馬明明

中鐵隧道集團二處有限公司，中國·河北 燕郊 065201

為了防止基坑石方爆破開挖對既有高鐵線路、周邊建（構(gòu)）筑物和過往車輛（人員）等造成危害，采用靜態(tài)破碎的方法進行石方預(yù)裂、解小、清運。通過對施工區(qū)域的地質(zhì)、水文地質(zhì)調(diào)查和工藝試驗，選用合適的機械設(shè)備和破碎劑，采取必要的控制措施，安全、高效的完成了中國徐州地鐵1 號線徐州東站鄰近既有高鐵線路基坑石方開挖，為徐州地鐵1 號線順利通車奠定了基礎(chǔ)。

鄰近；高鐵線路；靜態(tài)破碎；施工技術(shù)

1 引言

二十一世紀以來，中國在原有的“八縱八橫”鐵路網(wǎng)上又新建和改建了“八縱八橫”高鐵線路，鐵路網(wǎng)越來越密集，而近年來修建地鐵的城市逐漸增多，下穿或鄰近既有鐵路營業(yè)線施工也越來越普遍，周邊基坑開挖時經(jīng)常會遇到堅硬的巖石。一般情況下，石方破除可以選用常規(guī)爆破來完成。但是常規(guī)炸藥爆破有極大的破壞性，也有巨大的沖擊波、滿天粉塵、飛石，這些對于遠離城市、人煙稀少的郊區(qū)或山區(qū)則影響較小，而對于城市市區(qū)，巨大的震動和沖擊波會對周圍高大擁擠的建筑物造成很大的安全隱患，飛石則危及街道上的行人、行車安全，粉塵在造成環(huán)境污染的同時也給城市居民的身體健康帶來嚴重危害。為解決上述問題，必須尋求一種既能破碎巖石，又能保護環(huán)境的施工方法，上世紀八十年代研制出了一種靜態(tài)破碎劑，也稱無聲破碎劑，代號“SCA”，逐步廣泛應(yīng)用于各種工程實踐中[1-2]。

2 工程概況

2.1 工程簡介

中國徐州市城市快速軌道交通1 號線一期工程地下市政工程土建施工B 合同段，包含振興路站～徐州東站區(qū)間及徐州東站站，共1 站1 區(qū)間，工程起點里程DK21+076．369，終點里程DK22+966．426，全長1．89km。

根據(jù)設(shè)計文件，本項目靜態(tài)破碎范圍為振興路站～徐州 東 站 明 挖 區(qū) 間DK22+ 167．834 ～DK22+317．076 段以 及 徐 州 東 站 站DK22+317．076 ～DK22+370．076 段、DK22+540．076 ～DK22+740 段。

2.2 地形、地貌及地層巖性

場地地貌單元為剝蝕-溶蝕丘陵及丘間谷地地貌單元，地勢較為平緩，地面標高40．55 ～41．159m。上部土層以雜填土為主，基巖以寒武系灰?guī)r為主。

①填土

雜填土：雜色，松散，以黏性土為主，夾有碎石、碎磚、塊石等。該層土為人工棄土，堆填時間3 ～5年，沒有經(jīng)過壓實改造，人為隨意性較大，均一性差，多為欠壓密土，結(jié)構(gòu)疏松，強度較低、壓縮性高、荷重易變形等特點，工程性質(zhì)差。場區(qū)大部分布，厚度：1．6 ～8．7m，平均4．8m。

②黏土

第四系上更新統(tǒng)黏土：黃褐色，硬塑狀，切面光滑，干強度高，韌性高，含少量鐵錳質(zhì)結(jié)核和鈣質(zhì)結(jié)核，呈零星透鏡體狀分布，厚度0．7 ～1．9m，平均1．3m。位于雜填土與基巖面之間，大部分地段缺失。

③基巖

場區(qū)主要揭露的為寒武系中統(tǒng)張夏組灰?guī)r。

中風(fēng)化寒武系灰?guī)r：青灰色，局部夾肉紅色、灰黃色，中風(fēng)化，隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，節(jié)理裂隙較發(fā)育，局部具溶蝕現(xiàn)象，多為方解石充填，巖芯呈短柱狀、塊狀。基巖走向為NE-SW，傾向SE，傾角為30°～80°。屬較硬巖～堅硬巖，較完整，巖體基本質(zhì)量等級為Ⅱ～Ⅲ級，灰?guī)r天然抗壓強度74．9Mpa，最高達128．3Mpa，密度平均值2．63g/cm3，為普堅石。

