靜態(tài)膨脹預(yù)裂爆破技術(shù)在公路施工中的應(yīng)用

薛維梅 彭中 周琪 周一勤

摘 要：靜態(tài)膨脹破碎預(yù)裂公路路基巖石是一項(xiàng)科學(xué)、經(jīng)濟(jì)、適用的技術(shù)，具有十分良好的應(yīng)用價(jià)值。通過實(shí)際工程的應(yīng)用，分析了提出靜態(tài)膨脹預(yù)裂爆破機(jī)理，介紹了靜態(tài)膨脹破碎劑施工技術(shù)參數(shù)的選取方法、施工工藝流程及操作要點(diǎn)和安全和環(huán)保措施，為進(jìn)一步在工程總推廣應(yīng)用提供了有益的經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：靜態(tài)膨脹破碎 公路工程 石方爆破

中圖分類號(hào)：U416.1+13 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2013）03（a）-0047-04

巖石開挖是公路路基施工的重要施工內(nèi)容，堅(jiān)硬巖石施工目前一般采用炸藥爆破、裝載機(jī)裝卸、汽車運(yùn)輸方式。對(duì)于周邊有建筑物或?qū)Ρ泼舾袇^(qū)域，石方量又較大時(shí)，無法采用傳統(tǒng)的爆破施工工藝，同時(shí)僅采用機(jī)械開挖又效率極低，施工成本大，工期不能滿足要求，這樣的事例較為常見。目前，我國(guó)實(shí)行嚴(yán)格的民爆器材、作業(yè)的管理制度，安全警戒距離不少于200m。溫州和麗水市某二級(jí)公路一段石方路基靠近一個(gè)村莊，傳統(tǒng)的爆破作業(yè)擾民非常嚴(yán)重，如遷移民房需花費(fèi)數(shù)千萬元安置費(fèi)用。開挖石方路基時(shí)，最后采取了單一的機(jī)械挖掘作業(yè)，費(fèi)用十分昂貴，還延誤了工期。由此，石方路基采用靜態(tài)膨脹破碎劑預(yù)裂機(jī)械破碎開挖施工工藝，費(fèi)用、工期、安全、質(zhì)量都得到了較好地控制，村民反映良好，工程進(jìn)展順利，體現(xiàn)了施工文明，為維護(hù)社會(huì)穩(wěn)定、建設(shè)和諧社會(huì)作出努力。

1 靜態(tài)膨脹預(yù)裂爆破機(jī)理

1.1 力學(xué)機(jī)理

靜態(tài)膨脹破碎劑通常呈粉末狀散粒體，使用前按適當(dāng)?shù)谋壤铀韬停缓笱b填在巖石中，經(jīng)過一定時(shí)間的水化反應(yīng)，產(chǎn)生膨脹壓力，如圖1所示。

將巖石模擬為厚壁圓筒彈性體，填充靜態(tài)膨脹破碎劑的半徑為r1，r2，其內(nèi)部作用的壓力為P，任意半徑處的切向拉伸應(yīng)力為，則：

（1）

巖石為脆性材料，抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)小于抗壓應(yīng)力。一般巖石的抗拉強(qiáng)度為5～10 MPa，靜態(tài)膨脹破碎劑可產(chǎn)生30～50 MPa的膨脹力。當(dāng)切向膨脹力大于巖石抗拉強(qiáng)度時(shí)，巖石便產(chǎn)生裂縫而破壞。圖2為膨脹破碎劑預(yù)裂示意圖。

2.2 化學(xué)機(jī)理

靜態(tài)膨脹破碎劑主要以、無機(jī)鹽化合物和有機(jī)復(fù)合劑組成，加水后產(chǎn)生膨脹性的結(jié)晶水化物，其中氧化鈣（）的化學(xué)反應(yīng)如下式：

（2）

由于氧化鈣的密度為3.35 kg/cm3，氫氧化鈣的密度為2.24 kg/cm3，在總質(zhì)量不變的條件下，體積膨脹了49.6%，這就是靜態(tài)膨脹破碎劑的化學(xué)原因。

2 靜態(tài)膨脹破碎劑施工技術(shù)參數(shù)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)巖石的材質(zhì)、裂隙尺寸和破碎的要求，設(shè)計(jì)計(jì)算出破碎參數(shù)，并選用對(duì)應(yīng)鉆孔設(shè)備和鉆孔工具。破碎參數(shù)包括孔徑、孔距、孔深、排距、最小抵抗線、破碎體劑的用量和炮孔排列。

