靜態(tài)爆破在高速公路邊坡開(kāi)挖中的應(yīng)用研究*

支彥鋒，斯紀(jì)平，王玉富，胡繼強(qiáng)，沈佳鋒

（浙江交工路橋建設(shè)有限公司，浙江 杭州 310051）

目前，國(guó)內(nèi)公路巖質(zhì)邊坡開(kāi)挖主要采用炸藥爆破方式進(jìn)行，這種方法不僅器材管制嚴(yán)格、施工技術(shù)要求高、危險(xiǎn)性大，而且當(dāng)邊坡工程緊臨鐵路、電力線塔、易燃易爆管道、居民點(diǎn)時(shí)，施工嚴(yán)重受限。如何安全高效地完成這些特殊部位的巖石開(kāi)挖是許多施工單位面臨的問(wèn)題。

目前特殊工況下的巖石開(kāi)挖多采用鎬頭機(jī)，不僅效率低、成本高，而施工時(shí)振動(dòng)大、噪聲大，長(zhǎng)時(shí)間作業(yè)對(duì)施工人員的身心健康會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重影響。近年來(lái)，一種新興的破巖技術(shù)——靜態(tài)爆破深受工程界的關(guān)注，該技術(shù)主要利用膨脹劑水化反應(yīng)時(shí)的膨脹以使巖石開(kāi)裂[1]。國(guó)內(nèi)外的許多學(xué)者都對(duì)靜態(tài)爆破開(kāi)展研究，如姜楠[2]研究了靜態(tài)膨脹時(shí)巖石內(nèi)的應(yīng)力分布規(guī)律；金宗哲等[3]研究了膨脹壓力作用下巖石的劈裂破壞過(guò)程，并對(duì)這一過(guò)程進(jìn)行階段劃分；唐烈先等[4]開(kāi)展了靜態(tài)爆破的模型試驗(yàn)，驗(yàn)證了靜態(tài)爆破的有效性。近年來(lái)，該技術(shù)在礦產(chǎn)開(kāi)采、地鐵開(kāi)挖、舊物拆除等領(lǐng)域得到了成功應(yīng)用，并取得良好的效果。申嘉湖高速公路西延線工程位于浙江省湖州市境內(nèi)，多段路線位于人口居住密集地或緊臨工廠企業(yè)，為了保證工程周邊人員設(shè)備的安全，筆者開(kāi)展靜態(tài)爆破用于路塹邊坡的開(kāi)挖研究。

1 靜態(tài)爆破的作用機(jī)理

靜態(tài)爆破的核心材料為靜態(tài)膨脹劑，一般是以經(jīng)高溫煅燒的氧化鈣（CaO）為主要成分，再添加適量的外加劑（如減水劑、緩凝劑等）共同研磨而成[1]。當(dāng)靜態(tài)膨脹劑加水或浸水拌和后，氧化鈣將發(fā)生式（1）所示的反應(yīng)。

CaO+H2O→Ca（OH）2+62.8kJ （1）

在該反應(yīng)中，水進(jìn)入氧化鈣內(nèi)部發(fā)生水化反應(yīng)，由于氧化鈣表面積大，水化反應(yīng)速度快，水化反應(yīng)的速度大于水化產(chǎn)物的生成速度，反應(yīng)變得活躍，從而使體積膨脹。當(dāng)靜態(tài)膨脹劑被灌入鉆孔中時(shí)，由于孔壁的約束，靜態(tài)膨脹劑的膨脹受到約束，無(wú)法自由膨脹將會(huì)對(duì)孔壁產(chǎn)生巨大的壓力，當(dāng)徑向壓力在孔壁切向引起的拉應(yīng)力大于巖石的抗拉強(qiáng)度時(shí)，巖石被破碎。同時(shí)，靜態(tài)膨脹劑水化時(shí)還放出大量的熱量，由于巖石為熱的不良導(dǎo)體，這將在鉆孔周邊形成明顯溫度梯度，從而產(chǎn)生溫度應(yīng)力，同時(shí)溫度的升高又將顯著加速靜態(tài)膨脹劑的水化反應(yīng)速度，使巖石在熱-力耦合作用下快速破裂。

2 高速公路邊坡靜態(tài)爆破開(kāi)挖

2.1 工程簡(jiǎn)介

申嘉湖高速公路西延線工程位于湖州市吳興區(qū)、長(zhǎng)興縣和安吉縣境內(nèi)，沿線經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、人口密集，廠房林立。其中K133+315～K133+464為一處深挖路塹，需要開(kāi)挖大量的基石，而該邊坡緊臨一大型皮革廠，如圖1所示。為了確保工廠的安全生產(chǎn)，該邊坡不能采用爆破方式開(kāi)挖，而若采用機(jī)械破巖，不僅效率低，而且噪聲大。經(jīng)對(duì)比分析后，擬采用靜態(tài)爆破方法進(jìn)行開(kāi)挖。

