铁道建筑 Ｆｅｂｒｕａｒｙ２０１０ ，Ｒａｉｌｗａｙ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ 文章编号：１００３—１９９５（２０１０）０２－００４４－０３ 静态爆破技术在隧道开挖施工中的应用 梁晓峰 （中铁十八局集团有限公司，天津３００２２２） 摘要：介绍静态爆破技术的应用及应注意的问题，指出利用静态爆破技术进行隧道开挖施工时必须选好 爆破设计参数，以便控制开挖整个过程，才能保护既有结构物，实现安全生产。 关键词：静态爆破隧道开挖施工工艺 中图分类号：Ｕ４５５．６文献标识码：Ｂ 由三部分组成：液压动力站，高、低压，机。整 １ 工程概况 静态爆破技术是一种新的破碎或切割岩石及混凝 机图片见图１。 土的技术，与传统的炸药爆破相比，它具有无噪声、无 振动、无飞石及无炮烟污染等特点，主要应用在环保要 求较高的混凝土拆除工程、石材荒料开采领域，近几年 在一些隧道开挖施工中也有应用。 襄渝铁路二线新紫阳隧道穿越紫阳县城繁华商业 街、居民区和３１０省道，隧道埋深５～１３０ ｍ，且距右侧 既有紫阳隧道２５—３１ ｍ。为保证隧道附近居住房屋、 ３ｌ０省道和既有紫阳隧道不受扰动，决定采取静态爆 破技术。 ２．１．２图１达尔达机整机 ２洞身开挖施工方法及工艺 本隧道为单线铁路隧道，全长为４９０ ｍ，从进出口 双向掘进，采用静态爆破技术进行洞身开挖。总体施 工方法为液压式岩石法掏槽、静态破碎剂破碎、液 压式岩石机修边开挖法。现主要将液压式岩石分 裂法掏槽、静态破碎剂破碎二部分的施工工艺介绍如 下。 施工过程 首先根据设计要求确定劈裂岩石的分割线，根据 岩石的劈裂难易程度布孔，确定钻孔深度和孔间距，钻 孔深度必须大于中间楔块伸出的最大值，排孔应在同 一平面内，避免出现犬齿孔。在本工程中该机主 要用来掏槽和开挖外轮廓修边，掏槽钻孔深度５０～６０ ｃｍ，孔间距１Ｏ～２０ ｏｍ，钻孔完成后将一个或多个 机插入钻好的排孔内，启动液压动力系统，中间楔块在 ２．１ 液压式岩石法掏槽 ２．１．１ 达尔达液压机简介 液压力的推动下伸出，迫使夹在它两边的一对反向楔 块向岩石孔洞的两壁扩张，几秒钟内就可以破开材料。 随后，缩回中间楔块，拔出机，进行掏槽，作为下一 步静态爆破的临空面。 ２．２静态破碎剂破碎施工 ２．２．１ 破碎机理 采用液压式岩石机替代爆破和传统的破碎方 法，主要因为它在破碎岩石或混凝土时不会产生压力 波，也没有振动、噪声和粉尘，而且操作简便，特别是对 破碎体积小，要求短时间内完成的项目非常适用。本 项目采用的是德国达尔达液压岩石机，该机 静态爆破（又称静态破碎）是将一种含有钙、铝、 镁、硅、铁等元素的无机盐粉末状破碎剂，用适量水调 成流动状浆体，直接灌入钻孔中，经水化反应后，产生 巨大膨胀压力（可达３０～５０ ＭＰａ），将混凝土（抗拉强 收稿日期：２００９－０８－２５；修回日期：２００９—１１－０８ 作者简介：梁晓峰（１９７５一），男，河南叶县人，工程师。 ２０１０年第２期 静态爆破技术在隧道开挖施工中的应用 ４５ 度１．５～３．０ ＭＰａ）或岩石（抗拉强度４．０～１０．０ ＭＰａ） 胀裂、破碎。 ２．２．２ 影响膨胀压力的因素 由于体积较小，利用达尔达岩石机可在短时间内 完成，实现时间可控，超欠挖可控，安全生产。 静态爆破方法主要是利用静爆剂的膨胀压力来劈 裂混凝土或岩石，因此在破碎设计之前，首先须要了解 ／＼＼｜・＼ ｜ ‘ｚ 破碎剂的性能，影响膨胀压力的因素，然后才能进行钻 孔参数的设计，进行无声破碎施工，为此必须考虑以下 几点： １）温度。