液压劈裂静态爆破在石方破碎施工中的应用研究

黄图杰 HUANG Tu-jie；曾云峰 ZENG Yun-feng；王鑫 WANG Xin；潘富远 PAN Fu-yuan

（广西路建工程集团有限公司，南宁 530001）

0 引言

传统工业爆破法存在环境破坏性强、安全性低等限制因素，在居民生产生活区、林地及生态公益林、水资源保护区等环境敏感区域的石方工程中不宜使用该爆破施工方法，因此，静态爆破施工工艺的探索应运而生。

本文对钦州市灵山县某段在建高速公路项目中的石方工程特点进行不同的爆破施工工艺比选，分析了三种不同的爆破工艺优缺点，以液压劈裂静态爆破施工工艺开展应用研究，对其设计了施工参数，并经过试验验证及实际现场施工，最终总结归纳该工艺的施工安全、质量保障措施，形成作业指导书。

1 工程概况

该在建高速公路项目区域处于桂东南钦州残余海槽和云升隆起两大地质构造单元，总体地形较复杂，路线走廊带可划分为丘陵地貌区、低山地貌区、河谷阶地地貌区三个地貌单元。经勘察，项目全线共有坚石设计工程量28140m3，需破碎设计工程量11256m3，石方多为岗岩球形风化体孤石，质地坚硬，多为普坚石或特坚石方。爆破施工范围临近林地、村落等环境敏感区域，若采用普通岩爆炸药控制爆破进行施工将对周围环境造成较大负面影响，且存在极大的安全隐患，也会为项目安全保障工作带来巨大挑战。故项目结合实际情况，比选不同的爆破施工方案，选取对环境影响程度低、满足施工进度要求的爆破施工工艺。

2 施工方案选择对比

2.1 浅孔小台阶爆破（方案一）

浅孔小台阶爆破是指台阶高度H＜2W 以下的一种爆破。其主要特点是炮孔直径小、炮孔深度浅、爆破工作面形成低台阶状推进。浅孔小台阶爆破的优点是能爆破速度快，均匀破碎石方，不需要复杂的钻孔设备，可适应各种地形条件，而且便于控制开挖面的形状和规格；缺点是不适用于小型石方破碎，如球形风化体花岗岩群，并对环境、水源保护程度要求较高，不适用于爆破环境噪声敏感的区域，以及需要考虑爆破振动、冲击波、影响等。

该在建高速公路项目石方开挖区域处于林地、村落等环境敏感区域，爆破过程存在飞石击打、爆炸伤害等安全隐患，安全隐患较高，需要采取严谨细致的安全监控、警戒、防护措施，且爆破直径范围300m 内有一养殖猪厂，浅孔小台阶爆破产生的冲击波及巨响将会对该养殖猪厂产生不良影响。

2.2 膨胀剂爆破（方案二）

膨胀剂是一种特殊的化学物质，通常由硅酸盐、铝粉、硫酸钠等成分组成，当膨胀剂与水接触后，其内部的化学反应开始发生，释放出大量的气体，气体在需爆破的石方钻孔中积聚，逐渐增加压力后涨裂岩石孔洞。

膨胀剂爆破具有操作简单、安全可靠、环境友好等优点，因此在工程行业中得到广泛应用。同时，膨胀剂爆破也可以控制爆破效果，通过调整膨胀剂的用量和孔洞的布置，可以实现不同程度的岩石破碎。但膨胀剂爆破的破碎效果相对较弱，适用于一些较脆弱的岩石，且爆破过程需要较长的时间来完成化学反应和气体积聚，不适用于需要快速破碎岩石的情况。

该项目即将进入大面积路面摊铺施工，若采用膨胀剂爆破施工方法，将会极大增长石方段路基开挖施工工期，进而严重影响项目整体进度，且膨胀剂爆破极易受雨水环境影响，而项目处于雨季长、雨水量大的地理区域，不适宜使用该爆破方法。

2.3 液压劈裂爆破（方案三）

岩石具有极高的外部抗压强度，但其内部抗拉强度较小，导致抗压与抗拉强度存在差异，使其处于脆性状态。液压劈裂爆破利用这一特点，通过劈裂机楔形力放大的原理，利用高压液压油作为能量源，将压力油供应到劈裂枪上，劈裂枪产生几十吨的推力后通过劈裂枪端部的尖劈分裂器内的楔片推动楔片向两边扩张，从而使巨大的岩石从内部分裂。（见图1）

