强岩溶发育谷地与丘陵谷地输水工程静力爆破施工技术

唐玉婷

【摘 要】广西建工集团第五建筑工程有限责任公司将一种新型的针对强岩溶发育谷地与丘陵谷地输水工程的静力爆破施工技术应用到古偿河原水输水工程中，取得较好的施工效果。文章以古偿河原水输水工程的静力爆破施工为研究对象，阐述了静力爆破施工技术的关键点，可为今后类似工程的施工提供借鉴。

【关键词】强岩溶发育;输水工程;静力爆破

【中图分类号】P642.25;X43 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2019）06-0070-03

0 前言

随着我国基础建设的不断推进，许多边远山区已经实现户户通水通电，居民的生活质量大大提升。但是，在广西的个别山区，受喀斯特地貌的影响，其强岩溶发育谷地与丘陵谷地地质条件给输水工程带来极大的困难。输水区域石山环抱，附近有村庄民房，局部有高压电塔，若采用爆破施工，有可能引起重大地质灾害及地下溶洞崩塌;若采用非爆破式挖掘破碎技术，大型机械又无法开进崎岖山路;若采用人工作业，则施工进度缓慢，无法满足生产要求。针对处于喀斯特环境的强岩溶发育谷地与丘陵谷地地质条件的输水工程，采用全新的静力爆破施工技术可以有效地解决上述问题。

1 工程概况

广西柳州市柳东新区水厂古偿河原水输水工程位于广西柳州市鹿寨县，取水点在古偿河，位于柳州市鹿寨县桂柳高速与G323国道交汇处附近～洞光村东部600 m处，场地宏观地貌属强岩溶发育谷地与丘陵谷地地貌（如图1所示），E3+900～E11+650为丘陵谷地地貌。丘陵谷地一般呈形态出现，丘顶标高为217.00～238.00 m，谷地标高一般为103.00～143.00 m，巖溶谷地标高一般为103.00～119.00 m，设计的管线主要沿强岩溶发育谷地与丘陵谷地通过，谷地地带坡度平缓，坡度一般为1°～3°。

2 施工方法选择

2.1 施工方法选择

两岸为喀斯特强岩溶发育地区与丘陵谷地，有桩号（E0-E50～E11+650）E段的管线。施工范围的岩石新鲜，质硬性脆，钻探岩芯多呈柱状，岩层基本质量等级为Ⅲ、IV类。因场地狭小，所以无法采取机械破碎法施工，而且单位面积上石方方量较小，采用火工炸药爆破需要采用安全措施，并且需上报公安及安监部门审批，审批程序复杂、周期长。本施工爆破作业点采用常规露天爆破，施工过程中不能有效保证周围环境安全，属于不允许出现飞石的高压输电线及密集民宅旁的破碎施工。为此，经参建各方会议决定，采用静力爆破法施工。

2.2 静力爆破的特点

（1）操作简单，易于管理，在购买、运输、保管方面无任何限制，可按普通货物进行管理。

（2）在破碎施工中不会产生震动、噪声、污染及飞石等。同时，施工使用的静力爆破剂不属于危险品，可以随时使用。

2.3 适用范围

（1）场地条件特殊，无法使用岩石破碎机械设备，不允许或不适宜使用炸药，但是又需要破除岩石的工程。

（2）不允许出现飞石的铁路线路、通信光缆、高压输电线旁及公共场所等施工环境。

（3）不允许强烈震动的岩石破碎施工，例如文物抢救保护工程、危急边坡险情的处理、密布既有管线周围地下工程。

（4）不允许出现声响的破碎施工等。

（5）要求完整性的工程，例如保留部分岩石完整，要求结构强度与原工程一致。

（6）贵重岩石开采，名贵石料切割。

3 工艺原理

3.1 基本工艺原理

在对岩石进行人工造孔后，静力爆破剂发生膨胀，促使岩石胀裂，最后产生裂缝。使用风镐对其破除，最终达到施工破碎的目的。

3.2 破碎机理

（1）使用本技术时，需使用静力爆破剂进行破碎作业，静力爆破剂的成分及原理与炸药完全不一样，本方法提及的破碎剂在被破碎体内会发生一系列的化学反应，同时存在大量的物理变化，包含特殊晶粒发生变形、体积发生变化、温度逐渐升高，伴随着体积的增大，对孔壁的膨胀压力也逐步增大，导致介质最终因龟裂而完全解体。

（2）岩石属于脆性介质，它的抗拉强度在5～10 MPa，本技术使用的无声破碎剂膨胀压力较大，为30～50 MPa，是岩石最大抗拉强度的5倍以上，在静力爆破剂发生作用时，它周围的介质因一系列受力情况的改变而产生拉应力，该拉应力属于周向拉应力，此应力值随着反应的增强而不断增大，最终达到介质的抗拉强度，当超过抗拉强度时，介质预留的孔中会产生裂隙，因为膨胀压力不断增大的过程比较缓慢，所以会慢慢导致裂隙逐步扩展，一步一步地成为相对较大的新裂缝，最终介质被完全破坏，达到施工目的。