因破碎剂的主要成分为Ｃａ０，环境温度 、 誊 ／ 誊 掏槽眼布置 越高，破碎剂水化反应越快，其膨胀压力也越高。经过 试验得出，某一破碎剂，在２０℃时，膨胀压力达４０ ＭＰａ；而在１３℃时，膨胀压力仅达２０ ＭＰａ。而且当温 度低于１５ ｃＩ＝时，膨胀压力急剧延迟，在３０℃以上时， 破碎剂的膨胀压力迅速提高。 ２）水灰比。所谓水灰比就是水与破碎剂的质量 比，膨胀压力随水灰比的增大而减小。试验证明，破碎 剂的水灰比为２０％时，膨胀压力非常大，但流动性很 差，水灰比＞３０％时，尽管流动性好，但膨胀压力下降 太多。因此，考虑施工的可靠性，水灰比在２５％～ ３０％为宜。紫阳隧道采用的破碎剂为棒状，它用强力 纸做成圆筒状，在水中浸泡２ ｍｉｎ，约吸水２５％，膨胀 效果很好。 ３）孔径。一般来说，随孔径增大，膨胀压力也将 提高，因为钻孔直径越大，装人破碎剂浆体多，所以膨 胀压力也越大。但是当孔径超过６６０ ｍｍ时，药量增 加太大，当遇到３０℃以上施工环境时，水化和放热速 度快，可能会发生喷孔现象。 ４）填充密实度。破碎剂填充密实度与水灰比和 管孔作业有关。试验证明，破碎剂的密实度从１．２２ ｋｇ／ｃｍ 提高到１．６５ ｋｇ／ｃｍ 时，在水灰比为３０％的同 样条件下，膨胀率从０．５％增加到６．５％，而压缩力也 从１０ ＭＰａ提高到３０ ＭＰａ，这也证明填充密实度越高， 则膨胀和破碎效果越好。 ２．２．３钻爆设计与施工 开挖的整个施工程序为：确定开挖步骤一岩体调 查一静爆设计一钻孔一选择静爆剂一装药充填一胀裂 一二次破碎一清理一检查断面。 １）开挖步骤。按照该单线隧道开挖断面特点，将 其分为４个部分进行开挖（见图２），分别为ｌ、２、３、４ 部分，安排１部超前开挖，利用１部开挖空间，以掌子 面为临空面，进行竖向打眼开挖２部，这样不但可以节 约搭拆脚手架，安全施工，而且可以提高施工效率。同 样利用２、３部超前开挖３、４部。在隧道开挖外轮廓 处，或者由于断面轮廓为曲线无法竖向打眼处，则预留 ２０～４０ ＣｌＴＩ修边层，采用顺帮钻孔，准确修边。修边层 ＼ ／ 曼 【 ５：． ７ ７ 【 图２隧道分部开挖断面（单位：ｅｍ） ２）岩体情况。新紫阳隧道大多为Ⅱ、Ⅲ级围岩， 占整个隧道的８５％，属于中硬岩。本施工工艺主要用 于Ⅱ、Ⅲ级围岩，而且在中硬岩中静爆效果较好。该隧 道也有Ⅳ、Ｖ级围岩，采用液压破碎锤或大功率挖掘机 等其他方法开挖。 ３）钻孔与堵塞。钻孑Ｌ采用气腿式风动凿岩机，钻 眼孔径为６３８ ｍｍ～６５０ ｍｍ，第１部钻孔与掌子面垂 直，掏槽眼安排在隧道中线位置，共计５排８０个孔，钻 孑Ｌ间距１０ ｃｍ，钻孔深度５５ ｃｍ，中间一竖排钻孔直径 为６５ｏ ｍｍ，做为临空面，两侧竖排掏槽眼孔径为６４２ ｍｍ，安放达尔达岩石机。掏槽后其余断面采用正 常静爆破，整个１部的完成为第２部开挖提供竖向钻 孑Ｌ作业面。 第２部竖向钻孔布置见图３。根据Ｋ系列产品技 术要求，在中硬岩中，钻孔间距ａ＝１５～３６ ｃｍ时最佳， 经过试验取ａ＝２５ ｃｍ，钻孔确定为２５ ｃｍ×２５ ｃｍ网状 布置，纵向每次钻孔５排即进尺１．２５ ｍ，竖向钻孔深 度１．３ ｍ。第２部采用二台阶钻孔开挖，同样第３部 和第４部采用上述方法施工，这样１、２、３、４部可形成 流水作业，有效利用了作业面，利于加快施工进度。 掌子面 ，临空面辅助眼 ０ ０ ０ ０ ０ ０ ０ ０ ０（），０ ０ ０ ０ ０ ｌ０ ０ ０ ０ ０ ０ ０ ０ ０ ０ ０ ０ ０ ０‘ ０ ０ ０ ０ ０ ０ ０ ０ ０ ０ ０ Ｏ ０ ０ ０ １０ ０ ０ ０ ０ ０ ０ ０ ０ ０ ０ ０ ０ ０｛ 图３竖向钻孔布置图（单位：ｃｍ） 堵塞的作用在于增加炮孔约束条件，提高胀裂效 果。