浅谈复杂环境条件下静态破碎与钻爆法结合的施工技术

李玮韬

(中国葛洲坝集团第二工程有限公司，四川 成都 610091)

0 引言

静态破碎技术(又称静态破碎法)是近年来迅速发展的一项新技术，是一种无需使用炸药就能使岩石和混凝土破裂的施工方法。其原理是将静态破碎剂装入岩石或混凝土事先布眼的钻孔后加水，利用其与水混合后的水化反应，使破碎剂晶体发生形变，导致体积逐步膨胀，产生巨大的膨胀压力并施加至孔壁，经过一段时间后达到峰值，从而使岩石或混凝土胀裂。此种施工方式可以满足在无振动、无冲击波、无飞石、无噪音等条件下破碎岩石，适用于各种复杂且不能使用炸药的环境，但缺点是施工效率较低。

随着工程建设领域不断的规范和成熟，施工过程中对生态、环保等各方面的要求也进一步提高，部分特殊环境下对炸药的使用限制要求也越来越严苛，故静态破碎技术越来越受到青睐，并广泛应用于各种工程实践中。本文以澳门路环-九澳隧道建造工程为例，介绍了静态破碎技术与钻爆法结合运用的施工工艺在隧道建造过程中的具体应用。

1 工程概述

澳门路环-九澳隧道工程为双孔单向公路隧道，隧道呈西北-东南走向，北接机场大马路，南接九澳圣母马路，项目建成后将大大改善目前氹仔市区通往九澳港货柜码头等地的交通负荷，提升人员在境外和内部交通系统的转乘效率，实现“无缝换乘对接”。主要工作内容有隧道工程、道路工程、建筑工程及桥梁工程。其中隧道工程包括左线隧道(含北洞口假隧道及南洞口明挖覆盖隧道)共计457.3 m、右线隧道部分(含北洞口假隧道及南洞口明挖覆盖隧道)共计428.43 m。典型开挖断面为10.47 m×12.3～12.7 m(高×宽)的城门洞型，衬砌厚度45 cm。

2 问题分析

澳门路环-九澳隧道工程南洞口位于九澳堤坝马路下方，距离路环发电厂应急出口约70 m，距离路环发电厂厂房外墙约100 m。南洞口顶部道路上布设有澳电公司(CEM)地下配电缆及澳门自来水股份公司的供水管道，且缺乏详细的地下管线资料，地下配电缆及管道的埋设深度及位置尚不明确。由于本项目所处地理位置特殊，周边环境极其复杂，经过分析研究，认为本项目的重点和难点有如下几点。

1)本项目邻近路环发电厂，极限质点速度控制要求严格，采用常规的爆破方式施工不可行，可能会对发电厂厂房及机组造成破坏，影响路环发电厂正常运行；非爆破开挖方式虽可避免扰动，但效率低下，难以满足总工期要求。

2)项目周边管线错综复杂，施工过程中随时可能会导致电缆和管道受到破坏，影响较大。

3 研究思路

由于本项目地理位置特殊，根据招标文件要求及现场条件所示，距离路环发电厂较近的位置无法采用钻爆法进行开挖施工，而项目工期又比较紧。经过研究分析以及方案比选，为保证电厂的正常运行和避免破坏周围管线，在南洞口处的洞外石方拟采用静态破碎技术进行开挖，洞内部分根据现场试验情况采取钻爆法进行隧道开挖施工，以确保工期可控。

4 静态破碎技术

静态破碎的施工工艺流程为：施工准备—设计布孔—测量定位—钻孔—装药—药剂反应—出渣。

4.1 静态破碎剂选择

静态破碎剂的膨胀速度与温度关系密切，根据南洞口的施工安排及施工期间的天气状况，拟采用适用温度10℃～25℃的Ⅱ型破碎剂。

4.2 钻孔

钻孔前清除岩石表面碎石土，对需要破碎的岩体进行测量放样，根据测量放样数据及设计开挖边线，进行孔位的布置。钻孔按照十字网络状布置，采用手风钻垂直钻孔至设计开挖高程，同一排钻孔布置在同一平面上，并尽可能与临空面平行，在装药时按“从临空面由近到远”的顺序逐排进行全孔段灌装。

