山區(qū)高速公路爆破施工技術(shù)應(yīng)用研究

遲祥

（吉林東德來爆破拆除有限公司，吉林吉林 132013）

0 引言

開展山區(qū)高速公路爆破施工，需要掌握精湛的爆破施工技術(shù)，且對(duì)爆破施工技術(shù)精準(zhǔn)制定施工參數(shù)，采取有效的質(zhì)量管理方法，才可保證爆破施工安全，滿足施工質(zhì)量要求。靜態(tài)膨脹預(yù)裂爆破施工作為一種先進(jìn)的爆破施工技術(shù)，目前已被廣泛應(yīng)用到山區(qū)高速公路施工中。探索靜態(tài)膨脹預(yù)裂爆破施工在山區(qū)高速公路爆破施工中的應(yīng)用，進(jìn)一步發(fā)揮爆破施工技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，提升山區(qū)高速公路爆破施工水平。

1 山區(qū)高速公路爆破施工的特點(diǎn)

山區(qū)高速公路爆破施工相比平原公路施工具有諸多特點(diǎn)。第一，山區(qū)高速公路地勢(shì)坡度大，施工難度遠(yuǎn)高于平原公路。第二，在山區(qū)高速公路爆破施工階段，極易遭遇暴雨、泥石流、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害問題，給爆破施工單位帶來巨大的安全隱患。第三，山區(qū)具有氣候多變、雨雪天氣多的特點(diǎn)，在一定程度上阻礙山區(qū)高速公路爆破施工進(jìn)度。第四，因山區(qū)地形結(jié)構(gòu)復(fù)雜，有大量溝谷河峰，故爆破施工通常需要挖掘隧道，進(jìn)一步加劇了爆破施工的難度。第五，在山區(qū)高速公路爆破施工階段，需要較長(zhǎng)的高邊坡防護(hù)，且施工質(zhì)量要求高。第六，山區(qū)地質(zhì)結(jié)構(gòu)導(dǎo)致物資輸送困難，通常物資運(yùn)輸效率較低。第七，在山區(qū)高速公路爆破施工階段，容易發(fā)生次生災(zāi)害，給施工人員以及周邊群眾帶來巨大安全隱患。第八，在山區(qū)高速公路爆破施工階段，大量工程需要深挖高填，各類施工設(shè)備因山區(qū)地形因素的影響往往無法高效運(yùn)轉(zhuǎn)[1]。

2 靜態(tài)膨脹預(yù)裂爆破機(jī)理

2.1 力學(xué)機(jī)理

在應(yīng)用靜態(tài)膨脹預(yù)裂爆破技術(shù)期間，所使用的靜態(tài)膨脹破碎劑，通常為散粒狀或粉末狀。使用之前，以適當(dāng)比例加入水進(jìn)行混合，隨后向巖石內(nèi)裝填，在一定時(shí)間水化反應(yīng)下，將產(chǎn)生膨脹壓力。此刻，可將巖石模擬為厚壁圓筒彈性體，靜態(tài)膨脹破碎劑的填充半徑為r1、r2，內(nèi)部作用產(chǎn)生的膨脹壓力為P，在任意半徑部位，切向拉伸應(yīng)力為S，靜態(tài)膨脹預(yù)裂爆破技術(shù)力學(xué)表達(dá)式：

巖石隸屬脆性材料，其抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于抗壓能力，通常巖石的抗拉強(qiáng)度在5～10MPa 之間，在裝填靜態(tài)膨脹破碎劑后，破碎劑在巖石內(nèi)部可產(chǎn)生30～50MPa 的膨脹壓力。一旦切向拉伸應(yīng)力S 超出巖石自身的抗拉強(qiáng)度，則巖石將會(huì)產(chǎn)生裂縫，繼而被破壞。

