淺談復(fù)雜環(huán)境條件下靜態(tài)破碎與鉆爆法結(jié)合的施工技術(shù)

李瑋韜

(中國葛洲壩集團第二工程有限公司，四川 成都 610091)

0 引言

靜態(tài)破碎技術(shù)(又稱靜態(tài)破碎法)是近年來迅速發(fā)展的一項新技術(shù)，是一種無需使用炸藥就能使巖石和混凝土破裂的施工方法。其原理是將靜態(tài)破碎劑裝入巖石或混凝土事先布眼的鉆孔后加水，利用其與水混合后的水化反應(yīng)，使破碎劑晶體發(fā)生形變，導(dǎo)致體積逐步膨脹，產(chǎn)生巨大的膨脹壓力并施加至孔壁，經(jīng)過一段時間后達到峰值，從而使巖石或混凝土脹裂。此種施工方式可以滿足在無振動、無沖擊波、無飛石、無噪音等條件下破碎巖石，適用于各種復(fù)雜且不能使用炸藥的環(huán)境，但缺點是施工效率較低。

隨著工程建設(shè)領(lǐng)域不斷的規(guī)范和成熟，施工過程中對生態(tài)、環(huán)保等各方面的要求也進一步提高，部分特殊環(huán)境下對炸藥的使用限制要求也越來越嚴苛，故靜態(tài)破碎技術(shù)越來越受到青睞，并廣泛應(yīng)用于各種工程實踐中。本文以澳門路環(huán)-九澳隧道建造工程為例，介紹了靜態(tài)破碎技術(shù)與鉆爆法結(jié)合運用的施工工藝在隧道建造過程中的具體應(yīng)用。

1 工程概述

澳門路環(huán)-九澳隧道工程為雙孔單向公路隧道，隧道呈西北-東南走向，北接機場大馬路，南接九澳圣母馬路，項目建成后將大大改善目前氹仔市區(qū)通往九澳港貨柜碼頭等地的交通負荷，提升人員在境外和內(nèi)部交通系統(tǒng)的轉(zhuǎn)乘效率，實現(xiàn)“無縫換乘對接”。主要工作內(nèi)容有隧道工程、道路工程、建筑工程及橋梁工程。其中隧道工程包括左線隧道(含北洞口假隧道及南洞口明挖覆蓋隧道)共計457.3 m、右線隧道部分(含北洞口假隧道及南洞口明挖覆蓋隧道)共計428.43 m。典型開挖斷面為10.47 m×12.3～12.7 m(高×寬)的城門洞型，襯砌厚度45 cm。

2 問題分析

澳門路環(huán)-九澳隧道工程南洞口位于九澳堤壩馬路下方，距離路環(huán)發(fā)電廠應(yīng)急出口約70 m，距離路環(huán)發(fā)電廠廠房外墻約100 m。南洞口頂部道路上布設(shè)有澳電公司(CEM)地下配電纜及澳門自來水股份公司的供水管道，且缺乏詳細的地下管線資料，地下配電纜及管道的埋設(shè)深度及位置尚不明確。由于本項目所處地理位置特殊，周邊環(huán)境極其復(fù)雜，經(jīng)過分析研究，認為本項目的重點和難點有如下幾點。

1)本項目鄰近路環(huán)發(fā)電廠，極限質(zhì)點速度控制要求嚴格，采用常規(guī)的爆破方式施工不可行，可能會對發(fā)電廠廠房及機組造成破壞，影響路環(huán)發(fā)電廠正常運行；非爆破開挖方式雖可避免擾動，但效率低下，難以滿足總工期要求。

2)項目周邊管線錯綜復(fù)雜，施工過程中隨時可能會導(dǎo)致電纜和管道受到破壞，影響較大。

3 研究思路

由于本項目地理位置特殊，根據(jù)招標文件要求及現(xiàn)場條件所示，距離路環(huán)發(fā)電廠較近的位置無法采用鉆爆法進行開挖施工，而項目工期又比較緊。經(jīng)過研究分析以及方案比選，為保證電廠的正常運行和避免破壞周圍管線，在南洞口處的洞外石方擬采用靜態(tài)破碎技術(shù)進行開挖，洞內(nèi)部分根據(jù)現(xiàn)場試驗情況采取鉆爆法進行隧道開挖施工，以確保工期可控。

4 靜態(tài)破碎技術(shù)

靜態(tài)破碎的施工工藝流程為：施工準備—設(shè)計布孔—測量定位—鉆孔—裝藥—藥劑反應(yīng)—出渣。

4.1 靜態(tài)破碎劑選擇

靜態(tài)破碎劑的膨脹速度與溫度關(guān)系密切，根據(jù)南洞口的施工安排及施工期間的天氣狀況，擬采用適用溫度10℃～25℃的Ⅱ型破碎劑。

4.2 鉆孔

鉆孔前清除巖石表面碎石土，對需要破碎的巖體進行測量放樣，根據(jù)測量放樣數(shù)據(jù)及設(shè)計開挖邊線，進行孔位的布置。鉆孔按照十字網(wǎng)絡(luò)狀布置，采用手風鉆垂直鉆孔至設(shè)計開挖高程，同一排鉆孔布置在同一平面上，并盡可能與臨空面平行，在裝藥時按“從臨空面由近到遠”的順序逐排進行全孔段灌裝。