2.3 工程水文地質(zhì)

（1）地下水類型

本區(qū)段場地地下水按賦存條件、含水介質(zhì)及水力特征分析，上部填土中存在上層滯水，因水量不大，對本工程影響較?。幌虏炕鶐r中地下水主要為巖溶裂隙水。巖溶裂隙水主要賦存于寒武系灰?guī)r的溶洞和溶（裂）隙中，含水層的滲透系數(shù)>20m/d，屬強透水。

（2）地下水的補給與排泄

巖溶裂隙水補給條件受巖體破碎程度、節(jié)理裂隙張開程度及延伸情況等控制，以垂直下滲為主；主要賦存于巖溶裂隙、溶蝕孔穴中，受土層地下水或周圍巖溶裂隙水補給，沿構(gòu)造破碎帶、節(jié)理裂隙密集帶匯集徑流，在巖溶發(fā)育處、地層接觸帶等以地下徑流的形式排泄，部分消耗于蒸發(fā)。本區(qū)裂隙巖溶水的補給來源主要是大氣降水入滲補給和區(qū)外巖溶地下水的側(cè)向徑流補給，局部地段接受地表水的滲透補給。

3 工法選用原因

（1）原因一

國務(wù)院令第639 號《鐵路安全管理條例》第三十四條規(guī)定：“在鐵路線路兩側(cè)從事采礦、采石或者爆破作業(yè)，應(yīng)當遵守有關(guān)采礦和民用爆破的法律法規(guī)，符合中國標準、行業(yè)標準和鐵路安全保護要求?！?徐州鐵路管理部門明確提出鄰近營業(yè)線200m 范圍內(nèi)不允許采用爆破作業(yè)。

（2）原因二

本項目位于正在運營的京滬高鐵七大主要站區(qū)之一的徐州東站兩側(cè)，行車密度最密集時約3min/趟車次，周邊建（構(gòu)）筑物較多，人車流量密集，石方爆破不僅危及鐵路運營安全，也可能對高鐵站前廣場周邊的人車造成危害。

（3）原因三

設(shè)計圖中提出“若不允許使用炸藥爆破，應(yīng)采用無振動、無沖擊波、無飛石的靜力爆破方式來破碎巖石?！?/p>

（4）原因四

原合同單價中明挖車站和區(qū)間土石方開挖僅57．15 元/m3 和69．29 元/m3，采用靜態(tài)破碎開挖可申請重新組價，提高項目經(jīng)濟效益。

4 工法介紹

4.1 靜態(tài)破碎作用原理

人工或機械鉆孔后，將靜態(tài)破碎劑用適量水調(diào)成流動狀漿體，直接灌入鉆孔中，經(jīng)水化反應(yīng)，使晶體變形，隨時間的增長產(chǎn)生巨大膨脹壓力（徑向壓應(yīng)力和環(huán)向拉應(yīng)力），緩慢地、靜靜地施加給孔壁，經(jīng)過一段時間后達到最大值，將混凝土或巖石脹裂、產(chǎn)生裂縫，再使用破碎錘或風(fēng)鎬解小、破除，從而達到開挖的目的。

靜態(tài)破碎劑的破碎機理：靜態(tài)破碎劑是一種高膨脹性能的粉狀無機材料，以特殊硅酸鹽、氧化鈣為主要原料，配合其他有機、無機添加劑而制成的粉末狀物質(zhì)，典型的化學(xué)反應(yīng)式為：

CaO+H2O →Ca(OH)2 釋放6．5×104J 熱量

當氧化鈣變成氫氧化鈣時，其晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，會引起晶體體積的膨脹。根據(jù)測定，在自由膨脹的前提下，反應(yīng)后的體積可增長2 ～3 倍，孔隙率隨之增大，其表面積也增大近100 倍，同時每摩爾還釋放出6．5×104J 的熱量。如果將它注入炮孔內(nèi)，這種膨脹受到孔壁的約束，壓力可上升到30 ～80Mpa，介質(zhì)在這種壓力作用下會產(chǎn)生徑向壓縮應(yīng)力和切向的拉伸應(yīng)力[3-4]。