2.1 孔徑

孔徑是影響破碎效果的重要因素?？讖皆酱螅扑閯┑难b入量就越多，產(chǎn)生的膨脹壓力也越大，破碎效果也就越好，同時(shí)產(chǎn)生的熱量也越多，溫度上升也越高，最后導(dǎo)致破碎劑漿體的噴出，所以孔徑不宜過大。另外孔徑由鉆孔設(shè)備的性能確定，孔徑越大，鉆孔速度下降越顯著。因此，視巖石的堅(jiān)硬程度孔徑選擇為30～50 mm。

2.2 孔距

當(dāng)其他條件不變時(shí)，孔距越小，開裂越容易，破碎所需時(shí)間也越短。但孔距越小，孔數(shù)增多，必然后增加鉆孔工作量和破碎劑的消耗量。因此，對(duì)于不同的破碎對(duì)象，確定出可行的最大孔距，以達(dá)到最好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。

影響孔距的因素主要有：被破碎體的抗拉強(qiáng)度、破碎劑的膨脹壓力和鉆孔孔徑，當(dāng)其它條件不變時(shí)，抗拉強(qiáng)度越高，孔距應(yīng)越??；反之，則可增大。另外，膨脹壓力和孔徑越大，孔距應(yīng)越大；反之，則應(yīng)減小。孔距的大小可用下式來求得：

（3）

式中：a為孔距，cm；

d為孔徑，cm；

k為破碎系數(shù)，若使用普通型破碎劑時(shí)，k值可從表1中選取。

2.3 孔深

炮孔深度與被破碎體的高度（或?qū)挾龋┯嘘P(guān)。當(dāng)被破碎體的高度和其它條件相同時(shí)，炮孔深度大的比炮孔深度小的更容易開裂，破碎效果也更好，它們之間的關(guān)系可用式4表示：

（4）

式中：L為孔深，m；

H為被破碎體的高度或破碎高度，m；

為孔深系數(shù)，與約束條件有關(guān)。對(duì)于硬質(zhì)巖石或孤石～；對(duì)于軟質(zhì)巖石。

2.4 排距和最小抵抗線

炮孔排距的大小與破碎劑膨脹壓力的大小、被破碎體的強(qiáng)度和自由面的多少有關(guān)。膨脹壓力大、被破碎的強(qiáng)度小和自由面多，可取大值，反之，則取小值。在靜態(tài)破碎中，最小抵抗線的大小因根據(jù)介質(zhì)的強(qiáng)度、形狀大小、孔徑、節(jié)理以及要求破碎的塊度等因素由圖3和表2來確定。

2.5 破碎劑的選型和用量

普通型破碎劑，它們共同特點(diǎn)是呈粉末狀，水反應(yīng)速度較慢，膨脹壓力上升也較慢，破碎能力小和介質(zhì)的破裂時(shí)間長(zhǎng)，新型速效靜態(tài)脹裂劑，呈顆粒狀結(jié)構(gòu)，可以加速水反應(yīng)和有利于膨脹壓力的迅速上升，30 min后出現(xiàn)30～50 MPa的膨脹壓力，工藝比較簡(jiǎn)單。

破碎劑的用量是影響破碎效果的主要因素。當(dāng)炮孔布置方式和有關(guān)的破裂參數(shù)確定好以后，用藥量可按下面兩種方式確定。

2.5.1 按每米炮孔裝藥量計(jì)算

（5）

式中：Q為個(gè)炮孔的用藥量或一次破碎的總用藥量，kg；

為損耗率，采用0.05～0.1；

為一個(gè)炮孔的延米數(shù)或一個(gè)破碎體全部炮孔的總延米數(shù)，m；

q1為單位孔長(zhǎng)的用藥量，kg/m，按表3選取。

3.5.2 按單位體劑耗藥量計(jì)算

（6）

式中：Q為用藥量，kg；

V為被破碎碎體體積，m3；

q2為破碎單位體積介質(zhì)用藥量，kg/m3。按表4選取。

3 施工工藝流程及操作要點(diǎn)

