復(fù)雜環(huán)境下鄰近既有高鐵線基坑石方靜態(tài)破碎施工技術(shù)

馬明明

中鐵隧道集團(tuán)二處有限公司，中國(guó)·河北 燕郊 065201

為了防止基坑石方爆破開挖對(duì)既有高鐵線路、周邊建（構(gòu)）筑物和過往車輛（人員）等造成危害，采用靜態(tài)破碎的方法進(jìn)行石方預(yù)裂、解小、清運(yùn)。通過對(duì)施工區(qū)域的地質(zhì)、水文地質(zhì)調(diào)查和工藝試驗(yàn)，選用合適的機(jī)械設(shè)備和破碎劑，采取必要的控制措施，安全、高效的完成了中國(guó)徐州地鐵1 號(hào)線徐州東站鄰近既有高鐵線路基坑石方開挖，為徐州地鐵1 號(hào)線順利通車奠定了基礎(chǔ)。

鄰近；高鐵線路；靜態(tài)破碎；施工技術(shù)

1 引言

二十一世紀(jì)以來，中國(guó)在原有的“八縱八橫”鐵路網(wǎng)上又新建和改建了“八縱八橫”高鐵線路，鐵路網(wǎng)越來越密集，而近年來修建地鐵的城市逐漸增多，下穿或鄰近既有鐵路營(yíng)業(yè)線施工也越來越普遍，周邊基坑開挖時(shí)經(jīng)常會(huì)遇到堅(jiān)硬的巖石。一般情況下，石方破除可以選用常規(guī)爆破來完成。但是常規(guī)炸藥爆破有極大的破壞性，也有巨大的沖擊波、滿天粉塵、飛石，這些對(duì)于遠(yuǎn)離城市、人煙稀少的郊區(qū)或山區(qū)則影響較小，而對(duì)于城市市區(qū)，巨大的震動(dòng)和沖擊波會(huì)對(duì)周圍高大擁擠的建筑物造成很大的安全隱患，飛石則危及街道上的行人、行車安全，粉塵在造成環(huán)境污染的同時(shí)也給城市居民的身體健康帶來嚴(yán)重危害。為解決上述問題，必須尋求一種既能破碎巖石，又能保護(hù)環(huán)境的施工方法，上世紀(jì)八十年代研制出了一種靜態(tài)破碎劑，也稱無聲破碎劑，代號(hào)“SCA”，逐步廣泛應(yīng)用于各種工程實(shí)踐中[1-2]。

2 工程概況

2.1 工程簡(jiǎn)介

中國(guó)徐州市城市快速軌道交通1 號(hào)線一期工程地下市政工程土建施工B 合同段，包含振興路站～徐州東站區(qū)間及徐州東站站，共1 站1 區(qū)間，工程起點(diǎn)里程DK21+076．369，終點(diǎn)里程DK22+966．426，全長(zhǎng)1．89km。

根據(jù)設(shè)計(jì)文件，本項(xiàng)目靜態(tài)破碎范圍為振興路站～徐州 東 站 明 挖 區(qū) 間DK22+ 167．834 ～DK22+317．076 段以 及 徐 州 東 站 站DK22+317．076 ～DK22+370．076 段、DK22+540．076 ～DK22+740 段。

2.2 地形、地貌及地層巖性

場(chǎng)地地貌單元為剝蝕-溶蝕丘陵及丘間谷地地貌單元，地勢(shì)較為平緩，地面標(biāo)高40．55 ～41．159m。上部土層以雜填土為主，基巖以寒武系灰?guī)r為主。

①填土

雜填土：雜色，松散，以黏性土為主，夾有碎石、碎磚、塊石等。該層土為人工棄土，堆填時(shí)間3 ～5年，沒有經(jīng)過壓實(shí)改造，人為隨意性較大，均一性差，多為欠壓密土，結(jié)構(gòu)疏松，強(qiáng)度較低、壓縮性高、荷重易變形等特點(diǎn)，工程性質(zhì)差。場(chǎng)區(qū)大部分布，厚度：1．6 ～8．7m，平均4．8m。

