公路工程非爆破開挖方法及適用條件研究

夏曉勇 畢小進(jìn)

【摘 要】較為系統(tǒng)地介紹了二氧化碳?xì)怏w爆破、靜態(tài)膨脹劑、機(jī)械劈裂、破碎錘、銑挖等工程非爆破開挖方法原理及特點(diǎn)，分析了公路工程非爆破施工方法選擇的影響因素，給出了公路分項(xiàng)工程破巖方法建議。

【關(guān)鍵詞】公路工程;非爆破開挖方法;適用條件

中圖分類號(hào)： U416.113文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A文章編號(hào)： 2095-2457（2019）06-0232-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.06.089

【Abstract】The principles and characteristics of non-blasting excavation methods for carbon dioxide gas blasting， static expansive agent，mechanical splitting，breaking hammer，milling and digging are systematically introduced.The factors influencing the selection of non-blasting construction methods for highway engineering are analyzed，and the suggestions for rock-breaking methods for highway sub-projects are given.

【Key words】Applicable conditions of non-blasting excavation method in Highway Engineering

0 引言

公路工程建設(shè)過程中涉及大量土石方工程，通常情況下均采用炸藥爆破法進(jìn)行開挖，因其技術(shù)成熟、效率高、成本合理。但隨著我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)爆破使用的局限性越來越大，例如敏感時(shí)期政府對(duì)炸藥的嚴(yán)格管控，高鐵、高速公路的安全保護(hù)區(qū)、環(huán)境敏感區(qū)嚴(yán)禁爆破等規(guī)定均限制了其使用。本文在大量調(diào)研的基礎(chǔ)上對(duì)目前國內(nèi)主流非爆破開挖技術(shù)進(jìn)行了梳理，并簡要介紹了公路工程非爆破開挖方式選擇建議，為工程運(yùn)用提供參考。

1 公路工程常用非爆破開挖方式簡介

1.1 氣體（CO2）爆破法

高壓氣體爆破是一種無炸藥爆破，一般采用液態(tài)二氧化碳為能量源，通過加熱液態(tài)二氧化碳，使其壓力劇增至幾十至上百兆帕，高壓液態(tài)二氧化碳沖破定壓剪切片迅速轉(zhuǎn)化為氣態(tài)，體積急劇膨脹，瞬間釋放的氣體膨脹能使鉆孔周邊巖體致裂，爆破時(shí)會(huì)產(chǎn)生地微振動(dòng)。二氧化碳爆破優(yōu)點(diǎn)是效率較高，作業(yè)不產(chǎn)生沖擊波、明火、熱源和有害氣體，生產(chǎn)、儲(chǔ)存、運(yùn)輸過程也相對(duì)安全;缺點(diǎn)是目前其施工工藝、安全標(biāo)準(zhǔn)暫不規(guī)范[1]，對(duì)作業(yè)人員技術(shù)要求高。

1.2 靜態(tài)膨脹劑法

靜態(tài)膨脹劑（又稱無聲破碎劑）是以特殊硅酸鹽、氧化鈣為主要原料，配合其他有機(jī)、無機(jī)添加劑而制成的粉末狀物質(zhì)，當(dāng)氧化鈣變成氫氧化鈣時(shí)，其晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，會(huì)引起晶體體積的膨脹。如果將它注入炮孔內(nèi)，這種膨脹受到孔壁的約束，壓力可上升到數(shù)十兆帕，巖體在這種壓力作用下會(huì)產(chǎn)生徑向壓縮應(yīng)力和切向的拉伸應(yīng)力，將混凝土或巖石悄悄地破碎。靜態(tài)膨脹劑破巖法施工周期較長、施工產(chǎn)量低、場地臨空面要求高、受雨水和溫度影響大、有噴漿和強(qiáng)堿性危害等因素影響較多，其大規(guī)模應(yīng)用受到限制[2]。

1.3 機(jī)械劈裂法

通常巖石、混凝土抗壓強(qiáng)度很高，但抗拉強(qiáng)度低，機(jī)械劈裂法就是利用巖石這一特性，通過鉆孔拉裂的方式對(duì)巖石進(jìn)行分裂以達(dá)到破碎的目的。機(jī)械劈裂法主要包括液壓分裂棒與液壓劈裂機(jī)兩種方法。液壓分裂棒是以高壓油為能量源，由液壓動(dòng)力站的泵站輸出的超高壓油又經(jīng)增壓器的機(jī)械放大后驅(qū)動(dòng)分裂棒內(nèi)的油缸產(chǎn)生巨大推動(dòng)力，推動(dòng)劈裂棒中的液壓頂向外伸出以脹裂巖石，使巖石按預(yù)定方向分裂，達(dá)到破碎開挖的目的;液壓劈裂機(jī)是通過液壓油控制分裂機(jī)內(nèi)的活塞桿的伸縮，并巧妙應(yīng)用楔器原理，經(jīng)機(jī)械擴(kuò)大后可發(fā)生高達(dá)數(shù)千噸的劈裂力，使被劈裂物體按預(yù)定方向裂開。