3.1 工藝流程

巖石膨脹破碎預(yù)裂機(jī)械開挖施工工藝流程如圖4所示。

3.2 操作要點(diǎn)

3.2.1 施工準(zhǔn)備

根據(jù)巖石強(qiáng)度及節(jié)理發(fā)育情況選擇合適的機(jī)械和所需的膨脹破碎劑的類型及型號(hào)；根據(jù)開挖巖體工程量確定配備機(jī)械及人員；放樣定位及清理松土軟石，并修筑施工便道。

3.2.2 布孔（眼）

（1）在布孔（眼）前，設(shè)置臨空面，臨空面可根據(jù)巖石開挖難易情況結(jié)合路基開挖方案隨機(jī)設(shè)置，并盡可能多創(chuàng)造臨空面。

（2）根據(jù)被破碎物體的不同材質(zhì)和硬度沿平行于臨空面布置孔（眼），約為孔徑的8～10倍，具體由試驗(yàn)確定。根據(jù)邊坡巖石的具體情況，可采用單排孔或多排孔布置。多排布孔一般采用梅花型排列，如圖5所示。

3.2.3 鉆孔（眼）

（1） 鉆孔（眼）工程。

①首先檢查風(fēng)動(dòng)鑿巖鉆機(jī)，保證性能良好。開孔前，把鉆機(jī)操縱閥開到輕轉(zhuǎn)位置，待孔（眼）位固定并鉆進(jìn)20～30mm以后，掌釬工兩手松開，退到機(jī)身后側(cè)監(jiān)護(hù)；打眼工把操縱閥板到中轉(zhuǎn)位置鉆進(jìn)，當(dāng)鉆進(jìn)50mm左右，鉆頭不易脫離眼口時(shí)，全速鉆進(jìn)。

②鉆孔（眼）時(shí)，用手柄閥門及時(shí)調(diào)節(jié)氣腿高度，使鉆機(jī)、鉆桿和鉆孔（眼）方向一致，推力均勻，不要用力過大，防止斷釬、夾釬。鉆桿不要上下、左右擺，以保持鉆進(jìn)方向。

③掌握好鉆孔（眼）的深度和角度，達(dá)到要求深度時(shí)，減速撤鉆。鉆深孔（眼）時(shí)，必須采用不同長(zhǎng)度的鉆桿，開始時(shí)使用短鉆桿。

④撤鉆時(shí)，小開閥門，停止向前推力，使鉆桿緩慢旋轉(zhuǎn)，緩慢向懷中拉鉆機(jī)，同時(shí)縮氣腿，使鉆桿在旋轉(zhuǎn)中退出炮眼；此時(shí)掌釬工待鉆桿鉆速減慢時(shí)，站在鉆桿一側(cè)，協(xié)助鉆孔（眼）工把鉆桿退出灌漿孔（眼）。

⑤兩臺(tái)或多臺(tái)鉆機(jī)作業(yè)時(shí)，應(yīng)按作業(yè)規(guī)程規(guī)定的區(qū)域，做到定鉆具，定人定孔（眼），順序鉆孔（眼），防止相互干擾。

⑥突然停風(fēng)，應(yīng)取下鉆機(jī)，撥出鉆桿。

⑦孔（眼）深度應(yīng)小于等于臨空面高度或開挖深度，一般不宜小于0.8 m，且不大于4 m，一般在2 m較好。

⑧退鉆時(shí)，不得用力猛拉鉆機(jī)，孔（眼）口前方禁止站人。

3.2.4 清孔（眼）

（1） 壓風(fēng)管接到L型吹孔（眼）鋼管上。把鋼管長(zhǎng)端插入孔（眼）內(nèi)，人員站在側(cè)面，先警示相關(guān)人員然后打開風(fēng)門，用手來回拖動(dòng)，直到把孔（眼）內(nèi)巖粉吹凈，依次把各孔（眼）吹完。

（2） 吹孔（眼）人員要戴好手套，防止傷手。吹孔（眼）人員兩眼不得正對(duì)眼口位置。風(fēng)管與L型鋼管連接牢固可靠。

3.2.5 灌入膨脹破碎劑預(yù)裂

（1）在正式膨脹預(yù)裂施工前，應(yīng)在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行膨脹破碎劑試配，已確定最佳配合比。