2.2 化學(xué)機(jī)理

靜態(tài)膨脹預(yù)裂爆破技術(shù)所使用的破碎劑，主要以無機(jī)鹽化合物、有機(jī)復(fù)合劑為主，加水之后形成具有膨脹性能的結(jié)晶水化物，結(jié)晶水化物中氧化鈣（CaO）的化學(xué)反應(yīng)式：

氧化鈣的密度為3.35kg/cm3，氫氧化鈣的密度為2.24kg/cm3，在總質(zhì)量保持不變的前提之下，體積將膨脹49.6%。上述表示靜態(tài)膨脹破碎劑促使巖石破壞的化學(xué)原因[2]。

3 山區(qū)高速公路爆破施工技術(shù)應(yīng)用

為客觀開展靜態(tài)膨脹預(yù)裂爆破技術(shù)在山區(qū)高速公路爆破施工中的具體應(yīng)用研究，確保研究成果具備實(shí)際參考與借鑒價(jià)值，以延吉至長(zhǎng)春高速公路大蒲柴河至煙筒山段爆破工程為例，探討靜態(tài)膨脹預(yù)裂爆破技術(shù)的具體應(yīng)用。

3.1 工程概況

蒲煙段是延長(zhǎng)高速公路的中間路段，地處吉林省東部，線路起于大蒲柴河鎮(zhèn)金沙河屯，與在建的龍蒲高速公路終點(diǎn)順接，同時(shí)設(shè)樞紐互通立交與已建的鶴大高速公路（G11）相接，全線共劃分7 個(gè)施工區(qū)段。蒲煙段第06 工區(qū)起自樺甸市，主要經(jīng)由樺甸市、樺郊鄉(xiāng)、磐石市呼蘭鎮(zhèn)、驛馬鎮(zhèn)。在樺甸西和呼蘭鎮(zhèn)設(shè)樞紐互通立交與國(guó)道（G334）相接，在呼蘭鎮(zhèn)設(shè)分離式立交跨越煙白鐵路，全長(zhǎng)58.5km。項(xiàng)目地理位置示意圖如圖1 所示。

圖1 延吉至長(zhǎng)春高速公路大蒲柴河至煙筒山段爆破工程

如圖1 所示，該山段爆破工程下，蒲煙段第06 工區(qū)施工主要內(nèi)容有大橋12 座、中橋12 座，小橋7 座，互通立交2 處，分離立交8 處，總長(zhǎng)度分別為3183.95m、709.28m、158.2m、2320m、749.35m，同時(shí)包含165 座涵洞、34 道通道、3 處天橋以及長(zhǎng)度為739m的1 處新建隧道，698m 維修加固隧道。地質(zhì)條件方面，延吉至長(zhǎng)春高速公路大蒲柴河至煙筒山段爆破工程——蒲煙段第06 工區(qū)經(jīng)過地區(qū)震動(dòng)峰值0.05g 加速度，VI 地震級(jí)別烈度，線路經(jīng)過樺甸市、磐石市，樺甸市具有地勢(shì)兩翼高、中點(diǎn)低的特征，全境包含三部分，即山地、低山丘陵與溝川溝谷平地。磐石市地處長(zhǎng)白山西側(cè)，東北部與中部高、南北低，呈屋脊?fàn)睿０卧?00～1000m，發(fā)育為常態(tài)地貌。

3.2 施工參數(shù)

在延吉至長(zhǎng)春高速公路大蒲柴河至煙筒山段爆破工程——蒲煙段第06 工區(qū)應(yīng)用靜態(tài)膨脹預(yù)裂爆破施工技術(shù)，詳細(xì)分析巖層情況、工程量與作業(yè)環(huán)境后，對(duì)操作人員進(jìn)行破碎劑使用方法、操作程序培訓(xùn)，隨后選取適宜方式進(jìn)場(chǎng)，正式開展爆破施工。

