城市复杂环境下水工隧洞静态爆破施工技术

李杰浩，黄世林，罗登钢，曾怡枫，肖宏丽

（中铁二局第三工程有限公司，成都610036）

1 引言

城市水工隧洞主要是指在城市地下开挖的过水洞，其主要功能是用于城市供水、泄水、导流等。传统水工隧洞开挖主要采用钻爆法施工，而在城市复杂环境下，由于传统爆破作业产生的有害效应十分明显，对隧洞穿越区域周边结构物及其他保护对象的影响及损伤是客观存在的。因此，在城市复杂环境下的水工隧洞岩体开挖施工中，常采用静态破碎施工技术，静态破碎包括机械破碎、水磨钻取芯及静态爆破等，由于机械破碎及水磨钻取芯受隧洞施工作业面及开挖进尺限制较大，因此，一般主要采用静态爆破施工。

本文对静态爆破技术进行研究，通过不断优化调整静态爆破设计参数和施工方法，提高了静态爆破施工效率，从一定程度上解决了城市复杂环境下水工隧洞开挖难题。

2 工程概况

广州市南沙区凤凰湖水系连通及生态整治工程（3#、4#湖）位于蕉门河中心区，紧邻丰泽西路，北侧距离蕉门村约250 m，东侧距离叠翠峰小区约200 m，南侧距离万科府前花园小区约230 m，场地内还存在一处通信塔无法搬迁。该工程包含5座水工隧洞，本文以其中的3#湖瀑布隧洞为例进行研究。该隧洞开挖断面面积仅为6.2 m2，在水工隧洞中划分为特小断面，洞内为花岗岩，设计图中进出口区域为Ⅳ类围岩、其余区域为Ⅲ类围岩。为避免传统爆破产生的噪声、振动和飞石对周边居民、房屋和通信塔造成破坏，消除市区使用炸药带来的安全隐患，设计采用静态爆破工艺进行隧洞开挖施工。本工程隧洞施工为其他多项施工内容的紧前工程，因此，对施工工期要求较高。

3 施工工法

静态爆破开挖施工工艺流程为：选择临空面→设计钻孔参数→钻孔与清孔→选择破碎剂→搅拌与装灌→养护与反应→出渣与运输→超欠挖处理。

3.1 选择临空面

将隧洞断面分为左右2个开挖部分，用水磨钻在掌子面正中间钻孔掏槽，制造临空面，在槽两侧钻孔，破碎两侧岩体并开挖出碴。临空面选择如图1、图2所示。

图1 临空面选择示意图（单位：mm）

图2 临空面选择现场图

3.2 设计钻孔参数

3.2.1 孔径

孔径是决定破碎效率的重要因素，破碎岩石时孔径不宜小于40 mm，但也不宜大于65 mm[1]，孔径过大会使破碎剂用量增大，在未采取措施情况下，由于岩体夹制易产生破碎剂喷出现象。本工程隧洞拟采用YT28气腿式凿岩机进行打孔，孔径为42 mm。

3.2.2 孔距a

孔距a根据式（1）求得

式中，a为孔距，cm；K为破碎系数，若使用普通型破碎剂时，K值可从当前数据选取；d为孔径cm。

本工程所在地区岩石为花岗岩，属于较硬岩类，标准K值取7，计算孔距为a=7×42=294 mm，孔距取30 cm。为增强轮廓破碎效果，周边眼取15 cm。

3.2.3 孔深L

钻孔深度与被破碎体深度有关，钻孔深度一般大于破碎体深度，它们之间的关系可用式（2）表示：

式中，L为孔深，m；H为被破碎体的深度，m；x为孔深系数，与约束条件有关，对于原岩x=1.05。

根据施工图设计，每次进尺不超过3 m。为使静态爆破效果更佳，结合现有水磨钻取芯深度，初步确定单次破碎深度为1 m，3个开挖循环后进行喷锚支护。由于岩体为花岗岩，孔深系数取1.05，因此，钻孔深度为L=1×1.05=1.05 m。

3.3 钻孔与清孔

采用DJ2230G水磨钻，垂直于掌子面钻孔取芯，取芯直径230 mm，取芯深度1 m，采用YT28气腿式凿岩机在取芯形成的临空面左右两侧进行钻孔，为避免装药后破碎剂倒流，打孔保持5°~10°的向下倾角。

因孔内岩屑和积水将影响破碎剂反应效果，钻孔至设计孔深后，采用高压风进行炮孔清吹，清除孔内岩屑及积水[2]。

3.4 选择破碎剂

选择高效无声破碎剂（HSCA-Ⅱ）作为隧洞岩体破碎材料，HSCA-Ⅱ主要由游离氧化钙（f-CaO）、硅酸三钙（C3S）、铁铝化合物等材料配以石膏和木钙以一定比例磨粉混合而成[3]；破碎剂存放在专门的施工棚内，保持环境干燥，防止受潮。

3.5 选择胀裂顺序

为使静态破碎时能有更多更大的自由面，以提高膨胀破碎效果，炮孔中破碎剂的灌装顺序应考虑一定的时间差[4]。因此，破碎剂灌装顺序为：先装前排炮孔，再依次往后逐排装填后排炮孔。这样前排炮孔先产生反应，先破碎的炮孔可减少前排的夹制作用，从而取得较好的静态破碎效果。

3.6 搅拌与装灌

选择的水灰比为：水∶破碎剂=0.3∶1。将破碎剂质量比为30%的水倒入容器中，然后倒入破碎剂，操作人员戴好橡胶手套，将混合物搅拌成为具有流动性的均匀浆体。由于钻孔具有一定倾角，可直接采用灌壶将浆体灌入孔中，搅拌好的破碎剂浆体，必须在10 min内用完，否则流动性和破碎效果将会降低。

