静态膨胀预裂爆破技术在公路施工中的应用

摘 要：静态膨胀破碎预裂公路路基岩石是一项科学、经济、适用的技术，具有十分良好的应用价值。通过实际工程的应用，分析了提出静态膨胀预裂爆破机理，介绍了静态膨胀破碎剂施工技术参数的选取方法、施工工艺流程及操作要点和安全和环保措施，为进一步在工程总推广应用提供了有益的经验。

关键词：静态膨胀破碎 公路工程 石方爆破

中图分类号：U416.1+13 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）03（a）-0047-04

岩石开挖是公路路基施工的重要施工内容，坚硬岩石施工目前一般采用炸药爆破、装载机装卸、汽车运输方式。对于周边有建筑物或对爆破敏感区域，石方量又较大时，无法采用传统的爆破施工工艺，同时仅采用机械开挖又效率极低，施工成本大，工期不能满足要求，这样的事例较为常见。目前，我国实行严格的民爆器材、作业的管理制度，安全警戒距离不少于200m。温州和丽水市某二级公路一段石方路基靠近一个村庄，传统的爆破作业扰民非常严重，如迁移民房需花费数千万元安置费用。开挖石方路基时，最后采取了单一的机械挖掘作业，费用十分昂贵，还延误了工期。由此，石方路基采用静态膨胀破碎剂预裂机械破碎开挖施工工艺，费用、工期、安全、质量都得到了较好地控制，村民反映良好，工程进展顺利，体现了施工文明，为维护社会稳定、建设和谐社会作出努力。

1 静态膨胀预裂爆破机理

1.1 力学机理

静态膨胀破碎剂通常呈粉末状散粒体，使用前按适当的比例加水拌和，然后装填在岩石中，经过一定时间的水化反应，产生膨胀压力，如图1所示。

将岩石模拟为厚壁圆筒弹性体，填充静态膨胀破碎剂的半径为r1，r2，其内部作用的压力为P，任意半径处的切向拉伸应力为，则：

（1）

岩石为脆性材料，抗拉强度远小于抗压应力。一般岩石的抗拉强度为5～10 MPa，静态膨胀破碎剂可产生30～50 MPa的膨胀力。当切向膨胀力大于岩石抗拉强度时，岩石便产生裂缝而破坏。图2为膨胀破碎剂预裂示意图。

2.2 化学机理

静态膨胀破碎剂主要以、无机盐化合物和有机复合剂组成，加水后产生膨胀性的结晶水化物，其中氧化钙（）的化学反应如下式：

（2）

由于氧化钙的密度为3.35 kg/cm3，氢氧化钙的密度为2.24 kg/cm3，在总质量不变的条件下，体积膨胀了49.6%，这就是静态膨胀破碎剂的化学原因。

2 静态膨胀破碎剂施工技术参数

根据现场岩石的材质、裂隙尺寸和破碎的要求，设计计算出破碎参数，并选用对应钻孔设备和钻孔工具。破碎参数包括孔径、孔距、孔深、排距、最小抵抗线、破碎体剂的用量和炮孔排列。

2.1 孔径

孔径是影响破碎效果的重要因素。孔径越大，破碎剂的装入量就越多，产生的膨胀压力也越大，破碎效果也就越好，同时产生的热量也越多，温度上升也越高，最后导致破碎剂浆体的喷出，所以孔径不宜过大。另外孔径由钻孔设备的性能确定，孔径越大，钻孔速度下降越显著。因此，视岩石的坚硬程度孔径选择为30～50 mm。

2.2 孔距

当其他条件不变时，孔距越小，开裂越容易，破碎所需时间也越短。但孔距越小，孔数增多，必然后增加钻孔工作量和破碎剂的消耗量。因此，对于不同的破碎对象，确定出可行的最大孔距，以达到最好的技术经济效果。