3.2.1 孔徑與孔距

孔徑對(duì)于爆破施工效果至關(guān)重要。隨著孔徑的擴(kuò)大，破碎劑用量不斷提升，產(chǎn)生的膨脹壓力不斷上升，破碎效果與熱量也將隨之提升。同時(shí)，爆破階段的溫度將隨著熱量增加不斷上升，容易導(dǎo)致爆破階段噴出破碎劑漿體，故施工單位需要對(duì)孔徑進(jìn)行合理控制，孔徑不宜過大。與此同時(shí)，鉆孔設(shè)備同樣會(huì)對(duì)孔徑造成影響，鉆孔速度與孔徑成反比關(guān)系。通過對(duì)巖層情況的分析，蒲煙段第06 工區(qū)將孔徑控制在10cm。此外，在其他條件不變的基礎(chǔ)上，開裂程度同孔距具有正比關(guān)系，通常孔距越小，巖層越容易開裂且破碎時(shí)間越短。而在孔徑較小的前提下，需要數(shù)量較多的孔，導(dǎo)致鉆孔工作量增加。故為達(dá)到最佳的經(jīng)濟(jì)技術(shù)效果，施工單位需要確定最佳破碎孔距。最終，施工單位基于以往爆破經(jīng)驗(yàn)，分析實(shí)際工況，確認(rèn)蒲煙段第06 工區(qū)爆破孔距為20cm。

3.2.2 孔深

在其他條件固定、破碎體高度固定的背景下，孔深越小則巖層越容易開裂，可達(dá)到較好的破碎效果。蒲煙段第06 工區(qū)靜態(tài)膨脹預(yù)裂爆破孔深最終控制在80mm。

3.2.3 排距與最小抵抗線

在靜態(tài)膨脹預(yù)裂爆破施工階段，被破碎體強(qiáng)度、破碎劑膨脹壓力以及自由面均會(huì)對(duì)排距造成影響。在膨脹壓力較大、被破碎體強(qiáng)度較小且具有多自由面的條件下，可采取較大的排距，反之則采取較小的排距。介質(zhì)的物理性質(zhì)、破碎塊度將直接影響最小抵抗線。最終蒲煙段第06 工區(qū)最小抵抗線確定為20cm。

3.2.4 破碎劑

在破碎劑使用量方面，結(jié)合蒲煙段第06 工區(qū)的實(shí)際工況與巖層條件分析，最終確認(rèn)破碎劑使用量為25kg/m3。蒲煙段第06 工區(qū)鉆孔與破碎劑使用量參數(shù)見表1。

表1 蒲煙段第06 工區(qū)爆破施工鉆孔與破碎劑使用量參數(shù)

3.3 工藝流程與施工要點(diǎn)

3.3.1 施工前準(zhǔn)備，施工前，根據(jù)巖石的實(shí)際強(qiáng)度與節(jié)理發(fā)育情況，選擇破碎劑的類型。根據(jù)實(shí)際工程量，配置施工機(jī)械與人員，并要求施工單位嚴(yán)格遵循施工要求開展放樣定位作業(yè)、松土石清理作業(yè)。

3.3.2 布孔，布孔之前，施工單位以開挖巖石的難易程度以及路基的開挖方案為依據(jù)，嚴(yán)格設(shè)置臨空面，同時(shí)嚴(yán)格遵循要求，多創(chuàng)造出部分臨空面。對(duì)于爆破孔的設(shè)置，主要以不同材質(zhì)與硬度的被破碎體以及臨空面二者平行為依據(jù)進(jìn)行孔位確認(rèn)。結(jié)合蒲煙段第06 工區(qū)巖石具體分布情況，最終確定采取梅花形排列爆破孔。