1.4 破碎錘法

液壓破碎錘，又叫做液壓沖擊破碎器。破碎錘是以液體靜壓力或氣體壓力為動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)，活塞沖程時(shí)高速撞擊釬桿，由釬桿破碎巖石、混凝土等。破碎錘沖擊破巖時(shí)，由于其作用在孔口的沖擊應(yīng)力相對(duì)于爆破法中沖擊波峰值應(yīng)力要小很多，不會(huì)“壓碎”巖石，故認(rèn)為此法破巖時(shí)只存在一種破壞形式（拉破壞），宏觀表現(xiàn)為孔間產(chǎn)生貫通的裂縫[4]。破碎錘法優(yōu)點(diǎn)是無振動(dòng)，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，設(shè)備本身體積小，與挖掘機(jī)搭配使用，靈活機(jī)動(dòng)，設(shè)備購置費(fèi)用低，方便維修;缺點(diǎn)是開挖效率低下，施工單價(jià)高，施工周期長，不適合規(guī)模較大工程的應(yīng)用，施工時(shí)有噪聲等。

1.5 銑挖法

銑挖法主要是利用懸臂式掘進(jìn)機(jī)（又稱銑挖機(jī)）進(jìn)行巖石破碎開挖的方法。懸臂式掘進(jìn)機(jī)是一種能夠?qū)崿F(xiàn)截割、裝載運(yùn)輸、自行走及噴霧除塵的聯(lián)合機(jī)組，主要用于地下巷道的掘進(jìn)。懸臂式掘進(jìn)機(jī)適用于普氏硬度不大于10的堅(jiān)硬、較堅(jiān)硬巖石、軟質(zhì)巖石等，其開挖效率可達(dá)到5～40m3/小時(shí)。但當(dāng)普氏系數(shù)大于7后，其掘進(jìn)效率和經(jīng)濟(jì)型均明顯下降，巖質(zhì)越堅(jiān)硬，下降越明顯[5]。

2 非爆破破巖方案選擇影響因素

工程非爆破破巖方案選擇與各類破巖方法自身特點(diǎn)、工程類型、周邊環(huán)境、地形地貌、地質(zhì)條件、施工工藝與工序搭接、工期要求等均有關(guān)系，在具體實(shí)施中應(yīng)重點(diǎn)考慮以下影響因素：

（1）工程規(guī)模

大方量開挖工程，因工程數(shù)量大，開挖效率與經(jīng)濟(jì)性是應(yīng)首要考慮的因素，通常情況下宜優(yōu)先選用炸藥爆破開挖方案。若條件不允許，可考慮在二氧化碳?xì)怏w爆破、機(jī)械劈裂法中選擇最經(jīng)濟(jì)適宜的方案，也可多種方案搭配使用。對(duì)于工程規(guī)模較小，工點(diǎn)地形條件、施工作業(yè)面等受限的工程，因銑挖、氣體爆破等方法前期投入相對(duì)較高，也不宜采用，反而小型的機(jī)械劈裂、破碎錘、靜態(tài)膨脹劑等方案更為經(jīng)濟(jì)適宜。

（2）適用巖石類型

發(fā)軟發(fā)棉的巖石劈裂效果不佳，不宜采用機(jī)械劈裂法、靜態(tài)膨脹劑開挖;裂隙、孔洞發(fā)育的巖石，因孔隙對(duì)氣體壓力與應(yīng)力波的吸收，采用氣體爆破效率相對(duì)較低;對(duì)于普氏硬度大于7的較堅(jiān)硬或堅(jiān)硬巖石，或當(dāng)?shù)叵滤l(fā)育時(shí)，銑挖法開挖效率低下，不宜采用。因此，宜根據(jù)巖石性質(zhì)及地質(zhì)條件選擇開挖方法。

（3）炮眼工程數(shù)量

各類非爆破破巖方法中，氣體爆破、靜態(tài)膨脹劑、機(jī)械劈裂幾種方法需要先鑿鉆孔后才能實(shí)施，鉆孔施工對(duì)工序時(shí)間、費(fèi)用等均有影響，當(dāng)鉆孔工程量大時(shí)，其影響甚至決定了破巖方案的可實(shí)施性，因此進(jìn)行方案選擇時(shí)必須重點(diǎn)考慮。氣體爆破法鉆孔密度為炸藥爆破的1.8倍;膨脹劑法鉆孔工作量是炸藥爆破的4倍;機(jī)械劈裂法一般多于氣體爆破，且需鉆較大孔徑的孔;破碎錘法、銑挖法一般無須鉆孔。

（4）破碎效果

不同的破巖方法破碎效果相差甚遠(yuǎn)。各類靜態(tài)爆破初次破碎物一般呈大塊狀，若轉(zhuǎn)運(yùn)或用作填筑材料，還需進(jìn)行二次破碎;氣體爆破、破碎錘破碎后一般呈碎塊狀，個(gè)別塊體可能需要二次破碎才能轉(zhuǎn)運(yùn)或用作填筑材料;懸臂式掘進(jìn)機(jī)破碎物一般為巖屑、碎石，可直接轉(zhuǎn)運(yùn)或用作填筑材料。