影响孔距的因素主要有：被破碎体的抗拉强度、破碎剂的膨胀压力和钻孔孔径，当其它条件不变时，抗拉强度越高，孔距应越小；反之，则可增大。另外，膨胀压力和孔径越大，孔距应越大；反之，则应减小。孔距的大小可用下式来求得：

（3）

式中：a为孔距，cm；

d为孔径，cm；

k为破碎系数，若使用普通型破碎剂时，k值可从表1中选取。

2.3 孔深

炮孔深度与被破碎体的高度（或宽度）有关。当被破碎体的高度和其它条件相同时，炮孔深度大的比炮孔深度小的更容易开裂，破碎效果也更好，它们之间的关系可用式4表示：

（4）

式中：L为孔深，m；

H为被破碎体的高度或破碎高度，m；

为孔深系数，与约束条件有关。对于硬质岩石或孤石～；对于软质岩石。

2.4 排距和最小抵抗线

炮孔排距的大小与破碎剂膨胀压力的大小、被破碎体的强度和自由面的多少有关。膨胀压力大、被破碎的强度小和自由面多，可取大值，反之，则取小值。在静态破碎中，最小抵抗线的大小因根据介质的强度、形状大小、孔径、节理以及要求破碎的块度等因素由图3和表2来确定。

2.5 破碎剂的选型和用量

普通型破碎剂，它们共同特点是呈粉末状，水反应速度较慢，膨胀压力上升也较慢，破碎能力小和介质的破裂时间长，新型速效静态胀裂剂，呈颗粒状结构，可以加速水反应和有利于膨胀压力的迅速上升，30 min后出现30～50 MPa的膨胀压力，工艺比较简单。

破碎剂的用量是影响破碎效果的主要因素。当炮孔布置方式和有关的破裂参数确定好以后，用药量可按下面两种方式确定。

2.5.1 按每米炮孔装药量计算

（5）

式中：Q为个炮孔的用药量或一次破碎的总用药量，kg；

为损耗率，采用0.05～0.1；

为一个炮孔的延米数或一个破碎体全部炮孔的总延米数，m；

q1为单位孔长的用药量，kg/m，按表3选取。

3.5.2 按单位体剂耗药量计算

（6）

式中：Q为用药量，kg；

V为被破碎碎体体积，m3；

q2为破碎单位体积介质用药量，kg/m3。按表4选取。

3 施工工艺流程及操作要点

3.1 工艺流程

岩石膨胀破碎预裂机械开挖施工工艺流程如图4所示。

3.2 操作要点

3.2.1 施工准备

根据岩石强度及节理发育情况选择合适的机械和所需的膨胀破碎剂的类型及型号；根据开挖岩体工程量确定配备机械及人员；放样定位及清理松土软石，并修筑施工便道。

3.2.2 布孔（眼）

（1）在布孔（眼）前，设置临空面，临空面可根据岩石开挖难易情况结合路基开挖方案随机设置，并尽可能多创造临空面。

（2）根据被破碎物体的不同材质和硬度沿平行于临空面布置孔（眼），约为孔径的8～10倍，具体由试验确定。根据边坡岩石的具体情况，可采用单排孔或多排孔布置。多排布孔一般采用梅花型排列，如图5所示。

3.2.3 钻孔（眼）

（1） 钻孔（眼）工程。

①首先检查风动凿岩钻机，保证性能良好。开孔前，把钻机操纵阀开到轻转位置，待孔（眼）位固定并钻进20～30mm以后，掌钎工两手松开，退到机身后侧监护；打眼工把操纵阀板到中转位置钻进，当钻进50mm左右，钻头不易脱离眼口时，全速钻进。

②钻孔（眼）时，用手柄阀门及时调节气腿高度，使钻机、钻杆和钻孔（眼）方向一致，推力均匀，不要用力过大，防止断钎、夹钎。钻杆不要上下、左右摆，以保持钻进方向。

③掌握好钻孔（眼）的深度和角度，达到要求深度时，减速撤钻。钻深孔（眼）时，必须采用不同长度的钻杆，开始时使用短钻杆。

④撤钻时，小开阀门，停止向前推力，使钻杆缓慢旋转，缓慢向怀中拉钻机，同时缩气腿，使钻杆在旋转中退出炮眼；此时掌钎工待钻杆钻速减慢时，站在钻杆一侧，协助钻孔（眼）工把钻杆退出灌浆孔（眼）。