3.3 化学原理

将施工中需要使用到的特殊硅酸盐、氧化钙等物质为作为本反应的主要原料，同时配合其他的反应材料，例如有机及无机的添加剂等，制成静力爆破剂，它的化学反应公式如下：

CaO+H2O→Ca（OH）2+6.5×104 J

在以上化学反应式中，主要物质氧化钙遇水变成氢氧化钙时，它的晶体结构会发生较大变化，即由立方晶体转变成为复三方偏三角面体，形状完全改变，这种晶体与晶体之间的转化，会引起原来晶体的体积发生较大的膨胀，最终挤破岩石，达到施工目的。根据权威机构测定，晶体自由膨胀时，反应后的体积可增长3倍以上，同时表面积变大100倍以上，还能释放出大量热量，每摩尔可达到6.5×104 J。如果将它注入事先设置好的空隙内，由于膨胀反应受到孔壁的狭小空间的约束，其压力会迅速增高，达到50 MPa以上，岩石介质在这种压力的作用下，将无法抵抗，其内部受力情况会发生巨大改变，进而产生一系列的径向压缩应力和切向的拉伸应力。人工造孔如图2所示。

4 施工工艺流程及操作要点

4.1 工艺流程图

工艺流程图如图3所示。

4.2 操作要点

（1）在进行破碎作业之前，施工队组应对岩石有一定的了解，如岩石额性质、节理、工期要求、工程量、破碎程度、气候条件、走向和地下水情况等，都要一一进行详细调查。其中，本试验所用到的钻孔参数、钻孔分布及最终的破碎顺序等都需要根据破碎物体的实际情况（岩石属性）确定。

（2）设计布眼。布眼工作开始前，要先确定岩石的情况，确保岩石满足施工时需具备一个临空面的要求，同时在作业钻孔过程要注意对方向的把控，与临空面保持平行，存在的自由面越多，则说明一定单位内的破石量越大，产生的经济效益越高。如果施工中岩石硬度大，则孔距及排距就要小一些，两个条件互为相反，它们的关系见表1。

（3）钻孔。岩石的钻孔直径对施工能否顺利进行至关重要，破碎效果也取决于此，如果钻孔过小，药剂放得太少，会影响药剂反应的效果;但是如果钻孔太大，孔口又很难填满药剂。本工程施工中使用直径为38～42 mm的钻头，为统一标准，以40 mm为宜。使用前，必须清理干净钻孔内的余水和余渣，孔口旁要保持干净整洁。

（4）钻孔深度和装药深度。处理孤立的岩石时，钻孔深度要严格控制，对体积非常庞大的岩石，或者遇到特殊情况时，必须分步破碎，而且要进行事先评估，对钻孔的深度要慎重选择。一般根据不同的施工要求，在1～2 m是比较理想的钻孔深度。装药深度若能达到孔深的100%为最佳，一定要确保填满。

（5）装药。如果施工中遇到向下及向下倾斜的眼孔，由于形状已经无法改变，可以在反应药剂中掺入25%左右的水，同时搅拌均匀，在拌成药剂呈现流质状态后，应趁药剂没有高速反应前迅速倒入事先已经开好的孔内，同时要确保药剂都在孔内且处于完全密实的状态。无论药剂是粗颗粒还是细颗粒，都要注意配比：粗颗粒药剂水灰比需调节到25%时，各项指标如流动性等较好，细颗粒药剂制成的水灰比为 32%左右时，各项指标较好。

在遇到水平方向或向上方向的钻孔时，建议选择其他尺寸的器械（使用比钻孔直径略小的为宜），可以在高强长纤维纸袋中装入一定量的特殊药剂，将其放入盆中，同时及时倒入纯净水对其完全浸泡，等1 min左右，等待药卷完全湿润，取出该药卷从孔底开始进行深加工，最后逐条装入，并用小棍子捅紧，直至密实地装填到孔口不能再填入为止。与此同时，可搅拌药剂，并配制一定比例的灰浆将其压入孔内，最后孔口用湿润的黄泥封堵完毕，保证药剂不流出即为合格。

每次装填药剂后，应当及时观察数据，确定温度符合要求，温度过高或过低都会导致施工失败。在整个施工的灌装过程中，要时刻注意对于已经开始发生化学反应的药剂，不能再装入孔内，否则会发生安全事故。药剂反应过程中，要加入拌合水保证其反应顺利，直至灌装结束，整个过程控制在6 min为宜。

（6）藥剂反应时间的控制。如果药剂温度高，反应时间快，所需反应时间短，反之时间长。我们在实际施工时，药剂的反应时间是可以控制的。具体方法有两种：第一种是加入抑制剂，即在拌合水中加入特殊的抑制剂，使其反应变慢。另一种方法是在施工中严格控制拌合水和药剂的温度。如果工程在气温较高的夏季进行，必须对药剂严格看管，确保其低温存放，避免曝晒。拌合水温度在15 ℃以下为宜。抑制剂加入量最少为0.5%，最大为6%。冬季施工时，拌合水的温度最高不能够过50 ℃，反应时间视具体工况而定，一般为30～60 min。

5 结语

采用静力爆破施工技术，能对强岩溶发育谷地与丘陵谷地的山石进行开挖，具有安全、高效及不受场地制约的特点，特别适合在广西及类似的喀斯特地貌地区的山石爆破施工中使用。广西建工集团第五建筑工程有限责任公司成功地将该项技术使用在输水工程的管线开挖过程中，为以后类似工程的施工积累了大量宝贵的经验。

参 考 文 献

[1]郭伟，张海波，高俊合.静力爆破施工工法[EB/OL].http：//jz.docin.com/p-378421308.html，2019-05-24.

[2]潘小龙.简述工程爆破新技术——静力爆破[J].中小企业管理与科技（下旬刊），2009（7）.

[3]杨国梁，杨军，姜琳琳.框-筒结构建筑物的折叠爆破拆除[J].爆炸与冲击，2009（4）.

[责任编辑：钟声贤]