4.2 靜態(tài)破碎的優(yōu)、缺點

（1）優(yōu)點

破碎劑不屬于危險品，在購買、運輸、保管、使用上不受過多限制；施工中不產(chǎn)生震動、沖擊波、飛石、噪音、有毒氣體和粉塵等危害；在靜態(tài)爆破法施工過程中，破碎劑用水拌合后灌入炮孔即可，不需專業(yè)工種，操作方便。

（2）缺點

不適用于松散多孔體巖層和高聳結(jié)構(gòu)；與傳統(tǒng)爆破劑炸藥相比，靜態(tài)破碎劑能量不如炸藥大，施工中鉆孔多，破碎效果受氣溫及施工人員經(jīng)驗影響較大；施工效率低，破碎劑購買成本較高，施工中有噴漿和強堿性等危害。

4.3 施工工藝

施工準備→布孔設(shè)計→測量定位→鉆孔→藥劑拌和→裝藥→藥劑反應(yīng)→破碎清渣→下一循環(huán)。

5 施工方法

5.1 施工準備

（1）人員準備

項目部配置工區(qū)主任和技術(shù)人員，選擇有資質(zhì)的專業(yè)分包單位承擔(dān)本標段所有基坑石方靜態(tài)爆破工程，分包單價為185 元/m3（含稅）。

（2）機械準備

項目部為分包隊伍提供2 臺HG375D-10 空壓機和4 臺KGH3 履帶鉆機，其余小型機具（YT28 風(fēng)鉆、手持電動攪拌機等）和挖機、破碎錘由分包隊伍自帶。

（3）材料準備

經(jīng)過比選，破碎劑選用徐州中國礦大爆破技術(shù)有限公司生產(chǎn)的“保利特靜力破碎劑”，單價為3600 元/t。

5.2 布孔設(shè)計

依據(jù)靜態(tài)破碎布孔參數(shù)表及相關(guān)靜態(tài)破碎經(jīng)驗，結(jié)合實際巖層及工程量情況，按中硬度巖石參數(shù)應(yīng)選擇淺孔破碎參數(shù)。但本工程石方靜態(tài)破碎量達6．5 萬方，方量較大，采用常規(guī)淺孔破碎工期無法保證，因此在施工前對中深孔破碎方法進行了試驗，中深孔破碎的主要思路為鉆大孔、小孔距、大排距，起到同排裂開成條狀切割方法，切割后采用機械破除，試驗證明中深孔一次破碎方量大，破碎劑單耗較淺孔破碎并未增加，所以決定在刷坡位置用手持風(fēng)鉆采用淺孔破碎，基坑中部采用淺孔和深孔破碎相結(jié)合的方法施工。

（1）淺孔靜態(tài)破碎參數(shù)：孔深H=2m，孔距35cm，排距35cm，孔徑40mm，沿坑窩側(cè)布三排眼共45 個孔、寬度范圍5m，破碎方量約10．5m3，破碎劑使用量15kg/m3。單孔裝藥量3．5kg。

（2）中深孔靜態(tài)破碎參數(shù)：孔深H=5m，孔距40cm，排距80cm，孔徑70mm，三排眼共38 個孔、寬度范圍5m，破碎方量約60m3，破碎劑使用量15kg/m3。單孔裝藥量23．7kg。

5.3 測量定位及鉆孔

由測量組放出開挖范圍線，并用紅油漆按設(shè)計的孔距在巖石表面標識清楚，準備施鉆。淺孔采用手持風(fēng)鉆成孔直徑Φ40mm 孔，中深孔采用Φ70 潛孔鉆機鉆孔。成孔后對孔口進行有效保護，避免雜物調(diào)入孔內(nèi)堵塞。

孔徑：孔徑越大則藥效的膨脹壓也越大，但由于孔間距也相應(yīng)較大而使切割面平整度下降，對于平整度要求較高的邊坡坡面等增加了修整工作量，而孔徑過小又因打孔太密而不夠經(jīng)濟，綜合諸種因素，故邊坡刷坡孔采用YT28 風(fēng)鉆打設(shè)40mm 的孔洞，以保證邊坡的坡率和平整度，其余部位采用打設(shè)40mm 和70mm 孔洞相結(jié)合的方式進行，加快施工進度。

孔深：孔深按照布孔設(shè)計打設(shè)。

鉆孔方向：鉆孔方向要根據(jù)破碎現(xiàn)場結(jié)構(gòu)狀況而定。一般盡可能鉆垂直孔，鉆孔施工和填充破碎劑方便。但是為了達到最佳破碎效果，也可在適當部位上鉆水平孔、斜孔和向上孔。