⑤两台或多台钻机作业时，应按作业规程规定的区域，做到定钻具，定人定孔（眼），顺序钻孔（眼），防止相互干扰。

⑥突然停风，应取下钻机，拨出钻杆。

⑦孔（眼）深度应小于等于临空面高度或开挖深度，一般不宜小于0.8 m，且不大于4 m，一般在2 m较好。

⑧退钻时，不得用力猛拉钻机，孔（眼）口前方禁止站人。

3.2.4 清孔（眼）

（1） 压风管接到L型吹孔（眼）钢管上。把钢管长端插入孔（眼）内，人员站在侧面，先警示相关人员然后打开风门，用手来回拖动，直到把孔（眼）内岩粉吹净，依次把各孔（眼）吹完。

（2） 吹孔（眼）人员要戴好手套，防止伤手。吹孔（眼）人员两眼不得正对眼口位置。风管与L型钢管连接牢固可靠。

3.2.5 灌入膨胀破碎剂预裂

（1）在正式膨胀预裂施工前，应在现场进行膨胀破碎剂试配，已确定最佳配合比。

（2）搅拌及装孔：将配比好的破碎剂缓慢加入水中，边加入边搅拌，直到搅拌成糊状浆体（一次搅拌最好不超过10 kg），然后将搅拌好的浆体在3 min内倒入孔中，混合搅拌和装孔的整个过程不得超过8 min，如果孔数较多，最好多人同时装孔。

（3）膨胀破碎剂浆体灌入时，从破碎预裂方向后退顺序装填，边填边退，不得再次进入已经灌入膨胀破碎剂的孔洞范围，防止膨胀破碎剂冲孔伤人。

（4）根据使用时作业环境的不同，选择不同产品型号，工作效率和操作性可大幅度提高。

（5）填充破碎剂后，一般情况下，预裂在1 h内完成，再经过1 h后，即可采用机械进行开挖。也可根据工程需要，通过控制添加剂，自由掌握裂开速度，随着时间的增长，裂缝会越来越大。

3.3 机械开挖

（1） 机械凿岩采用挖掘机配破碎锤进行开挖。

（2） 对于不发育或欠发育坚硬岩体，挖掘机功率不宜小于110 kW（挖掘力不小于127 kN）如型号厦工XG 820（或功率等效的其他类型的挖机）。

（3） 机械凿岩应按照路基开挖方案进行开挖，全断面开挖时先中间后两侧，每次开挖深度不宜超过3 m。

（4） 对于适合采用机械开挖的岩体先进行开挖；对于采用机械开挖困难或效率低下的岩体，采用膨胀破碎剂预裂开挖。

（5） 挖方边坡应从开挖面往往下分段整修，每下挖2～3 m，宜对新开挖边坡刷坡，同时清除危石及松动块石。

4 质量控制

4.1 质量控制标准

（1）孔位、孔深允许偏差±5 cm。

（2）膨胀破碎剂应符合《无声破碎剂》（JC506-2008）中技术要求。

凝结时间：初凝不得早于8 min，终凝不得迟于150 min。膨胀破碎剂膨胀压技术指标见表5。

（3）边坡坡面平顺，无松石、危石。

4.2 质量控制措施

（1） 掌握膨胀破碎剂的特性：膨胀压力随水灰比的增大而减小；它的膨胀压力与环境温度和反应时间成正比，物体开裂所需时间与环境温度成反比；膨胀压力随孔径的增大而增加。

