城市復(fù)雜環(huán)境下水工隧洞靜態(tài)爆破施工技術(shù)

李杰浩，黃世林，羅登鋼，曾怡楓，肖宏麗

（中鐵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開挖的過水洞，其主要功能是用于城市供水、泄水、導(dǎo)流等。傳統(tǒng)水工隧洞開挖主要采用鉆爆法施工，而在城市復(fù)雜環(huán)境下，由于傳統(tǒng)爆破作業(yè)產(chǎn)生的有害效應(yīng)十分明顯，對隧洞穿越區(qū)域周邊結(jié)構(gòu)物及其他保護(hù)對象的影響及損傷是客觀存在的。因此，在城市復(fù)雜環(huán)境下的水工隧洞巖體開挖施工中，常采用靜態(tài)破碎施工技術(shù)，靜態(tài)破碎包括機(jī)械破碎、水磨鉆取芯及靜態(tài)爆破等，由于機(jī)械破碎及水磨鉆取芯受隧洞施工作業(yè)面及開挖進(jìn)尺限制較大，因此，一般主要采用靜態(tài)爆破施工。

本文對靜態(tài)爆破技術(shù)進(jìn)行研究，通過不斷優(yōu)化調(diào)整靜態(tài)爆破設(shè)計(jì)參數(shù)和施工方法，提高了靜態(tài)爆破施工效率，從一定程度上解決了城市復(fù)雜環(huán)境下水工隧洞開挖難題。

2 工程概況

廣州市南沙區(qū)鳳凰湖水系連通及生態(tài)整治工程（3#、4#湖）位于蕉門河中心區(qū)，緊鄰豐澤西路，北側(cè)距離蕉門村約250 m，東側(cè)距離疊翠峰小區(qū)約200 m，南側(cè)距離萬科府前花園小區(qū)約230 m，場地內(nèi)還存在一處通信塔無法搬遷。該工程包含5座水工隧洞，本文以其中的3#湖瀑布隧洞為例進(jìn)行研究。該隧洞開挖斷面面積僅為6.2 m2，在水工隧洞中劃分為特小斷面，洞內(nèi)為花崗巖，設(shè)計(jì)圖中進(jìn)出口區(qū)域?yàn)棰纛悋鷰r、其余區(qū)域?yàn)棰箢悋鷰r。為避免傳統(tǒng)爆破產(chǎn)生的噪聲、振動(dòng)和飛石對周邊居民、房屋和通信塔造成破壞，消除市區(qū)使用炸藥帶來的安全隱患，設(shè)計(jì)采用靜態(tài)爆破工藝進(jìn)行隧洞開挖施工。本工程隧洞施工為其他多項(xiàng)施工內(nèi)容的緊前工程，因此，對施工工期要求較高。

3 施工工法

靜態(tài)爆破開挖施工工藝流程為：選擇臨空面→設(shè)計(jì)鉆孔參數(shù)→鉆孔與清孔→選擇破碎劑→攪拌與裝灌→養(yǎng)護(hù)與反應(yīng)→出渣與運(yùn)輸→超欠挖處理。

3.1 選擇臨空面

將隧洞斷面分為左右2個(gè)開挖部分，用水磨鉆在掌子面正中間鉆孔掏槽，制造臨空面，在槽兩側(cè)鉆孔，破碎兩側(cè)巖體并開挖出碴。臨空面選擇如圖1、圖2所示。

圖1 臨空面選擇示意圖（單位：mm）

圖2 臨空面選擇現(xiàn)場圖

3.2 設(shè)計(jì)鉆孔參數(shù)

3.2.1 孔徑

孔徑是決定破碎效率的重要因素，破碎巖石時(shí)孔徑不宜小于40 mm，但也不宜大于65 mm[1]，孔徑過大會(huì)使破碎劑用量增大，在未采取措施情況下，由于巖體夾制易產(chǎn)生破碎劑噴出現(xiàn)象。本工程隧洞擬采用YT28氣腿式鑿巖機(jī)進(jìn)行打孔，孔徑為42 mm。

3.2.2 孔距a

孔距a根據(jù)式（1）求得

式中，a為孔距，cm；K為破碎系數(shù)，若使用普通型破碎劑時(shí)，K值可從當(dāng)前數(shù)據(jù)選??；d為孔徑cm。

本工程所在地區(qū)巖石為花崗巖，屬于較硬巖類，標(biāo)準(zhǔn)K值取7，計(jì)算孔距為a=7×42=294 mm，孔距取30 cm。為增強(qiáng)輪廓破碎效果，周邊眼取15 cm。

3.2.3 孔深L

鉆孔深度與被破碎體深度有關(guān)，鉆孔深度一般大于破碎體深度，它們之間的關(guān)系可用式（2）表示：

式中，L為孔深，m；H為被破碎體的深度，m；x為孔深系數(shù)，與約束條件有關(guān)，對于原巖x=1.05。

根據(jù)施工圖設(shè)計(jì)，每次進(jìn)尺不超過3 m。為使靜態(tài)爆破效果更佳，結(jié)合現(xiàn)有水磨鉆取芯深度，初步確定單次破碎深度為1 m，3個(gè)開挖循環(huán)后進(jìn)行噴錨支護(hù)。由于巖體為花崗巖，孔深系數(shù)取1.05，因此，鉆孔深度為L=1×1.05=1.05 m。