②黏土

第四系上更新統(tǒng)黏土：黃褐色，硬塑狀，切面光滑，干強(qiáng)度高，韌性高，含少量鐵錳質(zhì)結(jié)核和鈣質(zhì)結(jié)核，呈零星透鏡體狀分布，厚度0．7 ～1．9m，平均1．3m。位于雜填土與基巖面之間，大部分地段缺失。

③基巖

場(chǎng)區(qū)主要揭露的為寒武系中統(tǒng)張夏組灰?guī)r。

中風(fēng)化寒武系灰?guī)r：青灰色，局部夾肉紅色、灰黃色，中風(fēng)化，隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，節(jié)理裂隙較發(fā)育，局部具溶蝕現(xiàn)象，多為方解石充填，巖芯呈短柱狀、塊狀。基巖走向?yàn)镹E-SW，傾向SE，傾角為30°～80°。屬較硬巖～堅(jiān)硬巖，較完整，巖體基本質(zhì)量等級(jí)為Ⅱ～Ⅲ級(jí)，灰?guī)r天然抗壓強(qiáng)度74．9Mpa，最高達(dá)128．3Mpa，密度平均值2．63g/cm3，為普?qǐng)?jiān)石。

2.3 工程水文地質(zhì)

（1）地下水類型

本區(qū)段場(chǎng)地地下水按賦存條件、含水介質(zhì)及水力特征分析，上部填土中存在上層滯水，因水量不大，對(duì)本工程影響較?。幌虏炕鶐r中地下水主要為巖溶裂隙水。巖溶裂隙水主要賦存于寒武系灰?guī)r的溶洞和溶（裂）隙中，含水層的滲透系數(shù)>20m/d，屬?gòu)?qiáng)透水。

（2）地下水的補(bǔ)給與排泄

巖溶裂隙水補(bǔ)給條件受巖體破碎程度、節(jié)理裂隙張開程度及延伸情況等控制，以垂直下滲為主；主要賦存于巖溶裂隙、溶蝕孔穴中，受土層地下水或周圍巖溶裂隙水補(bǔ)給，沿構(gòu)造破碎帶、節(jié)理裂隙密集帶匯集徑流，在巖溶發(fā)育處、地層接觸帶等以地下徑流的形式排泄，部分消耗于蒸發(fā)。本區(qū)裂隙巖溶水的補(bǔ)給來源主要是大氣降水入滲補(bǔ)給和區(qū)外巖溶地下水的側(cè)向徑流補(bǔ)給，局部地段接受地表水的滲透補(bǔ)給。

3 工法選用原因

（1）原因一

國(guó)務(wù)院令第639 號(hào)《鐵路安全管理?xiàng)l例》第三十四條規(guī)定：“在鐵路線路兩側(cè)從事采礦、采石或者爆破作業(yè)，應(yīng)當(dāng)遵守有關(guān)采礦和民用爆破的法律法規(guī)，符合中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和鐵路安全保護(hù)要求。” 徐州鐵路管理部門明確提出鄰近營(yíng)業(yè)線200m 范圍內(nèi)不允許采用爆破作業(yè)。

（2）原因二

本項(xiàng)目位于正在運(yùn)營(yíng)的京滬高鐵七大主要站區(qū)之一的徐州東站兩側(cè)，行車密度最密集時(shí)約3min/趟車次，周邊建（構(gòu)）筑物較多，人車流量密集，石方爆破不僅危及鐵路運(yùn)營(yíng)安全，也可能對(duì)高鐵站前廣場(chǎng)周邊的人車造成危害。

（3）原因三

設(shè)計(jì)圖中提出“若不允許使用炸藥爆破，應(yīng)采用無振動(dòng)、無沖擊波、無飛石的靜力爆破方式來破碎巖石?！?/p>

（4）原因四

原合同單價(jià)中明挖車站和區(qū)間土石方開挖僅57．15 元/m3 和69．29 元/m3，采用靜態(tài)破碎開挖可申請(qǐng)重新組價(jià)，提高項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)效益。