图1 劈裂机构原理图

液压劈裂爆破优点在于一次施工时间短，不属于消耗品，也不需要耗材，可连续不间断工作，节省费用和时间，无需成本高昂的安全措施，且作业时无振动、无冲击、无噪声、无粉尘。适用于有石方破碎且施工效率较高需求，同时又因为临近住宅、村落或者不具备工业爆破条件的工程。

2.4 方案比选结论

综合分析安全、环保、效率及现场的诸多因素（见表1），认为浅孔小台阶爆破存在着许多安全隐患，因为爆炸产生可能会给周围环境的人和物带来巨大的危害，还会带来一些伴随的负面效应，如飞石、粉尘、有毒气体等。而膨胀炸药静态爆破施工对施工环境要求较高，孔内卫生、温度、材料保管和受限区域的各项要求没有达到均会对施工效果造成不同程度影响，甚至无法施工；液压劈裂爆破施工则简单很多，受外界干扰小，能在各种不利因素的情况下正常作业，有利于提高工程质量、加快施工进度、减少成本。项目最终选择采用液压劈裂爆破法进行石方开挖施工。

表1 各爆破工艺施工效果评价

3 工艺流程及操作要点

3.1 工艺流程

施工准备→测量放样→钻孔→劈裂机液压劈裂施工→装渣清运。

3.2 施工准备

3.2.1 机械设备

开展液压静态爆破前，结合项目石方的岩石性质、规模大小确定最佳液压劈裂施工设备型号及数量，该项目共有坚石设计工程量28140m3，需静态破碎设计工程量11256m3。项目选择两组机械组合，第一组为挖掘机改装炮捶配合２２自卸车，适用于形状较小、风化程度高的石块破碎施工；第二组为YT24 手持式风钻钻孔、YG-250 液压劈裂机（见表2）静态爆破，配合挖掘机（带炮捶）进行石块分解，适用于较大的花岗岩球形风化体及大型坚石石方破碎施工。

表2 液压劈裂机性能参数表

3.2.2 人员配置

施工前需要对劳务人员进行岗位培训，合格后上岗，并要求操作机手按各机械操作规程严格执行，同时向现场作业人员培训液压劈裂机、手持风钻操作技术要求、质量标准、安全技术措施、环境技术措施等基础知识，针对不同岗位及工种开展安全技术交底。

3.2.3 场地环境

项目石方多为中、强风化岩球体，石方形状不规则且遍布区域密集、不规律，未进行场地整理时施工平台受限，故施工前采用挖掘机清理路基石方表面和岩石与岩石之间的土，确保1m 临空面距离，并平整完善施工便道，方便机械设备、车辆出入施工场地。

3.2.4 钻孔参数设计

为了保证石方劈裂质量效果，项目在大面积开展液压劈裂爆破施工前，设计了三组钻孔参数，以辅助空孔间距、孔深作为控制变量，比较存在辅助空孔与无辅助空孔的劈裂效果，并对其进行了现场施工效果检验，最终得出最佳钻孔参数。（表3）

表3 辅助空孔与无辅助空孔劈裂试验设计参数

①试验参数设计：对三处尺寸及材质相近的石方进行试验比较，第一组新钻孔距离临空面1m 左右，孔径大小为42mm，钻孔深度约为150～160cm，涨裂钻孔之间的孔距为100cm，无辅助空孔；第二组新钻孔距离临空面1m左右，孔径大小为42mm，钻孔深度约为150～160cm，涨裂钻孔之间的孔距为100cm，在涨裂钻孔相连直线中钻入辅助空孔，辅助空孔与涨裂钻孔的孔距为50cm，其余参数一致。第三组基于第二组试验参数的基础上，缩短33%辅助孔孔深，为100cm，其余参数不变。

②试验结果：第一组试验石方劈裂效果较差，涨裂钻孔岩石裂纹路径未成直线状，岩石左右两侧裂纹与水平方向直线夹角呈30°～35°夹角，钻孔圆周发育较多不规则裂缝，劈裂面不平整；第二组岩石破碎裂纹自钻孔圆周向辅助空孔扩展开来，穿过辅助空孔后趋向岩石侧面贯穿整块岩石，涨裂钻孔岩石裂纹路径与辅助空孔形成的线条水平方向直线夹角呈15°～20°，夹角明显降低，裂纹路径趋于直线，劈裂面平整；相较于第二组试验，第三组岩石钻孔圆周破碎裂纹增加，裂纹穿过辅助空孔后趋向岩石侧面贯穿整块岩石，涨裂钻孔岩石裂纹路径与辅助空孔形成的线条水平方向直线夹角呈16°～22°，夹角稍微增大，裂纹路径较趋于直线，劈裂面较平整。