对于向上倾斜的炮眼还起到装药后防止药卷下掉 的作用。堵塞可用木塞或塑料塞，也可用炮泥，堵塞长 度１０ ｃｍ左右。 ４）静爆剂种类的选择。由于普通静爆剂水化速 铁道建筑 Ｆｅｂｒｕａｒｙ，２０１０ 度慢，水化反应２４ ｈ左右时，才能接近最大膨胀压力， 浸泡，岩石风化较快，部分地段采用破碎锤及大功率的 挖掘机可开挖，进尺较快。 ２．３ 出渣 无法满足隧道掘进要求，故新紫阳隧道采用了Ｋ系列 快速静爆剂，Ｋ系列快速静态破碎剂除主体膨胀破碎 剂药卷外，还有一种热敏剂静态破碎剂卷，可加速静爆 剂的水化反应。其主要技术指标为：最大膨胀压力５０ ～由于采用分部台阶开挖，各部开挖空间较小，第 １、２部只能采用人工＋小推车的出渣方式，将１、２部 的渣堆在第３部，再利用挖掘机（安放在第４台阶上） 一６０ ＭＰａ，水化反应时间１０～６０ ｍｉｎ，适用环境温度 一１６℃～３５℃，可根据不同季节及施工环境温度选 ５）炮眼胀裂顺序。为使各类炮眼在胀裂时能有 同出渣。 用Ｋ－Ｉ～Ｋ．Ⅳ型静爆剂。 静态爆破剂发生作用后，岩石大部分已经出现裂 纹，然后利用挖掘机装配的液压破碎锤将大块岩石二 更多更大的自由面，以提高胀裂效果，各类炮眼在胀裂 顺序上应存在一个时间差。为此，在炮眼破碎顺序上 的安排第１部：掏槽眼一辅助眼一周边眼；第２、３、４部 为前排先破碎一后排后破碎的顺序，其中在前排一定 范围内可以同时装药，后面每排依次推迟０．５ ｈ后装 药破碎，可减少前排挟制，而取得较好破碎效果。 ６）装药。静态爆破与炸药爆破不同，装药需基本 填满炮孔，按照空孔总长计算，并随孑Ｌ径、孔距而异。 破碎剂的总用药量按照被破碎体积乘以单位体积耗破 碎剂量的经验数据按下式计算： Ｑ＝ 式中，Ｑ为破碎剂总用药量（ｋｇ）；Ｖ为破碎体积（ｍ ）； ｑ为单位体积耗破碎剂量（ｋｇ／ｍ ）。ｑ参照表１使用。 表１破碎剂单位体积用药量 药卷装入钻孔后用木棍捣实。钻孔装药结构见图 ４。 ４ 较快速型 １——塞子；２——热敏剂药卷；３一主体药卷７４－－炮眼。 图４装药结构图 ７）循环作业：第１部每一掏槽循环进尺０．５ ｍ，对 应辅助眼和周边眼进尺也为０．５ ｍ，每天二次掏槽二 次破碎循环进尺１．０ ｍ。第２、３部每天１循环，进尺 １．２５ ｍ。第４部由于暴露时间较长，加上有裂隙水的 次破碎分解，然后利用装载机、运输车出渣。 ３静爆作业注意事项 １）静爆剂浆体略有腐蚀性，操作人员必须戴手 套、防护眼镜及口罩，工作完毕，应及时洗脸和洗手，以 防碱性刺激皮肤。 ２）装填炮孔时，每卷均要捣实，孔口要堵塞，在灌 浆到裂缝出现前，不得在近距离直视孔口，以防发生喷 孔现象，伤害眼睛。 ３）炮孔内积水在装药前应排除干净，防止水灰比 过大，静爆效果降低。 ４）热敏剂药卷浸水温度应控制在２５℃以下，浸水 时间不要超过２ ｍｉｎ，防止药卷外壳在水中胀破。 ５）破碎剂应随配随用，配制好的药卷浆体应尽快 装入钻孔内，并应在１０ ｍｉｎ内用完。 ４ 结语 襄渝铁路二线新紫阳隧道在开挖过程中采用了静 态爆破，取得了良好的效果，不仅满足了隧道工期，而 且保证了当地居民的正常生活，实现了３ｌ０国道和既 有紫阳隧道的运营安全，得到的当地、业主、设计 和监理单位的一致认可。 但是静态爆破也存在一定问题，比如施工成本较 高，钻孔过多导致开挖进度不如传统爆破速度快，破碎 效果受温度影响较大，开裂时间不宜控制等，因此该方 法只有在特殊的施工环境下及个别有约束条件的工程 中采用。 参 考 文 献 ［１］游宝坤．静态爆破技术——无声破碎剂及其应用［Ｍ］．北 京：中国建材工业出版社，２００８． （责任审编王天威）
