繁華地段穿越運營地鐵車站基坑靜態(tài)爆破施工技術(shù)*

曾小明，羅桂軍，汪慶桃，曾 凱

(1.中建五局 土木工程有限公司, 湖南 長沙 410004; 2.國防科學技術(shù)大學, 湖南 長沙 410072)

繁華地段穿越運營地鐵車站基坑靜態(tài)爆破施工技術(shù)*

曾小明1，羅桂軍1，汪慶桃2，曾 凱1

(1.中建五局 土木工程有限公司, 湖南 長沙 410004; 2.國防科學技術(shù)大學, 湖南 長沙 410072)

靜態(tài)爆破具有無噪聲、無毒氣、無振動、無飛石等特點，在某些對爆破災(zāi)害控制要求非常嚴格的工程中得到了較為廣泛的應(yīng)用。結(jié)合長沙市地鐵3號線火車站站基坑開挖工程實例，詳細介紹了靜態(tài)爆破施工技術(shù)在繁華地段穿越運營地鐵車站基坑開挖中的應(yīng)用，并對靜態(tài)爆破的施工工藝和施工安全措施及注意事項進行了詳細的分析。實踐證明，靜態(tài)破碎配合人工破碎施工時間大約為14 d，費用共15萬元，具有較好的工期和經(jīng)濟效益。

地鐵車站；基坑開挖；靜態(tài)爆破；施工技術(shù)

0 引 言

靜態(tài)爆破技術(shù)亦稱靜態(tài)膨脹(破碎)技術(shù)，最早于日本開始研究，到20世紀80年代，靜態(tài)膨脹技術(shù)在安全性、反應(yīng)時間、工程應(yīng)用等方面取得長足的進步，并在日本得到了廣泛的應(yīng)用。為了適應(yīng)現(xiàn)代化建設(shè)的需要，從1980年開始，我國武漢建材學院(現(xiàn)武漢理工大學)開始研究現(xiàn)代靜態(tài)破碎技術(shù)，并于1982年成功研制JC-1系列靜態(tài)破碎劑。

靜態(tài)破碎的原理為氧化鈣與水發(fā)生化學反應(yīng)生成氫氧化鈣，在此過程中放出大量熱，且其體積快速膨脹，對周圍介質(zhì)產(chǎn)生壓應(yīng)力，當壓應(yīng)力超過介質(zhì)材料的屈服強度時，材料即會發(fā)生破碎[1-3]。且破碎過程無聲音、無飛石、不產(chǎn)生振動，生成的氫氧化鈣產(chǎn)物沒有毒性，對周圍的環(huán)境不會造成污染[4-6]，所以靜態(tài)爆破技術(shù)基本不產(chǎn)生爆破災(zāi)害，能有效的保護周圍結(jié)構(gòu)。隨著社會的發(fā)展，城市建設(shè)呈立體發(fā)展的趨勢，在多數(shù)情況下，對爆破災(zāi)害控制要求都非常嚴格或根本不允許進行爆破作業(yè)，但是采用機械法等其他作業(yè)方法時施工效率很低，工期很長，而靜態(tài)爆破技術(shù)能極大的發(fā)揮其效應(yīng)能。

長沙地鐵3號線火車站站下穿正在運營的地鐵2號線，在車站基坑開挖過程中必須確保2號線的正常運營，所以其安全要求非常高。本文以此工程為背景，詳細闡述靜態(tài)爆破施工技術(shù)及施工工藝，其相關(guān)做法可為類似的工程提供參考。

1 工程概況

1.1 周圍環(huán)境

長沙火車站地處中心城區(qū)的繁華地帶，東臨火車站，西側(cè)為住宅、商場等，車流量大，人流量極大。車站設(shè)計范圍為車站設(shè)計起點里程YCK23+440.920至設(shè)計終點里程YCK23+628.520，包括車站主體和出入口通道、風亭等設(shè)計。周圍環(huán)境如圖1所示。