3.3.3 鉆孔，在鉆孔施工階段，首先要求施工單位嚴(yán)格檢查風(fēng)動(dòng)鑿巖鉆機(jī)性能與故障情況，確保其可正常投入施工且具備較高的安全性、穩(wěn)定性。在將鉆機(jī)固定到鉆孔位置后，先鉆進(jìn)20～30mm，此刻施工人員退到鉆機(jī)后方進(jìn)行監(jiān)控。施工人員需要將操縱閥自輕轉(zhuǎn)改變到中轉(zhuǎn)位置，待鉆進(jìn)50mm 深度后，此刻鉆頭不易從孔中脫離。為確保鉆進(jìn)、鉆桿以及鉆孔三者方向一致，施工人員需要使用手柄閥門對(duì)氣腿高度進(jìn)行靈活調(diào)節(jié)，此刻需要均勻推進(jìn)，最大化避免出現(xiàn)斷桿或夾桿。同時(shí)要避免用力過猛導(dǎo)致鉆桿上下擺動(dòng)，保證鉆桿鉆進(jìn)方向的準(zhǔn)確性。

鉆孔的深度與角度需要嚴(yán)格控制，在鉆到要求深度后，施工人員須降低速度并將鉆機(jī)撤出，鉆孔期間應(yīng)合理調(diào)整鉆桿長(zhǎng)度。鉆機(jī)撤出后，需要將閥門關(guān)小，停止向前的推力，確保鉆桿進(jìn)入低速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)。同時(shí)為確保旋轉(zhuǎn)中的鉆桿可從鉆孔中退出，應(yīng)將氣腿縮進(jìn)。

在同時(shí)采用多臺(tái)鉆機(jī)并行開展機(jī)械作業(yè)階段，為避免出現(xiàn)不同鉆機(jī)相互干擾，施工單位應(yīng)嚴(yán)格遵循相關(guān)規(guī)程，在規(guī)定區(qū)域進(jìn)行鉆具、鉆孔的管理。同時(shí)在將鉆機(jī)退出階段，不可用力猛拉鉆機(jī)，且鉆孔口前禁止逗留無關(guān)人員。

3.3.4 清孔，在清孔作業(yè)階段，將壓風(fēng)管與吹孔鋼管連接，隨后將其插入孔內(nèi)。打開風(fēng)門由施工人員操作來回推動(dòng)，依次將孔內(nèi)所有的巖粉吹凈。在吹孔過程中，為確保施工安全，要求施工人員嚴(yán)格佩戴手套，且不可面對(duì)孔口位置。

3.3.5 預(yù)裂，在膨脹預(yù)裂施工作業(yè)前，施工單位需現(xiàn)場(chǎng)開展膨脹破碎劑試配。確定最佳配合比后，在水中加入已經(jīng)完成試配的破碎劑，此刻需要一面加入破碎劑一面進(jìn)行攪拌，確保將水與破碎劑攪拌成為均勻的漿體，并將漿體倒入孔內(nèi)，整個(gè)操作過程應(yīng)控制在8min 內(nèi)。在漿體灌入階段，施工人員需要從破碎預(yù)裂方向采取“后退裝進(jìn)”的形式，一面裝一面推。

與此同時(shí)，施工單位需要依據(jù)不同的作業(yè)環(huán)境，采用不同配比的破碎劑，大幅度提升作業(yè)效率與操作水平。在完成破碎劑灌入后，須在1h 之內(nèi)完成預(yù)裂，隨后進(jìn)入機(jī)械開挖施工環(huán)節(jié)。

3.3.6 機(jī)械開挖，首先，在鑿巖開挖階段，需要采用挖掘機(jī)配合破碎錘開展施工，針對(duì)發(fā)育不齊全的巖體，挖掘機(jī)在110kW 功率以上開展施工作業(yè)。其次，施工單位需嚴(yán)格遵循路基開挖方案進(jìn)行機(jī)械開挖鑿巖作業(yè)。在開挖全斷面階段，需采取先中間、后兩邊的流程。最后，在機(jī)械開挖階段，應(yīng)先針對(duì)適合機(jī)械開挖的巖體進(jìn)行作業(yè)，隨后利用靜態(tài)膨脹破碎劑，對(duì)開挖困難以及開挖效率較低的巖體進(jìn)行靜態(tài)爆破預(yù)裂。對(duì)于邊坡的開挖，需要從開挖面向下進(jìn)行整修，且一并清理松動(dòng)的危石、塊石[3]。