4.3 孔距与排距确定

静态破碎剂布设的孔距和排距大小与岩石硬度有关，根据现场考察，南洞口初露的岩石为花岗岩，岩石硬度达到F=12级别，具体将根据现场试验来确定其孔排距。初步拟定孔距20 cm、排距30 cm。

4.4 配剂

根据试验确定静态破碎剂与水的配置比例。

4.5 充填灌孔

充填灌孔前把孔口堵塞物取出，将漏斗放在孔口，迅速用铁质水瓢将拌制好的药剂倒入孔中。

4.6 出渣

静态破碎后的石渣，将采用挖掘机进行挖装，自卸车运输至指定的渣场。

5 钻爆法

本项目钻爆法的技术要点在于南洞口段控制极限质点振动速度和有效防范飞石。首先通过现场试验的方式来确定炸药适用的各项参数。钻爆法施工采用手风钻或快速钻进行钻孔，从上至下分层开挖，爆破后采用挖掘机装渣，自卸车进行出渣运输。

5.1 爆破振动计算

根据《水工建筑物地下开挖工程施工技术规范》(DL/T 5099-2011)，质点振动速度传播规律的经验公式见式(1)：

(1)

式中：v为质点振动速度(cm/s)；W为爆破装药量，齐发爆破时取总装药量，分段延时爆破时视具体条件取有关段或最大一段的装药量(kg)；D为爆破区药量分布几何中心至观测点或建筑物、防护目标的距离(m)；K、α为与场地地质条件、岩体特性、爆破条件以及爆破区与观测点或建筑物、防护目标相对位置等有关的常数，由爆破试验确定，爆区不同岩性的参考值如表1所示。初选时，以表1中的数据作为参考。

表1 爆区不同岩性的K、α参考值

利用公式及表1，根据掌子面到监测点距离计算出在不同K、α下允许的爆破振动速度的最大单响药量，计算结果如表2所示。

表2 开挖爆破振动计算

以上计算结果为拟爆破单响药量平均值，实际施工时须加强爆破振动监测，根据监测结果及时调整，保证发电厂的振动控制在安全范围内。此外，对南洞口管道的振动控制，依照上述计算，安全距离20 m的基础上，控制单响药量在4 kg之内，能够满足25 mm/s的极限振动速度。

5.2 飞石防范

飞石防范主要采取两种方式进行：①边坡采用预裂爆破技术，以小药量小孔排距来减少爆破产生的飞石。②在爆破临空面采用柔性防护网进行覆盖，使临空面形成整体，避免飞石的产生。

5.3 爆破方案

为控制极限振动和有效防范飞石，南洞口段采取松动爆破，靠结构面采用预裂爆破方式进行施工。

根据《爆破设计手册》，松动爆破单耗取0.3～0.5 kg/m3，考虑到南洞口岩石为花岗岩，取单耗为0.5 kg/m3。

采用钻爆法，钻孔采用手风钻，钻孔孔径为42 mm，具体爆破参数如表3所示。

表3 爆破参数表

5.4 喷锚支护

1)锚杆施工。钻孔设备：钻孔主要采用YT28气腿式手风钻(孔深L≤4.5 m)、YQ100B型潜孔钻(孔深L>4.5 m)。灌浆设备：采用2SNS型灌浆泵注浆，JJS200型浆液搅拌机制浆。锚杆施工程序：锚杆采用“先注浆、后插杆”的方法施工，其施工工艺流程如图1所示。

图1 先注浆、后插杆施工工艺流程图

2)喷混凝土。喷混凝土设备采用TK-961型湿喷机，混凝土采用商品混凝土。

6 结语

静态破碎技术是常规炸药爆破的一种发展、延伸，解决了在特殊情况及特殊环境下不允许使用常规炸药爆破来拆除构筑物及对岩石、矿石进行开采这个长期困扰工程的难题。虽然该技术现阶段在我国还没有像炸药爆破技术那样得到广泛应用，但该技术在本项目的应用表明，隧洞工程中在环境复杂和要求很高的条件下，静态破碎技术与钻爆法结合使用将获得理想的效果，为后续同类项目的实施提供参考。