论静力爆破技术在公路工程施工中的运用

赵一远

[贵阳城市发展投资（集团）有限公司,贵州 贵阳 550001]

0 引言

道路工程项目施工环节，路基石方开挖是项目基础环节，石方破碎需要大量的人力，人工成本高且影响项目工期及进度[1]。岩石破碎的常见方法包括人工破除法、静态胀裂剂爆破法、机械破碎法、爆破法等，不同工艺应结合项目要求、工期时限、地质特征等优化选择。机械破碎法多用于大块石头的直接二次破碎，山体凿除工艺中机械破碎法被广泛应用[2-3]。机械破碎法对坚硬青石岩的破碎效果可观，但该技术噪声大、扬尘明显、效率低，会对周围环境产生一定影响[4]。爆破法是路基石方破碎的最佳工艺之一，具有经济性突出、效率高的特点，但是在复杂施工环境下不适用。静力爆破工艺是一种新型爆破技术，噪声小且不产生振动、粉尘，可在机械破碎条件不成熟或无法直接应用炸药爆破的施工环境下应用[5]。

1 工程概况

某环城路改造扩建项目以城市发展规划为基础，将原二级公路扩展为城市主干道，道路两侧商铺、居民楼、山体等大量存在，石方破除工艺难度大且线路交通任务繁重，封路集中区域石方爆破条件受限，且爆破施工需一系列程序花费大量时间，项目进度要求高。综合分析后确定了静力爆破技术作为路基石方破碎的工艺。

2 岩石静力爆破原理

静力爆破即借助设备于岩石钻孔后注入静力爆破剂，借助静力爆破剂的膨胀作用使岩石破裂从而达到碎石效果[6]。

（1）静力爆破剂是一种以氧化钙为主的高温煅烧后形成的无机化合物，该材料与水混合后产生化学反应，并有较强的膨胀性能，其为粉状材料，也被称为无声破碎剂。静力爆破剂不属于危险品范畴，无需在公安部门备案或办理爆破施工许可手续，可通过正规手续购买、运输、储存、保管、使用。

（2）静力爆破剂为无机盐粉末，主要成分包括铁、镁、铜、铝、硅、钙、磷等，与适量水混合成浆液后可直接打入岩石孔道内，与水反应后药剂粉末温度升高并产生膨胀力。该膨胀力作用于炮孔孔壁，在孔壁的约束作用下膨胀力逐渐升高，最高压力可达50 MPa，并于孔壁产生轴向应力，该应力值超过介质抗拉强度后岩石出现裂缝，并最终导致岩石破碎。

（3）岩石孔道内注入膨胀剂后，半小时开始出现裂缝，岩石孔道施工中需控制其孔径、孔距、排距以产生最佳的裂变效果，使岩石破碎程度达到施工要求。岩石静力爆破技术施工简单，无需特种作业人员参与即可完成，设备材料简便易获取，爆破剂非特殊管制品种，市场上可以买到。静力爆破技术工艺需对目标岩石进行大量钻孔，岩石开裂效果难以控制，且周围环境温度等因素会对开裂效果产生影响[7]。

（4）现场测定结果显示，岩石静力爆破能使药剂体积膨胀度达4 倍，表面积倍增可达100 倍，使用炮孔的情况下，膨胀压力最高可达50 MPa。

3 膨胀压力试验测定

使用胶水将电阻应变片张贴在钢管上，用导线与电阻应变片的引出线连接，随后将钢管置于塑料袋内置入水槽中，详见图1 所示。对电阻应变仪进行数值校对，取出静力爆破剂1 000 g 与适量水混合均匀，放入搅拌机中搅拌，将搅拌均匀的浆液置入钢管内并用钢钎捣实，测定应变量εθ并计算膨胀压力P：

图1 电阻应变片粘贴图（单位：mm）

式中，Es——钢管弹性模量，取值为2.06×105MPa；P——膨胀压力；K——钢管外径内径比，标准管径钢管该值为1.2；εθ——钢管圆周方向应变量，υ=0.3εθ=1‰，P=53.3 MPa。