由于破碎剂具有一定腐蚀性，在搅拌和灌注过程中，施工人员必须佩戴橡胶手套和护目镜，且不得直视炮孔口，以防发生喷浆伤害眼睛，浆体碰到皮肤和眼睛时，要立即用大量清水冲洗。

3.7 养护与反应

在夏季装填完浆体后，孔口用土工布覆盖，以免发生喷孔。冬季气温过低时，进行覆盖保温。药剂反应时间过快容易发生冲孔伤人事故，且反应时可能胀裂岩体造成破碎体掉落伤人，发生物体打击伤害，因此，在反应时应设警戒线，禁止无关人员进入。

3.8 出渣与运输

当岩面未完全破碎或破碎下来的岩石体积较大时，采用劈裂棒或风镐单独破碎至合适尺寸[5]，洞内用人工配合小型装载机装车出渣，洞外用自卸车进行运输。

3.9 超欠挖处理

隧洞不允许欠挖，隧洞欠挖时，采用劈裂棒、风镐等进行处理；隧洞超挖时，采用喷射混凝土进行喷射回填。

4 提高施工效率及经济性的措施

4.1 调整开挖进尺

通过查阅相关资料、类似工程记录并咨询破碎剂厂家专业人员明确，静态爆破单次破碎深度一般不超过2.0 m，本工程原方案单次开挖进尺为1.0 m，考虑到现有技术水平及不可预见性原因，按照理想状态的70%进行考虑，因此，将单次开挖循环进尺定为1.4 m，在此开挖进尺条件下，要达到目标值效率，需要加强破碎效果，可从调整临空面、钻孔参数和破碎剂品种方面进行考虑。

4.2 调整临空面

临空面数量对静态爆破破碎效果影响尤为明显，临空面越多，静态爆破效果越好。先用水磨钻在掌子面周边和底部取芯，将临空面由原来的1个增加为多个，使掌子面中部岩体呈四周悬空状态。此方法充分利用了岩体自重产生的下坠拉力，增强了破碎剂膨胀效果，增加临空面后，虽相应增加了水磨钻取芯时间，但减少了周边岩凿岩钻孔数量，也减少了静态爆破钻孔和装药时间，同时，大幅提高了破碎效果。因此，破碎大块和欠挖处理时间也大幅降低。

4.3 调整钻孔参数

通过观察项目一处孤石静态爆破不同孔距的岩体破碎效果，发现孔距较小区域产生裂缝时间较早，孔距较大区域产生裂缝时间较晚，通过查看静态破碎剂产品说明书并咨询厂家专业人员，厂家建议静爆钻孔孔距不超过6倍孔径，本隧洞钻孔孔径为42 mm，因此，本隧洞孔距减小为25 cm，减小孔距后，打孔和装药时间均有所增加，但破碎效果更佳，因此，减少了破碎大块和欠挖处理时间。

4.4 改变破碎剂品种

由于入夏后广州温度持续升高，施工期白天平均温度已达35.5℃，原方案采用的HSCAⅡ破碎剂适用的温度为10～30℃，在此高温下已不再适用；HSCAⅠ的适宜的反应温度为25~40℃，且在相同的反应时间下，HSCAⅠ比HSCAⅡ达到的膨胀压更高，且最终的膨胀压也更高，因此，决定将HSCAⅡ更换为HSCAⅠ。破碎剂更换后，反应速度更快，破碎效果更好，相应缩短了破碎大块和欠挖处理的时间。

4.5 施工效率及经济性比较

调整临空面、钻孔参数和更换破碎剂品种后，达到破碎效果的反应时间、破碎大块和欠挖处理时间显著缩短，钻孔清孔和搅拌装灌时间也有所降低，虽然增加了临空面导致水磨钻取芯制造临空面时间有所增加，但因为同时增加了破碎体深度，因此，总体施工效率得到了显著提升。3#湖瀑布隧洞总长44.5 m，采取3种综合改进措施后，技术人员如实记录了各工序时间，并与改进前进行了对比，发现每循环开挖施工时间节约了2.2 h，施工效率提高了0.5 m/d，总工期缩短了17.6 d，

改进后，技术人员同时对机械台班、劳动力和破碎剂用量进行了统计，发现水磨钻增加了58.3台班，YT28气腿式凿岩机减少了25.1台班，劈裂棒、风镐减少了49.5台班，装载机减少了0.8台班，开挖劳动力减少了96.8工日，破碎剂减少3 561.1 kg，节约费用共计53 281.1元。

综上，采取优化措施后，每开挖循环节约了2.2 h，每循环进尺增加了0.4 m，施工效率提高了0.5 m/d，总工期节约了17.6 d，取得了53 281.1元的经济效益。

5 结语

凤凰湖隧洞采用静态爆破施工技术，现场技术人员根据静态爆破基本原理，结合工程现场实际情况，采取了一系列优化改进措施，缩短了开挖循环时间，提高了施工效率，节约了施工工期，提高了施工经济性，且改进后破碎效果更佳，隧洞成型效果更好，在确保施工安全、周边结构物安全和避免爆破有害效应扰民的前提下，满足了施工工期要求。

但该工程应用也表明，静态爆破施工也存在一定局限性，如施工成本较高，与传统爆破相比效率仍然较低，仅在特定环境下的硬岩体开挖中使用该技术具有较大安全环保优势及一定的进度优势。