（2）攪拌及裝孔：將配比好的破碎劑緩慢加入水中，邊加入邊攪拌，直到攪拌成糊狀漿體（一次攪拌最好不超過10 kg），然后將攪拌好的漿體在3 min內(nèi)倒入孔中，混合攪拌和裝孔的整個(gè)過程不得超過8 min，如果孔數(shù)較多，最好多人同時(shí)裝孔。

（3）膨脹破碎劑漿體灌入時(shí)，從破碎預(yù)裂方向后退順序裝填，邊填邊退，不得再次進(jìn)入已經(jīng)灌入膨脹破碎劑的孔洞范圍，防止膨脹破碎劑沖孔傷人。

（4）根據(jù)使用時(shí)作業(yè)環(huán)境的不同，選擇不同產(chǎn)品型號(hào)，工作效率和操作性可大幅度提高。

（5）填充破碎劑后，一般情況下，預(yù)裂在1 h內(nèi)完成，再經(jīng)過1 h后，即可采用機(jī)械進(jìn)行開挖。也可根據(jù)工程需要，通過控制添加劑，自由掌握裂開速度，隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，裂縫會(huì)越來越大。

3.3 機(jī)械開挖

（1） 機(jī)械鑿巖采用挖掘機(jī)配破碎錘進(jìn)行開挖。

（2） 對(duì)于不發(fā)育或欠發(fā)育堅(jiān)硬巖體，挖掘機(jī)功率不宜小于110 kW（挖掘力不小于127 kN）如型號(hào)廈工XG 820（或功率等效的其他類型的挖機(jī)）。

（3） 機(jī)械鑿巖應(yīng)按照路基開挖方案進(jìn)行開挖，全斷面開挖時(shí)先中間后兩側(cè)，每次開挖深度不宜超過3 m。

（4） 對(duì)于適合采用機(jī)械開挖的巖體先進(jìn)行開挖；對(duì)于采用機(jī)械開挖困難或效率低下的巖體，采用膨脹破碎劑預(yù)裂開挖。

（5） 挖方邊坡應(yīng)從開挖面往往下分段整修，每下挖2～3 m，宜對(duì)新開挖邊坡刷坡，同時(shí)清除危石及松動(dòng)塊石。

4 質(zhì)量控制

4.1 質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)

（1）孔位、孔深允許偏差±5 cm。

（2）膨脹破碎劑應(yīng)符合《無聲破碎劑》（JC506-2008）中技術(shù)要求。

凝結(jié)時(shí)間：初凝不得早于8 min，終凝不得遲于150 min。膨脹破碎劑膨脹壓技術(shù)指標(biāo)見表5。

（3）邊坡坡面平順，無松石、危石。

4.2 質(zhì)量控制措施

（1） 掌握膨脹破碎劑的特性：膨脹壓力隨水灰比的增大而減??；它的膨脹壓力與環(huán)境溫度和反應(yīng)時(shí)間成正比，物體開裂所需時(shí)間與環(huán)境溫度成反比；膨脹壓力隨孔徑的增大而增加。

（2） 膨脹破碎劑水灰比需經(jīng)試驗(yàn)確定最佳配合比，供實(shí)際施工使用。

（3） 孔位、孔深、膨脹破碎劑水灰比、裝藥、機(jī)械挖掘操作是本工法的關(guān)鍵技術(shù)，相關(guān)操作人員須按照操作規(guī)程操作，確保收到良好的效果。

（4） 要妥善保管，防止受潮和暴曬。使用時(shí)膨脹破碎劑要隨用隨提，拆封數(shù)量與使用數(shù)量要控制好，以免多提多拆使成品受潮或失效。

（5） 靠近邊坡時(shí)，孔眼方向應(yīng)平行坡面設(shè)置，避免坡面超挖。

（6） 坡面整修完成后，由質(zhì)檢員對(duì)坡坡面進(jìn)行驗(yàn)收，驗(yàn)收合格后方可進(jìn)行下一級(jí)邊坡開挖。

5 安全和環(huán)保措施

（1） 建立健全安全生產(chǎn)保證體系和環(huán)保制度，制定膨脹破碎劑預(yù)裂專項(xiàng)安全管理制度，落實(shí)安全生產(chǎn)責(zé)任制，分工明確，責(zé)任到人，加強(qiáng)施工安全檢查，消滅發(fā)生安全生產(chǎn)事故的苗頭，保護(hù)自然環(huán)境。