4 静力爆破施工技术要点

4.1 静力爆破所需设备

静力爆破施工中需要准备的设备和材料包括钻头、水管、量筒（容量100 ml）、电子秤、水桶、塑料桶、漏斗、防护眼镜、防护手套（高袖橡胶材质）、口罩、毛巾、空压机、凿岩机、钢钎、吹风管(Φ25 mm 钢管)、水瓢、全站仪、水准仪[8]。

4.2 静力爆破工艺操作的主要技术要点

石方爆破前，根据工艺规范于大方量岩石表面打孔，确保孔径、孔距、孔深、排列合规，机械钻孔后将混合均匀的静力爆破剂置入钻孔内，在静力爆破剂的作用下产生膨胀力使岩石膨胀破裂，利用炮头机破解岩体，为地基开挖提供便利。以下是静力爆破工艺施工环节需控制的技术要点：

（1）静力爆破工艺流程如图2 所示。

图2 施工工艺流程

（2）现场地质勘测。根据气候条件确定静力爆破剂用量、用水温度、药剂温度等指标，操作前确定各设备齐全。

（3）设计布孔。根据石方尺寸进行合理布孔，确保每孔处石方保留一个以上临空面，孔道需与之平行，控制孔道间距在50 cm，孔道排距50 cm，逐排布孔，根据岩石情况确定钻孔深度，一般情况下钻孔深度在2 m左右。

（4）钻孔。静力爆破前，将岩石周边杂物和碎石清理干净，并结合岩石情况确定爆破深度，即钻孔需达到岩体下2 m 左右，钻孔进深以岩石破碎体85%高度为宜，孔道内静力爆破剂填充紧实，装药深度需与孔深保持一致。钻孔需保持合理直径，结合岩石大小确定孔径，孔径过小无法发挥出静力爆破剂的膨胀作用，孔径过大则容易出现冲孔现象。结合项目需求和施工经验，选定钻孔直径为42 mm，钻孔施工完毕后，使用空压机注入钻孔高压气体冲刷钻孔内水分或钻渣等，清洁干净后方可注入静力爆破剂。

（5）钻孔多垂直或斜向钻入，按照质量比30%掺入拌和水使静力爆破剂调和成流塑状，随后置入钻孔内。静力爆破剂制备粉末需保持水灰比在0.32 左右，以发挥出最佳膨胀效果。孔道位于水平方向者，用吸水性能突出的纤维袋将药剂装入孔道内，药剂及纤维包装袋装入深度约为孔道深度90%。装入前将药剂及包装袋于净水中放置30～60 s，按照“集中浸泡、充分吸水、依次填塞、分层捣实”的原则将其逐层放入孔道内。或者直接将静力爆破剂搅拌均匀形成流塑状，并以泵机输送至孔道内，距离孔道上源10 cm 以黄泥密封[9]。

（6）岩石出现裂缝后向裂缝中注水，使药剂反应更充分以提升其膨胀效果。

（7）以“分段分层依次破除”原则对大面积岩石破碎，按照现场岩石分布情况进行段落式钻孔，从一侧开始，依次每次一排钻孔，完工后向另一侧进展，第一排完全装药后，待药剂充分反应进入下一排装药。每次施工均按照排孔装药，进行单排孔施工，根据施工现场情况拌药，提高其准确性。施工环节确保取药、加水、拌和、钻孔等工艺有序进行，每排孔道的装药时间需保持一致，确保单排孔的药剂膨胀同期出现，以产生最大的膨胀力，保证岩石破碎效果。

（8）药剂灌装过程中需严格控制温度指标，观测药剂、拌和水温度是否达标，灌装前已经出现化学反应的药剂不得贯入孔道内，药剂出现冒气或温度快速升高，则表明已经出现了反应。灌装操作应迅速，药剂拌和、灌入孔道、现场试验检测需在5 min 内完成。

