術具有較大安全環保優勢及一定的進度優勢。