4.3 孔距與排距確定

靜態(tài)破碎劑布設(shè)的孔距和排距大小與巖石硬度有關(guān)，根據(jù)現(xiàn)場考察，南洞口初露的巖石為花崗巖，巖石硬度達到F=12級別，具體將根據(jù)現(xiàn)場試驗來確定其孔排距。初步擬定孔距20 cm、排距30 cm。

4.4 配劑

根據(jù)試驗確定靜態(tài)破碎劑與水的配置比例。

4.5 充填灌孔

充填灌孔前把孔口堵塞物取出，將漏斗放在孔口，迅速用鐵質(zhì)水瓢將拌制好的藥劑倒入孔中。

4.6 出渣

靜態(tài)破碎后的石渣，將采用挖掘機進行挖裝，自卸車運輸至指定的渣場。

5 鉆爆法

本項目鉆爆法的技術(shù)要點在于南洞口段控制極限質(zhì)點振動速度和有效防范飛石。首先通過現(xiàn)場試驗的方式來確定炸藥適用的各項參數(shù)。鉆爆法施工采用手風鉆或快速鉆進行鉆孔，從上至下分層開挖，爆破后采用挖掘機裝渣，自卸車進行出渣運輸。

5.1 爆破振動計算

根據(jù)《水工建筑物地下開挖工程施工技術(shù)規(guī)范》(DL/T 5099-2011)，質(zhì)點振動速度傳播規(guī)律的經(jīng)驗公式見式(1)：

(1)

式中：v為質(zhì)點振動速度(cm/s)；W為爆破裝藥量，齊發(fā)爆破時取總裝藥量，分段延時爆破時視具體條件取有關(guān)段或最大一段的裝藥量(kg)；D為爆破區(qū)藥量分布幾何中心至觀測點或建筑物、防護目標的距離(m)；K、α為與場地地質(zhì)條件、巖體特性、爆破條件以及爆破區(qū)與觀測點或建筑物、防護目標相對位置等有關(guān)的常數(shù)，由爆破試驗確定，爆區(qū)不同巖性的參考值如表1所示。初選時，以表1中的數(shù)據(jù)作為參考。

表1 爆區(qū)不同巖性的K、α參考值

利用公式及表1，根據(jù)掌子面到監(jiān)測點距離計算出在不同K、α下允許的爆破振動速度的最大單響藥量，計算結(jié)果如表2所示。

表2 開挖爆破振動計算

以上計算結(jié)果為擬爆破單響藥量平均值，實際施工時須加強爆破振動監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果及時調(diào)整，保證發(fā)電廠的振動控制在安全范圍內(nèi)。此外，對南洞口管道的振動控制，依照上述計算，安全距離20 m的基礎(chǔ)上，控制單響藥量在4 kg之內(nèi)，能夠滿足25 mm/s的極限振動速度。

5.2 飛石防范

飛石防范主要采取兩種方式進行：①邊坡采用預(yù)裂爆破技術(shù)，以小藥量小孔排距來減少爆破產(chǎn)生的飛石。②在爆破臨空面采用柔性防護網(wǎng)進行覆蓋，使臨空面形成整體，避免飛石的產(chǎn)生。

5.3 爆破方案

為控制極限振動和有效防范飛石，南洞口段采取松動爆破，靠結(jié)構(gòu)面采用預(yù)裂爆破方式進行施工。

根據(jù)《爆破設(shè)計手冊》，松動爆破單耗取0.3～0.5 kg/m3，考慮到南洞口巖石為花崗巖，取單耗為0.5 kg/m3。

采用鉆爆法，鉆孔采用手風鉆，鉆孔孔徑為42 mm，具體爆破參數(shù)如表3所示。

表3 爆破參數(shù)表

5.4 噴錨支護

1)錨桿施工。鉆孔設(shè)備：鉆孔主要采用YT28氣腿式手風鉆(孔深L≤4.5 m)、YQ100B型潛孔鉆(孔深L>4.5 m)。灌漿設(shè)備：采用2SNS型灌漿泵注漿，JJS200型漿液攪拌機制漿。錨桿施工程序：錨桿采用“先注漿、后插桿”的方法施工，其施工工藝流程如圖1所示。

圖1 先注漿、后插桿施工工藝流程圖

2)噴混凝土。噴混凝土設(shè)備采用TK-961型濕噴機，混凝土采用商品混凝土。

6 結(jié)語

靜態(tài)破碎技術(shù)是常規(guī)炸藥爆破的一種發(fā)展、延伸，解決了在特殊情況及特殊環(huán)境下不允許使用常規(guī)炸藥爆破來拆除構(gòu)筑物及對巖石、礦石進行開采這個長期困擾工程的難題。雖然該技術(shù)現(xiàn)階段在我國還沒有像炸藥爆破技術(shù)那樣得到廣泛應(yīng)用，但該技術(shù)在本項目的應(yīng)用表明，隧洞工程中在環(huán)境復(fù)雜和要求很高的條件下，靜態(tài)破碎技術(shù)與鉆爆法結(jié)合使用將獲得理想的效果，為后續(xù)同類項目的實施提供參考。