（9)控制药剂反应时间。药剂反应时间过短可能导致冲孔现象，对现场施工人员造成危害，需将药剂反应时间控制在10～30 min 内。药剂反应时间越长，温度升高越明显且膨胀效果越好，岩石孔道内压力越大。为使药剂反应时间符合方案规定，可在药剂拌和水中加入0.5%～6%的抑制剂或对拌和水温度严格控制。一般情况下，夏季环境温度高，需在低温条件下放置药剂，避免暴晒导致药剂提前反应，拌和水的温度需控制在15 ℃以下，而冬季则需提高拌和水温度或在药剂拌和水中加入促发剂，提高化学反应效率。应根据目标岩石大小、硬度等合理选择静力爆破剂，不同型号的静力爆破剂膨胀效果存在差异，不得在施工中混用。

（10）打孔与装药应同步，避免一边打孔一边装药，按照单排孔装填的工序进行操作，一边装填完毕后方可对另一排孔道进行填充。打孔完毕后需使用空压机向孔道内吹入高压空气清洗内壁，孔道内恢复常温后方可灌入药剂，灌装完毕后进行封口[10]。

（11）炮孔填装之前需进行干湿度检测，如炮孔过于干燥，以净水冲洗后装填，严格控制湿度与温度指标，避免大量浆体水分影响水灰比，对静力爆破剂的膨胀效果产生影响。

（12）在静力爆破剂运输过程中需避免雨水，表面覆盖防雨设备，同时避免暴晒，开封后，需一次性用完。若用药量有限，无法一次用完，则需将袋口封紧避免空气进入，膨胀剂查验合格后方可使用，单独存放避免与其他材料混放。药剂拌和过程中需全程佩戴橡胶手套、口罩，如药剂反应过于迅速或现场检测发现温度升高过快，停止作业并将药剂抛弃。按规范要求装药后，应由专人进行现场看护，严格控制技术指标，禁止无关人员入场。炮孔填充环节，操作人员需佩戴橡胶手套和防护眼镜，裂缝前不得通过孔道口向内部观看，防止药剂膨胀导致浆液外溅损伤眼镜。尽量避免操作中皮肤裸露，及时清洗避免药剂损伤皮肤。

（13）完成静态爆破后，岩石会裂解形成体积较大的块状石头，难以直接搬运和运输，可采用炮锤式挖掘机将石块破碎至合理尺寸，并借助挖掘机和自卸汽车将石料运输至施工现场备用。

4.3 施工阶段安全、环保措施

（1）建立安全管控小组，实施三级安全教育机制。现阶段，很多项目建设在安全教育建设方面存在疏漏，缺乏针对性，存在形式化问题。为提高安全教育的效果，应加强对三级安全教育的重视，成立专门的安全教育小组，并有针对性的展开对不同工种、工序的安全教育学习。

（2）做好安全培训工作。目前，许多项目建设管理人员的专业素养还有待加强，安全知识储备欠缺，许多专职的安全管理人员也存在着工作经验不足，在实际施工过程中难以辨别风险源，无法对风险情况进行动态管理。因此，应加强对专职安全人员的培训，提升专业人员的专业技术能力，培养能够灵活应对各种动态风险的技术性人才。强化安全培训的体系管理及执行力度，进一步促进安全人员执行力的提升，将有关制度落到实处。

（3）为保障安全监督检查的效果，应由安全生产负责人做好人员的分配工作，在施工现场配备有责任心的专业的安全员，提高安全监督水平，进一步掌握施工现场的具体情况，避免可能存在的安全隐患。

（4）依据项目的实际情况，制定环保管理预案，及时更新自身的知识储备，学习国家及地方层面不断更新发布的环保法规、制度，创建环保施工的企业文化氛围，将环保理念贯穿于项目施工管理的全过程。

5 结论

环城公路改造工程项目周围环境复杂，经多次方案优化对比后，确定了静力爆破方案进行环城路路基石方爆破，该方案施工便捷且风险小，不影响周边环境，项目如期开展且施工成本有效降低。该工艺相比于传统机械石方破除工艺，经济效益良好且实现了施工工序优化，可在复杂环境中应用，为同类工程路基石方破除提供了新的参考。