3.4 質(zhì)量控制

3.4.1 質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)

對(duì)于蒲煙段第06 工區(qū)爆破施工的質(zhì)量控制：一是孔位與孔深的允許偏差控制在±5cm 范圍內(nèi)；二是試配膨脹破碎劑，必須確保材料符合《無聲破碎劑》（JC 506—2008）相關(guān)要求，即初凝時(shí)間不可早于8min，終凝時(shí)間不可遲于150min；三是施工必須確保邊坡坡面平順，無危石與松石。

3.4.2 質(zhì)量控制措施

（1）施工單位必須充分掌握膨脹破碎劑的特性，明確膨脹壓力會(huì)隨著水灰比的增加而減小，且膨脹壓力同環(huán)境溫度與反應(yīng)時(shí)間成正比。巖體開裂所需要的時(shí)間，同環(huán)境溫度成反比。膨脹壓力會(huì)隨著孔徑的增大而逐步增加。在膨脹破碎劑試配階段，水灰比、機(jī)械挖掘與裝藥為關(guān)鍵環(huán)節(jié)，施工單位必須要求施工人員嚴(yán)格遵循相關(guān)規(guī)程操作。

（2）在施工現(xiàn)場(chǎng)必須妥善保管膨脹破碎劑以及原材料。采用隨用隨提的管理模式，必須加強(qiáng)控制拆封數(shù)量、使用數(shù)量，避免多提多拆導(dǎo)致材料失效、受潮。

（3）靠近邊坡時(shí)，鉆孔方向應(yīng)與坡面平行，避免出現(xiàn)坡面超挖問題。待完成坡面修正后，質(zhì)量檢驗(yàn)人員應(yīng)嚴(yán)格開展坡面驗(yàn)收，前一坡面驗(yàn)收合格后，方可開展下一級(jí)邊坡的開挖作業(yè)。

（4）使用膨脹破碎劑對(duì)煙段第06 工區(qū)開展靜態(tài)膨脹預(yù)裂爆破施工，需制定安全與環(huán)保方案。一是施工單位需要建立安全生產(chǎn)保證體系，同時(shí)結(jié)合實(shí)際工況建立配套的環(huán)保制度，如膨脹破碎劑專項(xiàng)安全制度等。堅(jiān)決落實(shí)安全生產(chǎn)責(zé)任制，確保責(zé)任到人、分工明確。二是施工現(xiàn)場(chǎng)需設(shè)置安全環(huán)保提醒標(biāo)志，對(duì)標(biāo)識(shí)的警戒區(qū)域需要安排專人管理。最大化避免膨脹破碎劑成品或是外包裝流失，造成嚴(yán)重環(huán)境污染。同時(shí)，完善周邊排水設(shè)施，合理設(shè)置過濾池、沉淀池，避免廢水直接排放到周邊水環(huán)境中[4]。

4 結(jié)語(yǔ)

相比平原公路項(xiàng)目，山區(qū)高速公路施工存在諸多安全隱患，特別是爆破施工的區(qū)段，相比平原公路項(xiàng)目施工面臨更大的困難。要求施工單位在應(yīng)用科學(xué)、有效的施工方法基礎(chǔ)上，開展有效的質(zhì)量、安全、環(huán)保管理，才可確保施工效果滿足設(shè)計(jì)要求。基于山區(qū)高速公路爆破施工的難點(diǎn)與特點(diǎn)，并不斷探索山區(qū)高速公路爆破施工新技術(shù)、新方法與全新的管理模式，以有效促進(jìn)我國(guó)山區(qū)高速公路施工質(zhì)量與水平，為促進(jìn)山區(qū)交通發(fā)展起到有效推動(dòng)的作用。