本車站為地下三層雙柱島式站臺車站，設(shè)計站臺長度118 m，站臺寬度14.8 m。車站外包總長187.6 m，標準段外包總寬23.7 m，總建筑面積17047.16 m2。地下一層為車站站廳層，地下二層為車站設(shè)備層，站臺位于地下三層。車站埋深23.61 m，頂板覆土3.3 m，軌面標高13.728 m，站廳凈高4.5 m，設(shè)備層凈高6.11 m，站臺層凈高4.7 m，在車站范圍內(nèi)由北向南設(shè)置0.2%的縱坡。

車站主體結(jié)構(gòu)采用明挖法+局部蓋挖順作法施工，已建2號線車站北側(cè)(大里程端)主體結(jié)構(gòu)采用明挖法施工；南側(cè)盾構(gòu)井(小里程端)西南角鋪蓋處采用蓋挖順作法施工，其余部分為明挖施工；附屬結(jié)構(gòu)全部采用明挖法施工。

1.2 工程地質(zhì)

根據(jù)《長沙市軌道交通3號線一期工程KC-2標段長沙火車站巖土工程詳細勘察報告》，地層層序自上而下依次為：雜填土、粉質(zhì)粘土、圓礫、粉質(zhì)粘土、強風化泥質(zhì)粉砂巖、中風化泥質(zhì)粉砂巖等。本車站基坑開挖采用明挖法+局部蓋挖法施工，基坑總體開挖原則是已建2號線主體南、北兩側(cè)對稱開挖，保證卸載平衡。南側(cè)基坑為由北向南整體分層開挖，北側(cè)基坑為由南向北分段分層開挖。雜填土、粉質(zhì)粘土、圓礫、粉質(zhì)粘土等地層直接由挖機挖掘。強風化泥質(zhì)粉砂巖為紫紅色，泥質(zhì)膠結(jié)，成巖礦物顯著風化，巖石組織結(jié)構(gòu)已大部分破壞，但原巖結(jié)構(gòu)清晰，巖石風化節(jié)理裂隙很發(fā)育，巖芯多呈土夾碎塊狀，巖塊用手可折斷，合金鉆進速度一般，遇水易軟化。中風化泥質(zhì)粉砂巖為紫紅色，粉細粒結(jié)構(gòu)，中厚層狀構(gòu)造，泥質(zhì)膠結(jié)，巖屑成分主要為粉細砂，巖石組織結(jié)構(gòu)部分破壞，少部分礦物風化變質(zhì)，節(jié)理裂隙發(fā)育且密閉，多為鈣質(zhì)或泥質(zhì)物充填，裂隙面見褐色鐵錳質(zhì)浸染，巖芯上偶見溶蝕小孔，巖芯較完整，多呈柱狀，偶呈塊狀，錘擊聲較脆，屬極軟～軟巖，巖體基本質(zhì)量等級為Ⅴ類。強風化和中風化泥質(zhì)砂巖交錯分布，挖機在挖掘過程中，效率很低，很多區(qū)域尤其是緊鄰既有2號線區(qū)域，挖機無法挖掘。在施工過程中，既有2號線一直在運營，必須確保其安全，且基坑周邊人流、車流極多，交通十分擁擠，傳統(tǒng)爆破法雖然作業(yè)效率高，成本低，但是爆破危害較難控制，尤其是在如此復(fù)雜的情況下進行爆破作業(yè)，存在著很大的安全風險。而機械破碎方法，雖然較為安全，但是作業(yè)效率很低，工期又無法滿足要求。靜態(tài)爆破技術(shù)具有無聲、無振動、無飛石、無毒氣、無沖擊波等特點，施工較為安全，且其作業(yè)效率比機械破碎法明顯提高，比較適合于本工程。