4 工法介紹

4.1 靜態(tài)破碎作用原理

人工或機(jī)械鉆孔后，將靜態(tài)破碎劑用適量水調(diào)成流動(dòng)狀漿體，直接灌入鉆孔中，經(jīng)水化反應(yīng)，使晶體變形，隨時(shí)間的增長(zhǎng)產(chǎn)生巨大膨脹壓力（徑向壓應(yīng)力和環(huán)向拉應(yīng)力），緩慢地、靜靜地施加給孔壁，經(jīng)過一段時(shí)間后達(dá)到最大值，將混凝土或巖石脹裂、產(chǎn)生裂縫，再使用破碎錘或風(fēng)鎬解小、破除，從而達(dá)到開挖的目的。

靜態(tài)破碎劑的破碎機(jī)理：靜態(tài)破碎劑是一種高膨脹性能的粉狀無機(jī)材料，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)，典型的化學(xué)反應(yīng)式為：

CaO+H2O →Ca(OH)2 釋放6．5×104J 熱量

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。根據(jù)測(cè)定，在自由膨脹的前提下，反應(yīng)后的體積可增長(zhǎng)2 ～3 倍，孔隙率隨之增大，其表面積也增大近100 倍，同時(shí)每摩爾還釋放出6．5×104J 的熱量。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30 ～80Mpa，介質(zhì)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[3-4]。

4.2 靜態(tài)破碎的優(yōu)、缺點(diǎn)

（1）優(yōu)點(diǎn)

破碎劑不屬于危險(xiǎn)品，在購(gòu)買、運(yùn)輸、保管、使用上不受過多限制；施工中不產(chǎn)生震動(dòng)、沖擊波、飛石、噪音、有毒氣體和粉塵等危害；在靜態(tài)爆破法施工過程中，破碎劑用水拌合后灌入炮孔即可，不需專業(yè)工種，操作方便。

（2）缺點(diǎn)

不適用于松散多孔體巖層和高聳結(jié)構(gòu)；與傳統(tǒng)爆破劑炸藥相比，靜態(tài)破碎劑能量不如炸藥大，施工中鉆孔多，破碎效果受氣溫及施工人員經(jīng)驗(yàn)影響較大；施工效率低，破碎劑購(gòu)買成本較高，施工中有噴漿和強(qiáng)堿性等危害。

4.3 施工工藝

施工準(zhǔn)備→布孔設(shè)計(jì)→測(cè)量定位→鉆孔→藥劑拌和→裝藥→藥劑反應(yīng)→破碎清渣→下一循環(huán)。

5 施工方法

5.1 施工準(zhǔn)備

（1）人員準(zhǔn)備

項(xiàng)目部配置工區(qū)主任和技術(shù)人員，選擇有資質(zhì)的專業(yè)分包單位承擔(dān)本標(biāo)段所有基坑石方靜態(tài)爆破工程，分包單價(jià)為185 元/m3（含稅）。

（2）機(jī)械準(zhǔn)備

項(xiàng)目部為分包隊(duì)伍提供2 臺(tái)HG375D-10 空壓機(jī)和4 臺(tái)KGH3 履帶鉆機(jī)，其余小型機(jī)具（YT28 風(fēng)鉆、手持電動(dòng)攪拌機(jī)等）和挖機(jī)、破碎錘由分包隊(duì)伍自帶。

（3）材料準(zhǔn)備

經(jīng)過比選，破碎劑選用徐州中國(guó)礦大爆破技術(shù)有限公司生產(chǎn)的“保利特靜力破碎劑”，單價(jià)為3600 元/t。

5.2 布孔設(shè)計(jì)