3.3 鉆孔與清孔

采用DJ2230G水磨鉆，垂直于掌子面鉆孔取芯，取芯直徑230 mm，取芯深度1 m，采用YT28氣腿式鑿巖機(jī)在取芯形成的臨空面左右兩側(cè)進(jìn)行鉆孔，為避免裝藥后破碎劑倒流，打孔保持5°~10°的向下傾角。

因孔內(nèi)巖屑和積水將影響破碎劑反應(yīng)效果，鉆孔至設(shè)計(jì)孔深后，采用高壓風(fēng)進(jìn)行炮孔清吹，清除孔內(nèi)巖屑及積水[2]。

3.4 選擇破碎劑

選擇高效無聲破碎劑（HSCA-Ⅱ）作為隧洞巖體破碎材料，HSCA-Ⅱ主要由游離氧化鈣（f-CaO）、硅酸三鈣（C3S）、鐵鋁化合物等材料配以石膏和木鈣以一定比例磨粉混合而成[3]；破碎劑存放在專門的施工棚內(nèi)，保持環(huán)境干燥，防止受潮。

3.5 選擇脹裂順序

為使靜態(tài)破碎時(shí)能有更多更大的自由面，以提高膨脹破碎效果，炮孔中破碎劑的灌裝順序應(yīng)考慮一定的時(shí)間差[4]。因此，破碎劑灌裝順序?yàn)椋合妊b前排炮孔，再依次往后逐排裝填后排炮孔。這樣前排炮孔先產(chǎn)生反應(yīng)，先破碎的炮孔可減少前排的夾制作用，從而取得較好的靜態(tài)破碎效果。

3.6 攪拌與裝灌

選擇的水灰比為：水∶破碎劑=0.3∶1。將破碎劑質(zhì)量比為30%的水倒入容器中，然后倒入破碎劑，操作人員戴好橡膠手套，將混合物攪拌成為具有流動(dòng)性的均勻漿體。由于鉆孔具有一定傾角，可直接采用灌壺將漿體灌入孔中，攪拌好的破碎劑漿體，必須在10 min內(nèi)用完，否則流動(dòng)性和破碎效果將會(huì)降低。

由于破碎劑具有一定腐蝕性，在攪拌和灌注過程中，施工人員必須佩戴橡膠手套和護(hù)目鏡，且不得直視炮孔口，以防發(fā)生噴漿傷害眼睛，漿體碰到皮膚和眼睛時(shí)，要立即用大量清水沖洗。

3.7 養(yǎng)護(hù)與反應(yīng)

在夏季裝填完漿體后，孔口用土工布覆蓋，以免發(fā)生噴孔。冬季氣溫過低時(shí)，進(jìn)行覆蓋保溫。藥劑反應(yīng)時(shí)間過快容易發(fā)生沖孔傷人事故，且反應(yīng)時(shí)可能脹裂巖體造成破碎體掉落傷人，發(fā)生物體打擊傷害，因此，在反應(yīng)時(shí)應(yīng)設(shè)警戒線，禁止無關(guān)人員進(jìn)入。

3.8 出渣與運(yùn)輸

當(dāng)巖面未完全破碎或破碎下來的巖石體積較大時(shí)，采用劈裂棒或風(fēng)鎬單獨(dú)破碎至合適尺寸[5]，洞內(nèi)用人工配合小型裝載機(jī)裝車出渣，洞外用自卸車進(jìn)行運(yùn)輸。

3.9 超欠挖處理

隧洞不允許欠挖，隧洞欠挖時(shí)，采用劈裂棒、風(fēng)鎬等進(jìn)行處理；隧洞超挖時(shí)，采用噴射混凝土進(jìn)行噴射回填。

4 提高施工效率及經(jīng)濟(jì)性的措施

4.1 調(diào)整開挖進(jìn)尺

通過查閱相關(guān)資料、類似工程記錄并咨詢破碎劑廠家專業(yè)人員明確，靜態(tài)爆破單次破碎深度一般不超過2.0 m，本工程原方案單次開挖進(jìn)尺為1.0 m，考慮到現(xiàn)有技術(shù)水平及不可預(yù)見性原因，按照理想狀態(tài)的70%進(jìn)行考慮，因此，將單次開挖循環(huán)進(jìn)尺定為1.4 m，在此開挖進(jìn)尺條件下，要達(dá)到目標(biāo)值效率，需要加強(qiáng)破碎效果，可從調(diào)整臨空面、鉆孔參數(shù)和破碎劑品種方面進(jìn)行考慮。