圖1 長沙火車站平面位置

2 靜態(tài)爆破施工工藝

目前，國內(nèi)外絕大部分破碎劑，基本都是以CaO為其主要成分。在使用時，CaO與水發(fā)生水化反應(yīng)，生成Ca(OH)2，同時產(chǎn)生體積膨脹。一般來說，在自由膨脹條件下，CaO經(jīng)充分水化反應(yīng)生成Ca(OH)2，體積可增加2～4倍。如果把其裝填在密閉炮孔內(nèi)，則體積膨脹會在炮孔上產(chǎn)生很大的壓力，當此壓力大于周圍巖石的強度時，巖石就會發(fā)生破碎[3]。靜態(tài)爆破施工工藝流程一般為：施工準備——炮孔參數(shù)設(shè)計——藥劑配置——裝藥——養(yǎng)護5個階段。

2.1 施工準備

施工前必須對周圍環(huán)境、巖石的地質(zhì)情況、施工要求等條件調(diào)查清楚。根據(jù)當?shù)丨h(huán)境、爆破對象的實際情況進行靜態(tài)破碎劑的選型，設(shè)計好炮孔的孔網(wǎng)參數(shù)，并配置好相應(yīng)的機械設(shè)備等。從靜態(tài)爆破的原理可以看出，破碎劑的膨脹壓力是其重要的一個技術(shù)參數(shù)，其大小與破碎效果直接相關(guān)，在很多工程施工中，巖石沒有破碎或破碎效果不好，其原因大都與膨脹壓力值達不到要求相關(guān)。一般來說，膨脹壓力的大小與下面幾個因素有關(guān)：

(1) 時間：破碎劑裝填到炮孔內(nèi)之后，膨脹壓力不會立即達到最大值，一般會有一個增長的過程。膨脹壓力的增長速度，主要取決于破碎劑的水化反應(yīng)速度，水化反應(yīng)速度快，膨脹壓力增長的快，周圍介質(zhì)破裂的時間也相對較短。反之，則會使破裂時間增長。水化反應(yīng)速度主要受環(huán)境溫度、氧化鈣粒度和活性度以及水灰比等因素的影響[1]。

(2) 溫度：環(huán)境溫度對破碎劑破碎效果影響很大，同一種破碎劑在不同溫度條件下使用時，水化反應(yīng)時間大大不同，在相同時間內(nèi)產(chǎn)生的膨脹壓力可相差1倍[4]。因此，應(yīng)根據(jù)不同的環(huán)境溫度開發(fā)相對應(yīng)的產(chǎn)品，如SCAⅡ型靜態(tài)破碎劑適用的溫度為10℃～25℃，根據(jù)相關(guān)實驗結(jié)果，在同樣的條件下，若分別在溫度13℃和20℃使用時，產(chǎn)生的膨脹壓力也將相差1倍[4]。所以在施工之前，根據(jù)不同的環(huán)境溫度選擇合適的破碎劑型號，對于破碎效果有著很大的影響。

(3) 水灰比：即添加水的重量與破碎劑的重量之比。水灰比范圍一般在0.2 ～0.38之間。隨著比值增大，藥劑的流動性增大，更便于裝填，但是膨脹壓力將會減小。若比值減小，則藥劑的流動性較差，裝填起來比較困難，效率也較低。大量的研究表明，常用的水灰比為0.3左右。由于破碎劑與水攪拌均勻后，即會發(fā)生水化反應(yīng)，同時流動性會逐步喪失，因此要盡快進行裝填[2]。

(4) 孔徑：膨脹壓力隨著孔徑的增大而增大，國內(nèi)生產(chǎn)的破碎劑，相比國外的來說價格要低，但是反應(yīng)時間較慢，最大膨脹壓力也較小。當前國內(nèi)用的比較多的孔徑范圍一般為30～50 mm。在這個范圍內(nèi)應(yīng)用時，裝藥工藝比較簡單，一般不需要采取特別的措施，而且大部分均能夠滿足要求。在某些特殊的情況下，為了獲得較大的膨脹壓力，會采用較大的孔徑。隨著孔徑的增大，膨脹產(chǎn)生較大的壓力容易導(dǎo)致沖孔的發(fā)生[5]，這時，要采用特殊的堵塞方法。