（5）開挖面規(guī)整度

不同破巖方法形成的開挖面形態(tài)差別甚大。氣體爆破、破碎錘破碎因?yàn)闆_擊、振動(dòng)作用，往往難以形成規(guī)則的開挖面;靜態(tài)膨脹劑、機(jī)械劈裂能人為控制巖石破裂面，形成形態(tài)規(guī)則的開挖面，對(duì)開挖面損傷小;銑挖施工能自由控制開挖面形狀。

3 公路工程破巖方案建議

3.1 隧道破巖方案建議

隧道開挖是隧道施工核心工作內(nèi)容之一，選擇合理的破巖方案不僅對(duì)開挖效果、效率、經(jīng)濟(jì)性有直接影響，還間接影響后續(xù)支護(hù)工程的施作，必須合理選擇。開挖工藝分為如下幾種：1）明挖法開挖，2）全斷面開挖，3）臺(tái)階法分部開挖，4）環(huán)形開挖預(yù)留核心土法，5、CD法、CRD法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法等特殊工法。

3.2 路基大方量土石方開挖

通常情況下，路基土石方、場平工程等大方量開挖工程宜優(yōu)先選用炸藥爆破開挖方案，其作業(yè)效率高、單價(jià)低、技術(shù)成熟。必須采用非爆破方案時(shí)，可考慮氣體爆破、機(jī)械劈裂等開挖方式，當(dāng)巖石堅(jiān)硬程度不高時(shí)，還可直接采用挖掘機(jī)冷開。

3.3 邊坡保護(hù)層開挖

路基邊坡工程，對(duì)于近坡面線部位的開挖須控制對(duì)坡面巖體的損傷，確保開挖面平整，以增加坡面穩(wěn)定性，降低支護(hù)工程規(guī)模。因此邊坡保護(hù)層的開挖應(yīng)采用控制爆破（含氣體爆破），有條件時(shí)宜優(yōu)選機(jī)械劈或挖掘機(jī)冷開，其中機(jī)械劈裂適用于巖質(zhì)較堅(jiān)硬且相對(duì)完整的工點(diǎn)。

3.4 橋梁基坑開挖

橋梁基坑開挖可在控制爆破、氣體爆破、機(jī)械劈裂、破碎錘、銑挖等方法中，結(jié)合現(xiàn)場具體施工條件、工程規(guī)模、地質(zhì)條件，按安全、經(jīng)濟(jì)的原則進(jìn)行方案選擇。當(dāng)對(duì)坑壁規(guī)整度、巖體完整性有要求時(shí)，宜優(yōu)先選擇機(jī)械劈裂、銑挖施工方法。

3.5 料場開挖

對(duì)于砂石料場宜優(yōu)先選擇炸藥爆破法，其作業(yè)效率高、分裂效果好，便于材料后期加工以降低原材料價(jià)格;對(duì)于片塊石料場，宜優(yōu)先選擇機(jī)械劈裂或靜態(tài)膨脹劑法進(jìn)行作業(yè)，以保證石材成形率。

3.6 結(jié)構(gòu)物、危巖破除工程

結(jié)構(gòu)物、危巖體的破除工程量一般不大，宜優(yōu)先采用破碎錘法，也可采用機(jī)械劈裂、靜態(tài)膨脹劑法，條件允許的情況下還可以采用控制爆破法，應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場具體施工條件，按安全、經(jīng)濟(jì)的原則進(jìn)行方案選擇。

4 小結(jié)與展望

（1）本文梳理了目前國內(nèi)工程巖體主流非爆破破巖技術(shù)的基本原理與技術(shù)特點(diǎn)，在研究二氧化碳?xì)怏w爆破、靜態(tài)膨脹劑、機(jī)械劈裂、破碎錘、銑挖等方法自身技術(shù)特點(diǎn)、適用條件與經(jīng)濟(jì)性的基礎(chǔ)上，提出了非爆破破巖方法選擇的影響因素，對(duì)公路隧道、路基、基坑、料場等工程破巖方法選擇提供了建議。

（2）關(guān)于各類破巖方法的成本，因受具體工程性質(zhì)、規(guī)模、施工環(huán)境、地質(zhì)地形、施工操作人員熟練程度、設(shè)備材料性能等影響較大，加之各類方法使用普及度存在較大差異，本文未對(duì)各方法的單價(jià)進(jìn)行詳細(xì)調(diào)研與對(duì)比研究，還需后期進(jìn)一步研究完善，以便更合理地指導(dǎo)破巖方案選擇。

（3）除前述方法外，公路施工中采用的繩鋸法、切割法、孔樁沖孔與旋挖等施工方法本質(zhì)上也屬于非爆破開挖方法，但因其使用面單一或成本過高，本文未進(jìn)行詳細(xì)討論。后期可進(jìn)一步開展更為系統(tǒng)地討論，為公路工程非爆破開挖方法選擇提供更為完整指導(dǎo)建議。

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