依據(jù)靜態(tài)破碎布孔參數(shù)表及相關(guān)靜態(tài)破碎經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合實(shí)際巖層及工程量情況，按中硬度巖石參數(shù)應(yīng)選擇淺孔破碎參數(shù)。但本工程石方靜態(tài)破碎量達(dá)6．5 萬方，方量較大，采用常規(guī)淺孔破碎工期無法保證，因此在施工前對(duì)中深孔破碎方法進(jìn)行了試驗(yàn)，中深孔破碎的主要思路為鉆大孔、小孔距、大排距，起到同排裂開成條狀切割方法，切割后采用機(jī)械破除，試驗(yàn)證明中深孔一次破碎方量大，破碎劑單耗較淺孔破碎并未增加，所以決定在刷坡位置用手持風(fēng)鉆采用淺孔破碎，基坑中部采用淺孔和深孔破碎相結(jié)合的方法施工。

（1）淺孔靜態(tài)破碎參數(shù)：孔深H=2m，孔距35cm，排距35cm，孔徑40mm，沿坑窩側(cè)布三排眼共45 個(gè)孔、寬度范圍5m，破碎方量約10．5m3，破碎劑使用量15kg/m3。單孔裝藥量3．5kg。

（2）中深孔靜態(tài)破碎參數(shù)：孔深H=5m，孔距40cm，排距80cm，孔徑70mm，三排眼共38 個(gè)孔、寬度范圍5m，破碎方量約60m3，破碎劑使用量15kg/m3。單孔裝藥量23．7kg。

5.3 測(cè)量定位及鉆孔

由測(cè)量組放出開挖范圍線，并用紅油漆按設(shè)計(jì)的孔距在巖石表面標(biāo)識(shí)清楚，準(zhǔn)備施鉆。淺孔采用手持風(fēng)鉆成孔直徑Φ40mm 孔，中深孔采用Φ70 潛孔鉆機(jī)鉆孔。成孔后對(duì)孔口進(jìn)行有效保護(hù)，避免雜物調(diào)入孔內(nèi)堵塞。

孔徑：孔徑越大則藥效的膨脹壓也越大，但由于孔間距也相應(yīng)較大而使切割面平整度下降，對(duì)于平整度要求較高的邊坡坡面等增加了修整工作量，而孔徑過小又因打孔太密而不夠經(jīng)濟(jì)，綜合諸種因素，故邊坡刷坡孔采用YT28 風(fēng)鉆打設(shè)40mm 的孔洞，以保證邊坡的坡率和平整度，其余部位采用打設(shè)40mm 和70mm 孔洞相結(jié)合的方式進(jìn)行，加快施工進(jìn)度。

孔深：孔深按照布孔設(shè)計(jì)打設(shè)。

鉆孔方向：鉆孔方向要根據(jù)破碎現(xiàn)場(chǎng)結(jié)構(gòu)狀況而定。一般盡可能鉆垂直孔，鉆孔施工和填充破碎劑方便。但是為了達(dá)到最佳破碎效果，也可在適當(dāng)部位上鉆水平孔、斜孔和向上孔。

5.4 藥劑拌和及裝藥

先將按重量比為28-35%的水倒入容器中，然后加入SCA，大量用手持電動(dòng)攪拌機(jī)，小量用手工拌制（用手?jǐn)嚢枰飨鹉z手套），攪拌成具有流動(dòng)性的粘稠狀漿體。再采用人工裝入鉆孔內(nèi)。攪拌時(shí)間以破碎劑攪拌均勻?yàn)橐丝刂?，具體攪拌時(shí)間進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定。

5.5 藥劑反應(yīng)

藥劑反應(yīng)的快慢與溫度有直接的關(guān)系，溫度越高，反應(yīng)時(shí)間越快，反之則慢。氣溫較低，藥劑反應(yīng)時(shí)間會(huì)延長(zhǎng)，反應(yīng)時(shí)間太長(zhǎng)會(huì)給施工帶來不便。一般解決辦法是加入保溫劑和提高拌和水溫度。保溫劑加入過多，也會(huì)降低藥劑膨脹力。拌和水溫可根據(jù)實(shí)際適當(dāng)提高，但最高不可超過40℃，否則可能沖孔。反應(yīng)時(shí)間一般控制在30 至60 分鐘為較好，條件較好的施工現(xiàn)場(chǎng)可根據(jù)實(shí)際縮短反應(yīng)時(shí)間，以利于施工。藥劑反應(yīng)時(shí)間過快易發(fā)生沖孔傷人事故，可使用延緩反應(yīng)時(shí)間的抑制劑。藥劑反應(yīng)過程中，作業(yè)范圍必須進(jìn)行警戒防護(hù)，設(shè)置警戒標(biāo)示，嚴(yán)禁人員進(jìn)入。