圖1 邊坡前方的工廠

2.2 靜態(tài)爆破方案設(shè)計(jì)

（1）靜態(tài)爆破參數(shù)設(shè)計(jì)。地質(zhì)報(bào)告與現(xiàn)場(chǎng)取樣試驗(yàn)表明，該邊坡巖體較硬，但節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖石抗拉強(qiáng)度Rt=5MPa；當(dāng)季地區(qū)溫度一般為10～25℃。據(jù)此，選用粉末狀SCA-Ⅱ型靜態(tài)膨脹劑進(jìn)行開(kāi)挖，水劑比為0.28～0.32，膨脹劑配成流體灌入鉆孔發(fā)生水化反應(yīng)后可產(chǎn)生達(dá)30～50MPa的膨脹力。為了提高施工效率，選用鉆孔直徑為60mm，孔距為0.6m，梅花形布孔，鉆孔方向向盡量與臨空面一致，并隨孔距邊坡開(kāi)挖邊界限距離的減少靈活調(diào)整，確保開(kāi)挖后邊坡的坡率，布孔方案如圖2所示。裝藥后采用快硬水泥封孔，封孔長(zhǎng)度不小于0.5m。

圖2 鉆孔布置圖（單位：mm）

（2）施工工藝設(shè)計(jì)。爆破施工的工藝流程：施工前準(zhǔn)備→施工平臺(tái)準(zhǔn)備→測(cè)量定位→設(shè)計(jì)布孔→鉆孔→裝藥→藥劑反應(yīng)→清碴→進(jìn)入下一循環(huán)。施工要點(diǎn)：①施工前做好技術(shù)交底及安全預(yù)案；②施工前先清理坡面植被、浮石及坡面的覆土，并清理出鉆孔所需的施工平臺(tái)；③布眼前首先要確定至少有一個(gè)以上臨空面，鉆孔方向應(yīng)盡可能做到與臨空面平行；④灌入藥劑要對(duì)鉆孔進(jìn)行清孔，避免孔內(nèi)積水影響爆破效果；⑤拌制藥劑時(shí)要嚴(yán)格控制水劑比，并做到“少拌勤裝”，從藥劑加入拌合水到灌裝結(jié)束，整個(gè)過(guò)程的時(shí)間不能超過(guò)5min。灌裝藥劑時(shí)要注意帶好防護(hù)眼鏡，且不可將面部直接近距離面對(duì)已裝藥的鉆孔。

2.3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施與效果分析

圖3 邊坡靜態(tài)爆破開(kāi)挖施工過(guò)程

根據(jù)方案設(shè)計(jì)，先后進(jìn)行了邊坡整理、鉆孔、拌藥、灌藥，靜待膨脹劑發(fā)揮作用，清理碴石等工序的施工。邊坡靜態(tài)爆破的實(shí)施過(guò)程如圖3所示?，F(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)和實(shí)施結(jié)果表明，裝藥后約0.5h后，可以看到藥劑發(fā)生反應(yīng)的效果，在鉆孔周邊有細(xì)小裂縫出現(xiàn)；隨著反應(yīng)時(shí)的延長(zhǎng)，裂縫不斷增大、擴(kuò)展，2h后部分孔之間的裂縫相互貫通，4h后裂隙已經(jīng)很寬大后，即可以采挖機(jī)清理碴石。整個(gè)過(guò)程基本上聽(tīng)不到任何噪聲，也沒(méi)有飛沙走石。但在現(xiàn)場(chǎng)也觀察到，該次開(kāi)挖由于鉆孔直徑較大，膨脹力大，極少量封孔效果不好的鉆孔有沖孔現(xiàn)象，因此封孔后要對(duì)靜態(tài)爆破區(qū)進(jìn)行管制，人員不得進(jìn)入該區(qū)域，但在灌裝過(guò)程沒(méi)有發(fā)生沖孔現(xiàn)象。

3 結(jié)束語(yǔ)

隨著我國(guó)基礎(chǔ)建設(shè)的不斷發(fā)展與城鎮(zhèn)化的推進(jìn)，在特殊條件下的邊坡開(kāi)挖工點(diǎn)會(huì)越來(lái)越多，施工方案制定的限制性條件也會(huì)越來(lái)越多。文章結(jié)合申嘉湖高速公路西延線工程的建設(shè)，采用靜態(tài)爆破對(duì)一處緊鄰工廠的邊坡進(jìn)行開(kāi)挖，結(jié)果表明，該技術(shù)具有安全高效、環(huán)境影響小的優(yōu)點(diǎn)，是特殊工況下巖石破解的有效途徑，值得大力推廣與應(yīng)用。