2.2 炮孔參數(shù)設(shè)計

(1) 孔徑：根據(jù)本工程情況選用42 mm孔徑，用手持式風動鑿巖機YTP-26鉆取。

(2) 孔距(a)與排距(b)：a、b的大小與施工成本及破碎效果直接相關(guān)。一般來說，a、b值越大，單位面積上鉆孔數(shù)量越少，鉆孔成本及藥劑成本均會下降。但是，隨著a、b值的增大，巖石破碎塊度也越大，當大到一定值時，甚至不能有效破碎巖石。所以，從理論上分析存在一個最佳的a、b值。a、b值大小與破碎劑的膨脹壓力及巖石力學性能相關(guān)，為了確定較優(yōu)的a、b值，一般在施工前要通過現(xiàn)場試驗確定。本工程項目圍巖性質(zhì)為強風化/中風化泥質(zhì)粉砂巖，巖體基本質(zhì)量等級為Ⅴ類，根據(jù)實驗結(jié)果，a、b值宜為300～500 mm。

(3) 鉆孔深度(H)：H跟破碎效率直接相關(guān)，H太大，對鉆孔精準度要求較高，口部稍有偏差，底部可能偏差就很大，造成破碎效果不好；相反，H太小，破碎效率低，經(jīng)濟效益差。一般來說，在鉆孔之前，應(yīng)該盡可能的創(chuàng)造出多個自由面，根據(jù)本工程巖石性質(zhì)及所采用的鉆孔設(shè)備，H為1.5～2.0 m。

2.3 藥劑配置

首先準備好盛裝破碎劑的容器，先把水倒入容器中，水的重量約為破碎劑重量的30%，然后再加入破碎劑，用木棒或手提式攪拌機充分攪拌均勻，使其流動性和稠度適中。需要注意的是，若水的溫度較低，或者氣溫小于5℃時，宜先把水的溫度加溫至40℃左右時再進行配置。

2.4 裝 藥

裝藥是靜態(tài)爆破的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其質(zhì)量的好壞直接決定了破碎效果的好壞。在裝藥之前須先清孔，即先等孔內(nèi)溫度下降到一定程度后，清除孔內(nèi)殘渣等雜物，這個過程一般可以用風管吹。裝藥過程務(wù)必要迅速，這是因為攪拌好的破碎劑漿液已經(jīng)在發(fā)生化學反應(yīng)，經(jīng)過一定的時間就會硬化。此外，灌注漿液必須要裝填密實，可以邊裝填邊搗實，直至把整個炮孔填滿[6]。

2.5 養(yǎng) 護

裝藥完成以后，經(jīng)過一定的時間，破碎劑即進入膨脹狀態(tài)。這個過程中必須要進行養(yǎng)護。在夏季溫度較高時，可以用沙袋、草席等對孔口進行一定的覆蓋，防止藥劑在膨脹過程中從孔口噴出。在冬季，氣溫一般比較低，也需要對孔口進行覆蓋，或者采用其它的加溫方法，以使孔內(nèi)保持一定溫度，從而加快破碎劑反應(yīng)速度，確保破碎效果。養(yǎng)護對于確保施工安全、縮短施工工期有著重要的意義，尤其是對于本工程來說，施工班組較多，在靜態(tài)爆破養(yǎng)護期間，還有切割班組，支護班組等在進行交叉施工，必須加強覆蓋，防止意外傷亡事件的發(fā)生。實際施工時，在孔口用麻袋覆蓋，上面再壓上沙袋。

3 安全措施和注意事項

靜態(tài)爆破雖然比起炸藥爆破來說，安全性較高，但也存在一些特別需要注意的事項，否則很容易出現(xiàn)安全事故或者導(dǎo)致爆破效果達不到預(yù)期要求。