5.6 破碎清渣

根據(jù)理論藥劑反應(yīng)時(shí)間，由原裝藥人員檢查藥劑反應(yīng)效果，待藥劑完全反應(yīng)、巖體被漲開形成裂縫后，解除施工警戒范圍，采用PC450 破碎錘破除翻倒、解小，挖機(jī)配合場(chǎng)內(nèi)倒運(yùn)，騰出工作面并進(jìn)入下一循環(huán)。

6 施工安全措施

（1）無關(guān)人員不得進(jìn)入施工現(xiàn)場(chǎng)。

（2）采用具有腐蝕性的靜態(tài)破碎劑時(shí)，灌漿人員必須戴防護(hù)手套和防護(hù)眼鏡?？變?nèi)注入破碎劑后，作業(yè)人員應(yīng)保持安全距離，嚴(yán)禁在注孔區(qū)域行走。

（3）在相鄰兩孔之間，嚴(yán)禁鉆孔與注入破碎劑同步進(jìn)行[5-6]。

（4）靜態(tài)破碎時(shí)，發(fā)生異常情況必須停止作業(yè)，待查明原因并采取相應(yīng)措施確保安全后，方可繼續(xù)施工。

（5）在藥劑灌入鉆孔到巖石開裂前，不可近距離直接面對(duì)已裝藥的鉆孔。藥劑灌裝完成后，蓋上麻袋或棕墊，遠(yuǎn)離灌裝點(diǎn)。觀察裂縫發(fā)展情況時(shí)應(yīng)更加小心。此外施工現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)專門備好清水和毛巾，沖孔時(shí)如藥劑濺入眼內(nèi)和皮膚上，應(yīng)立即用清水沖洗，情況嚴(yán)重者應(yīng)立即送醫(yī)院檢查治療。

（6）在破碎工程施工過程中需要改變和控制反應(yīng)時(shí)間時(shí)，必須依照規(guī)定加入抑制劑或觸發(fā)劑，并按要求配制使用，嚴(yán)禁擅自加入其它任何化學(xué)物品。

（7）嚴(yán)禁將破碎劑加入水后裝入小口容器內(nèi)。

（8）剛鉆完孔或剛沖孔的鉆孔，孔壁溫度較高。應(yīng)確保溫度正常符合要求并清洗干凈后才能繼續(xù)裝藥。

（9）破碎劑在運(yùn)輸和儲(chǔ)存過程中應(yīng)防潮，開封后應(yīng)立即使用。如一次未使用完，應(yīng)立即扎緊袋口，需用時(shí)開封。破碎劑嚴(yán)禁與其它材料混放。

（10）使用破碎劑前確保操作人員對(duì)說明書已仔細(xì)閱讀并理解。

（11）位于地下水以下的鉆孔裝藥需先將套筒插入鉆孔內(nèi)，然后往套筒內(nèi)裝藥，從而使藥劑發(fā)揮最大的效力。

（12）裝藥順序從臨空面開始逐孔逐排順序裝藥，當(dāng)一次藥量較大，裝藥時(shí)間超過2 個(gè)小時(shí)，臨空面采取防護(hù)措施，作業(yè)人員遠(yuǎn)離臨空面，防止裝藥過程臨空面先裝孔產(chǎn)生反應(yīng)，發(fā)生臨空面漲裂滑塌現(xiàn)象。