（2） 設(shè)置安全環(huán)保標(biāo)志醒目，安排專人管理標(biāo)識(shí)的警戒區(qū)域，非操作人員不得進(jìn)入施工現(xiàn)場(chǎng)；膨脹破碎劑和拌和水存放陰涼干燥處，避免暴曬；嚴(yán)防膨脹破碎劑成品或外包裝流失，污染環(huán)境；機(jī)械開挖區(qū)域和民房之間設(shè)置臨時(shí)聲屏障，不得夜間作業(yè)；遇大風(fēng)時(shí)，停止鉆孔或開挖作業(yè)，防止粉塵污染；完善周邊排水設(shè)施，設(shè)置沉淀池、過濾池，防止施工區(qū)域廢水直接排放入河流或池塘。

（3） 膨脹破碎劑是一種對(duì)人體眼角膜有傷害的化學(xué)制劑，操作人員不得將手在眼睛擦拭；施工現(xiàn)場(chǎng)必須預(yù)備足夠數(shù)量的清潔水，防止操作人員萬一接觸膨脹破碎劑作清洗使；如操作人員眼部接觸了膨脹破碎劑漿體，就立即用清水沖洗，再送醫(yī)院急救治療；鉆孔操作員應(yīng)佩戴防護(hù)眼鏡、防塵口罩，灌裝操作人員須佩戴防腐橡膠手套；灌入膨脹破碎劑漿體時(shí)，需待孔內(nèi)溫度降到常溫，操作人員面部距離孔面50 cm以外，且不得正面相對(duì)；裝灌完成后，應(yīng)及時(shí)覆蓋預(yù)裂孔，不得在裝灌地點(diǎn)逗留。

6 結(jié)語(yǔ)

6.1 靜態(tài)膨脹預(yù)裂爆破技術(shù)施工工藝質(zhì)量高、安全可靠

通過膨脹破碎劑預(yù)裂，有效的降低了巖石開挖的難度，同時(shí)極大地提高了機(jī)械開挖的效率；采用膨脹破碎劑預(yù)裂，無噪音、無粉塵、無毒氣，不產(chǎn)生震動(dòng)、飛石，無沖擊波，不影響周邊的建筑物，不擾民，具有良好的安全和環(huán)保特性；采用膨脹破碎劑預(yù)裂和機(jī)械開挖，容易控制巖石被破碎體的形狀，避免了采用爆破開挖引起的虧坡現(xiàn)象，減少了爆破對(duì)巖體及坡面的影響，同時(shí)采用機(jī)械開挖保證了開挖坡面的平順，有利于坡面的穩(wěn)定和美觀。

6.2 態(tài)膨脹預(yù)裂爆破技術(shù)施工工藝具有較高的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益

采用機(jī)械開挖1臺(tái)挖掘機(jī)配破碎錘每天能夠開挖不發(fā)育或欠發(fā)育堅(jiān)巖約10 m3，采用巖石膨脹破碎預(yù)裂機(jī)械開挖施工每天開挖約30 m3，采用本施工工藝雖然增加了膨脹劑預(yù)裂相關(guān)費(fèi)用，但大大降低了機(jī)械破碎錘的報(bào)廢率，明顯地提高了開挖效率，降低了機(jī)械開挖油耗，整體上節(jié)約了成本，較單獨(dú)采用機(jī)械開挖具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

態(tài)膨脹預(yù)裂爆破技術(shù)施工工藝將靜態(tài)爆破與機(jī)械開挖有機(jī)地結(jié)合起來，發(fā)揮了靜態(tài)爆破和機(jī)械開挖的優(yōu)勢(shì)，成功的解決了路基開挖中無法采用爆破、同時(shí)采用機(jī)械開挖又效率低下的石方開挖難題，與傳統(tǒng)的爆破相比較具有明顯的安全性，無飛石、無噪音、無震動(dòng)、無沖擊波、無有毒煙霧。本施工工藝是一種因受條件限制無法采用爆破工藝的區(qū)域路基開挖的十分有效的施工方法，節(jié)能減排，保證了工程進(jìn)度按期完成；有利于協(xié)調(diào)工程施工與周圍群眾的關(guān)系，施工文明，不擾民，深得周邊群眾的好評(píng)。

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