4.2 調(diào)整臨空面

臨空面數(shù)量對靜態(tài)爆破破碎效果影響尤為明顯，臨空面越多，靜態(tài)爆破效果越好。先用水磨鉆在掌子面周邊和底部取芯，將臨空面由原來的1個(gè)增加為多個(gè)，使掌子面中部巖體呈四周懸空狀態(tài)。此方法充分利用了巖體自重產(chǎn)生的下墜拉力，增強(qiáng)了破碎劑膨脹效果，增加臨空面后，雖相應(yīng)增加了水磨鉆取芯時(shí)間，但減少了周邊巖鑿巖鉆孔數(shù)量，也減少了靜態(tài)爆破鉆孔和裝藥時(shí)間，同時(shí)，大幅提高了破碎效果。因此，破碎大塊和欠挖處理時(shí)間也大幅降低。

4.3 調(diào)整鉆孔參數(shù)

通過觀察項(xiàng)目一處孤石靜態(tài)爆破不同孔距的巖體破碎效果，發(fā)現(xiàn)孔距較小區(qū)域產(chǎn)生裂縫時(shí)間較早，孔距較大區(qū)域產(chǎn)生裂縫時(shí)間較晚，通過查看靜態(tài)破碎劑產(chǎn)品說明書并咨詢廠家專業(yè)人員，廠家建議靜爆鉆孔孔距不超過6倍孔徑，本隧洞鉆孔孔徑為42 mm，因此，本隧洞孔距減小為25 cm，減小孔距后，打孔和裝藥時(shí)間均有所增加，但破碎效果更佳，因此，減少了破碎大塊和欠挖處理時(shí)間。

4.4 改變破碎劑品種

由于入夏后廣州溫度持續(xù)升高，施工期白天平均溫度已達(dá)35.5℃，原方案采用的HSCAⅡ破碎劑適用的溫度為10～30℃，在此高溫下已不再適用；HSCAⅠ的適宜的反應(yīng)溫度為25~40℃，且在相同的反應(yīng)時(shí)間下，HSCAⅠ比HSCAⅡ達(dá)到的膨脹壓更高，且最終的膨脹壓也更高，因此，決定將HSCAⅡ更換為HSCAⅠ。破碎劑更換后，反應(yīng)速度更快，破碎效果更好，相應(yīng)縮短了破碎大塊和欠挖處理的時(shí)間。

4.5 施工效率及經(jīng)濟(jì)性比較

調(diào)整臨空面、鉆孔參數(shù)和更換破碎劑品種后，達(dá)到破碎效果的反應(yīng)時(shí)間、破碎大塊和欠挖處理時(shí)間顯著縮短，鉆孔清孔和攪拌裝灌時(shí)間也有所降低，雖然增加了臨空面導(dǎo)致水磨鉆取芯制造臨空面時(shí)間有所增加，但因?yàn)橥瑫r(shí)增加了破碎體深度，因此，總體施工效率得到了顯著提升。3#湖瀑布隧洞總長44.5 m，采取3種綜合改進(jìn)措施后，技術(shù)人員如實(shí)記錄了各工序時(shí)間，并與改進(jìn)前進(jìn)行了對比，發(fā)現(xiàn)每循環(huán)開挖施工時(shí)間節(jié)約了2.2 h，施工效率提高了0.5 m/d，總工期縮短了17.6 d，

改進(jìn)后，技術(shù)人員同時(shí)對機(jī)械臺(tái)班、勞動(dòng)力和破碎劑用量進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)水磨鉆增加了58.3臺(tái)班，YT28氣腿式鑿巖機(jī)減少了25.1臺(tái)班，劈裂棒、風(fēng)鎬減少了49.5臺(tái)班，裝載機(jī)減少了0.8臺(tái)班，開挖勞動(dòng)力減少了96.8工日，破碎劑減少3 561.1 kg，節(jié)約費(fèi)用共計(jì)53 281.1元。

綜上，采取優(yōu)化措施后，每開挖循環(huán)節(jié)約了2.2 h，每循環(huán)進(jìn)尺增加了0.4 m，施工效率提高了0.5 m/d，總工期節(jié)約了17.6 d，取得了53 281.1元的經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié)語

鳳凰湖隧洞采用靜態(tài)爆破施工技術(shù)，現(xiàn)場技術(shù)人員根據(jù)靜態(tài)爆破基本原理，結(jié)合工程現(xiàn)場實(shí)際情況，采取了一系列優(yōu)化改進(jìn)措施，縮短了開挖循環(huán)時(shí)間，提高了施工效率，節(jié)約了施工工期，提高了施工經(jīng)濟(jì)性，且改進(jìn)后破碎效果更佳，隧洞成型效果更好，在確保施工安全、周邊結(jié)構(gòu)物安全和避免爆破有害效應(yīng)擾民的前提下，滿足了施工工期要求。

但該工程應(yīng)用也表明，靜態(tài)爆破施工也存在一定局限性，如施工成本較高，與傳統(tǒng)爆破相比效率仍然較低，僅在特定環(huán)境下的硬巖體開挖中使用該技術(shù)具有較大安全環(huán)保優(yōu)勢及一定的進(jìn)度優(yōu)勢。