7 經(jīng)濟(jì)效益分析

本合同段靜態(tài)破碎范圍沿線構(gòu)建筑物多，其中DK22+167 ～DK22+317 段沿線北側(cè)緊鄰高鐵西廣場(chǎng)地下停車場(chǎng)結(jié)構(gòu)側(cè)墻、南側(cè)緊鄰公交站臺(tái)及鉑驪四星級(jí)酒店；DK22+317 ～DK22+370 段下穿站前高架橋、緊鄰高鐵站臺(tái)及高鐵西出站口。為確保京滬高鐵運(yùn)營(yíng)線周邊旅客、設(shè)施安全、酒店運(yùn)營(yíng)，夜間不得進(jìn)行鉆孔及機(jī)械破碎等噪聲較大的工序施工。受高鐵商務(wù)區(qū)影響，白天嚴(yán)禁出渣、夜間出渣時(shí)間受限且經(jīng)常禁止出碴，為了創(chuàng)造后續(xù)工作面必須在場(chǎng)地內(nèi)堆渣倒運(yùn)，施工進(jìn)度緩慢，結(jié)合以往施工進(jìn)度，所以按平均3000m3/月開挖方量進(jìn)行計(jì)算，每月管理人員工資及其他措施費(fèi)約100000 元，機(jī)械折舊和電費(fèi)約50000 元，計(jì)算如下：

每月靜態(tài)破碎產(chǎn)值：3000（m3）×280（元/m3）=84萬元

扣除分包費(fèi)用和其他費(fèi)用：840000-185×3000-100000-50000=13．5 萬元

每方純利潤(rùn)：135000/3000=45 元/m3

總利潤(rùn)：45（元）?65000（m3）=292．5 萬元

8 結(jié)論和建議

8.1 結(jié)論

靜態(tài)破碎工藝解決了在某些特殊情況及特殊環(huán)境下不允許使用常規(guī)炸藥爆破來拆除構(gòu)筑物及對(duì)巖石、礦石的開采這個(gè)長(zhǎng)期存在并造成困擾的難題。土石方工程中針對(duì)不能炸藥爆破和深基坑巖石破碎效率低等復(fù)雜環(huán)境和要求很高的條件下，沒有臨空面的深基坑內(nèi)也能獲得理想的靜破效果?；邮狡扑榭墒褂脺\孔和中深孔結(jié)合的方法進(jìn)行施工，但在一些名貴礦石開采或破除少量混凝土結(jié)構(gòu)時(shí)，盡量選擇小型機(jī)具打設(shè)淺孔，同時(shí)減小孔距和排距的方式進(jìn)行。靜態(tài)破碎是一種新型的爆破方法，它是常規(guī)炸藥爆破的一種發(fā)展、延伸，雖然靜態(tài)爆破技術(shù)現(xiàn)階段在中國(guó)還沒有炸藥爆破技術(shù)那樣廣泛應(yīng)用，但也應(yīng)當(dāng)看到靜態(tài)破碎它的前景是非常光明的[7-8]。

8.2 建議

破碎劑雖使用塑料口袋封裝，但存放時(shí)仍要防潮、防水，一次購(gòu)買量不宜過多。巖石預(yù)裂需要有足夠的臨空面。自由臨空面可以減少膨脹所需要壓力、有效提高靜態(tài)破碎劑的使用效率，同時(shí)加快開挖速度。施作的鉆孔應(yīng)及時(shí)進(jìn)行保護(hù)。先前施工好的鉆孔，應(yīng)及時(shí)的填塞孔口，以防止其他雜物掉入孔中，影響后續(xù)的工作。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況分多個(gè)工作面進(jìn)行。因?yàn)槊總€(gè)工作面在施工時(shí)，最好一次開裂一層巖石，然后再進(jìn)行另一區(qū)域的巖石，這樣可以進(jìn)行時(shí)空輪換，增加工效，降低施工成本。要根據(jù)不同的氣溫選擇不同類型的破碎劑，不同型號(hào)不可混用，冬季氣溫較低時(shí)，可采用熱水拌和。使用靜態(tài)破碎劑進(jìn)行裝孔后，防止高溫造成噴孔傷人，要求操作工人佩戴護(hù)目鏡和防護(hù)手套[9-10]。