（2） 膨胀破碎剂水灰比需经试验确定最佳配合比，供实际施工使用。

（3） 孔位、孔深、膨胀破碎剂水灰比、装药、机械挖掘操作是本工法的关键技术，相关操作人员须按照操作规程操作，确保收到良好的效果。

（4） 要妥善保管，防止受潮和暴晒。使用时膨胀破碎剂要随用随提，拆封数量与使用数量要控制好，以免多提多拆使成品受潮或失效。

（5） 靠近边坡时，孔眼方向应平行坡面设置，避免坡面超挖。

（6） 坡面整修完成后，由质检员对坡坡面进行验收，验收合格后方可进行下一级边坡开挖。

5 安全和环保措施

（1） 建立健全安全生产保证体系和环保制度，制定膨胀破碎剂预裂专项安全管理制度，落实安全生产责任制，分工明确，责任到人，加强施工安全检查，消灭发生安全生产事故的苗头，保护自然环境。

（2） 设置安全环保标志醒目，安排专人管理标识的警戒区域，非操作人员不得进入施工现场；膨胀破碎剂和拌和水存放阴凉干燥处，避免暴晒；严防膨胀破碎剂成品或外包装流失，污染环境；机械开挖区域和民房之间设置临时声屏障，不得夜间作业；遇大风时，停止钻孔或开挖作业，防止粉尘污染；完善周边排水设施，设置沉淀池、过滤池，防止施工区域废水直接排放入河流或池塘。

（3） 膨胀破碎剂是一种对人体眼角膜有伤害的化学制剂，操作人员不得将手在眼睛擦拭；施工现场必须预备足够数量的清洁水，防止操作人员万一接触膨胀破碎剂作清洗使；如操作人员眼部接触了膨胀破碎剂浆体，就立即用清水冲洗，再送医院急救治疗；钻孔操作员应佩戴防护眼镜、防尘口罩，灌装操作人员须佩戴防腐橡胶手套；灌入膨胀破碎剂浆体时，需待孔内温度降到常温，操作人员面部距离孔面50 cm以外，且不得正面相对；装灌完成后，应及时覆盖预裂孔，不得在装灌地点逗留。

6 结语

6.1 静态膨胀预裂爆破技术施工工艺质量高、安全可靠

通过膨胀破碎剂预裂，有效的降低了岩石开挖的难度，同时极大地提高了机械开挖的效率；采用膨胀破碎剂预裂，无噪音、无粉尘、无毒气，不产生震动、飞石，无冲击波，不影响周边的建筑物，不扰民，具有良好的安全和环保特性；采用膨胀破碎剂预裂和机械开挖，容易控制岩石被破碎体的形状，避免了采用爆破开挖引起的亏坡现象，减少了爆破对岩体及坡面的影响，同时采用机械开挖保证了开挖坡面的平顺，有利于坡面的稳定和美观。

6.2 态膨胀预裂爆破技术施工工艺具有较高的经济效益和社会效益

采用机械开挖1台挖掘机配破碎锤每天能够开挖不发育或欠发育坚岩约10 m3，采用岩石膨胀破碎预裂机械开挖施工每天开挖约30 m3，采用本施工工艺虽然增加了膨胀剂预裂相关费用，但大大降低了机械破碎锤的报废率，明显地提高了开挖效率，降低了机械开挖油耗，整体上节约了成本，较单独采用机械开挖具有显著的经济效益。

态膨胀预裂爆破技术施工工艺将静态爆破与机械开挖有机地结合起来，发挥了静态爆破和机械开挖的优势，成功的解决了路基开挖中无法采用爆破、同时采用机械开挖又效率低下的石方开挖难题，与传统的爆破相比较具有明显的安全性，无飞石、无噪音、无震动、无冲击波、无有毒烟雾。本施工工艺是一种因受条件限制无法采用爆破工艺的区域路基开挖的十分有效的施工方法，节能减排，保证了工程进度按期完成；有利于协调工程施工与周围群众的关系，施工文明，不扰民，深得周边群众的好评。

参考文献

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