(1) 靜態(tài)爆破各工序之間銜接必須緊密，有些工序存在一定的安全風險，為了減少不必要的影響因素，確保安全，必須劃定警戒區(qū)域。警戒人員須堅守崗位，熟悉崗位職責，所有無關(guān)人員不得進入施工現(xiàn)場；

(2) 在作業(yè)之前，必須對所有施工人員進行安全教育，某些技術(shù)工種，如安全員、工班長、鉆孔人員等，要進行崗前培訓(xùn)和考核，達到要求之后才能上崗作業(yè)；

(3) 根據(jù)崗位特點，穿戴好防護裝具。例如，所有進入施工現(xiàn)場的必須戴安全帽，從事藥劑配置、裝藥、養(yǎng)護崗位的人員必須戴防護眼鏡，鉆孔人員必須戴口罩等；

(4) 藥劑裝填直到巖石開裂之前，要防止噴孔，不可將面部直接面對已裝藥的炮孔。藥劑裝填完成后，要加強覆蓋，在觀察巖石裂隙發(fā)展情況時要更加小心；此外，施工現(xiàn)場要專門備好清水和干凈的毛巾，若發(fā)生沖孔藥劑濺在皮膚上，必須立即沖洗，嚴重者送醫(yī)院救治；

(5) 嚴禁鉆孔與裝藥同步進行，藥劑不要一次配置過多，配置好的藥劑必須在規(guī)定的時間內(nèi)裝填完畢；

(6) 嚴格遵守各項操作規(guī)程，防止沖孔的發(fā)生，沖孔產(chǎn)生的原因較多，大致有：操作人員操作不當，操作時間太長，藥劑裝填不夠密實，有空氣隔層等；溫度控制不當，氣溫過高時配置藥劑，炮孔孔壁溫度過高；炮孔設(shè)計不合理；炮孔直徑過大，且沒有采用專門的堵孔器;

(7) 破碎劑在運輸和儲存過程中要注意防潮、防暴曬，一袋開封后盡量使用完畢，如未用完，要注意防潮。

4 效果與體會

(1) 靜態(tài)爆破取得圓滿成功，工程實踐表明，靜態(tài)爆破技術(shù)無聲音、無振動、無飛石，該方法能有效保護周圍結(jié)構(gòu)，特別適用于對爆破災(zāi)害控制要求非常嚴格的工程。

(2) 靜態(tài)爆破開挖與常規(guī)的機械破碎開挖或人工風鎬開挖相比，具有施工安全、作業(yè)效率高、可操作性強、施工工藝簡單等特點。以本工程為例，靜態(tài)爆破開挖0.56萬m3巖石，采用破碎劑進行靜態(tài)破碎配合人工破碎施工，施工時間大約14 d，共花費15萬元；采用常規(guī)機械破碎施工，施工時間大約為26 d，人工費和機械租賃費大約28萬元；采用人工風鎬破碎施工，施工時間大約為52 d，人工費和機械租賃費大約為30萬元。因此在不允許采用爆破開挖的情況下，靜態(tài)破碎配合人工破碎施工方法具有很好的經(jīng)濟和工期效益。

(3) 孔網(wǎng)參數(shù)的設(shè)計與破碎效果直接相關(guān)，在施工前，要根據(jù)所選的破碎劑及圍巖性質(zhì)進行試驗，確定合適的孔網(wǎng)參數(shù)。

(4) 靜態(tài)爆破具有一定的危險性，在施工期間，要加強安全教育，做好各項安全防范措施，嚴防事故的發(fā)生。

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湖南省住房和城鄉(xiāng)建設(shè)廳重點支持項目(XJS201535).

2016-09-30)

曾小明(1982-)，男，工程師，主要從事土木工程施工管理，Email：35016567@qq.com。