③分析结论：基于裂纹扩展路径分析及劈裂面平整度比较，存在辅助空孔的裂纹路径与水平直线方向之间的夹角相较于无辅助空孔最大降低了15°，辅助空孔能够有效的诱导裂纹扩展，证明了实验中辅助空孔对定向涨裂破岩起了引导作用，且在劈裂效果不明显降低的情况下，辅助空孔孔深相较于钻孔孔深可适当缩短，故第三组为最佳钻孔劈裂参数。

3.3 测量放样

确定劈裂石方的长度、宽度和高度等尺寸，使用测量工具，如测量尺、水平仪等，对劈裂点进行测量放样。首先，测量劈裂点与临空面的距离，确保劈裂点的位置准确，然后，使用水平仪检查劈裂点的水平度，确保劈裂线的水平度。根据测量结果，在石方表面标记劈裂线，可以使用粉笔、喷漆等标记工具进行标记，确保标记清晰可见。

3.4 钻孔

开始钻孔时观察岩石的结构，选择临空面较大方向或岩石分层位置进行钻孔，孔距离临空面100cm，首先施钻涨裂孔，孔径大小为42mm，钻孔深度约为150～160cm，孔间距100cm；涨裂孔施工完后需精确量测辅助孔孔距（33～35cm）并做好标记，随后施钻辅助孔，孔深达到100cm 即可。为保证钻孔的效率，根据受力的特征，钻孔时应垂直于孔所在的岩石表面，严禁打斜孔和浅孔，不在受力不好的位置打孔。

3.5 劈裂机液压劈裂施工

把劈裂机的劈裂枪锲块组按预定劈裂方向插入钻好的孔内，播动控制阀倒进档，中间锲块往前伸出，岩石在几秒钟内被撑裂，等中间锲块走到头，把控制阀拨到退档后取出劈裂枪。劈裂岩石的深度可以达到1～3m 不等，岩石临空面、分层情况等决定劈裂的深度；在岩石临空面较大，分层方向和劈裂岩石方向相同时，劈裂深度达到最大。见图2。

图2 劈裂破岩过程图

3.6 装渣清运

在岩石被劈裂后，炮捶式挖掘机紧接着把已劈裂的岩石移开，以便劈裂机再进行下一断面的劈裂工作，然后再把岩石破碎到规定直径大小，采用挖掘机装车运走。

4 效益分析

4.1 经济效益

项目计划静态破碎石方量达11256m3，若全部采用液压劈裂爆破法，相比传统膨胀剂破碎法可为项目节约1238160 元，成本降低了约28.9%。且液压劈裂爆破法不受限于高温、降雨等恶劣气候影响，对破碎岩石缝隙尺寸无特别要求，预计全年可为项目节约工期长达70 天左右，换算为膨胀剂破碎法施工费用达552000 元。这无疑为缓解项目施工工期紧张，其它分部、分项工程的施工工期提供了有效保障。

4.2 社会效益

与常规的切割工艺相比，液压劈裂爆破施工工艺具有明显的优势，机械化作业时间及人工劳动强度降低明显，保障了施工安全性和可控性，节约能源，降低噪声及对环境的污染。与膨胀剂破碎法施工工艺相比，本课题施工工艺噪声更小，无喷浆和强碱伤害的风险，安全环保、无污染，是更优异的石方破碎工艺。

5 结语

液压劈裂爆破法是传统炸药爆破的一种发展和延伸，解决了某些特殊情况及特殊环境下不允许使用常规炸药对石方进行破碎的难题，与常见的静态爆破方法（膨胀剂破碎法）相比，液压劈裂爆破法是在振动幅度和飞石范围严格受限（无法采用普通炸药进行爆破施工）路段开展路基石方爆破施工的最佳方法之一，其在经济性、安全性、环保性、适用性、精确性、灵活性等方面都具有很大优势。本项目研究的液压劈裂爆破法有其特点、优势及不足之处，在实际施工时，可以根据工程的特点，如石方的材质、场地、工期及造价等多方面因素，选择合适的静态破碎石方的方法，创造良好的工程效益。