5.4 藥劑拌和及裝藥

先將按重量比為28-35%的水倒入容器中，然后加入SCA，大量用手持電動攪拌機，小量用手工拌制（用手攪拌要戴橡膠手套），攪拌成具有流動性的粘稠狀漿體。再采用人工裝入鉆孔內(nèi)。攪拌時間以破碎劑攪拌均勻為宜控制，具體攪拌時間進行現(xiàn)場試驗確定。

5.5 藥劑反應(yīng)

藥劑反應(yīng)的快慢與溫度有直接的關(guān)系，溫度越高，反應(yīng)時間越快，反之則慢。氣溫較低，藥劑反應(yīng)時間會延長，反應(yīng)時間太長會給施工帶來不便。一般解決辦法是加入保溫劑和提高拌和水溫度。保溫劑加入過多，也會降低藥劑膨脹力。拌和水溫可根據(jù)實際適當提高，但最高不可超過40℃，否則可能沖孔。反應(yīng)時間一般控制在30 至60 分鐘為較好，條件較好的施工現(xiàn)場可根據(jù)實際縮短反應(yīng)時間，以利于施工。藥劑反應(yīng)時間過快易發(fā)生沖孔傷人事故，可使用延緩反應(yīng)時間的抑制劑。藥劑反應(yīng)過程中，作業(yè)范圍必須進行警戒防護，設(shè)置警戒標示，嚴禁人員進入。

5.6 破碎清渣

根據(jù)理論藥劑反應(yīng)時間，由原裝藥人員檢查藥劑反應(yīng)效果，待藥劑完全反應(yīng)、巖體被漲開形成裂縫后，解除施工警戒范圍，采用PC450 破碎錘破除翻倒、解小，挖機配合場內(nèi)倒運，騰出工作面并進入下一循環(huán)。

6 施工安全措施

（1）無關(guān)人員不得進入施工現(xiàn)場。

（2）采用具有腐蝕性的靜態(tài)破碎劑時，灌漿人員必須戴防護手套和防護眼鏡。孔內(nèi)注入破碎劑后，作業(yè)人員應(yīng)保持安全距離，嚴禁在注孔區(qū)域行走。

（3）在相鄰兩孔之間，嚴禁鉆孔與注入破碎劑同步進行[5-6]。

（4）靜態(tài)破碎時，發(fā)生異常情況必須停止作業(yè)，待查明原因并采取相應(yīng)措施確保安全后，方可繼續(xù)施工。

（5）在藥劑灌入鉆孔到巖石開裂前，不可近距離直接面對已裝藥的鉆孔。藥劑灌裝完成后，蓋上麻袋或棕墊，遠離灌裝點。觀察裂縫發(fā)展情況時應(yīng)更加小心。此外施工現(xiàn)場應(yīng)專門備好清水和毛巾，沖孔時如藥劑濺入眼內(nèi)和皮膚上，應(yīng)立即用清水沖洗，情況嚴重者應(yīng)立即送醫(yī)院檢查治療。

（6）在破碎工程施工過程中需要改變和控制反應(yīng)時間時，必須依照規(guī)定加入抑制劑或觸發(fā)劑，并按要求配制使用，嚴禁擅自加入其它任何化學(xué)物品。

（7）嚴禁將破碎劑加入水后裝入小口容器內(nèi)。

（8）剛鉆完孔或剛沖孔的鉆孔，孔壁溫度較高。應(yīng)確保溫度正常符合要求并清洗干凈后才能繼續(xù)裝藥。

（9）破碎劑在運輸和儲存過程中應(yīng)防潮，開封后應(yīng)立即使用。如一次未使用完，應(yīng)立即扎緊袋口，需用時開封。破碎劑嚴禁與其它材料混放。

（10）使用破碎劑前確保操作人員對說明書已仔細閱讀并理解。

（11）位于地下水以下的鉆孔裝藥需先將套筒插入鉆孔內(nèi)，然后往套筒內(nèi)裝藥，從而使藥劑發(fā)揮最大的效力。

（12）裝藥順序從臨空面開始逐孔逐排順序裝藥，當一次藥量較大，裝藥時間超過2 個小時，臨空面采取防護措施，作業(yè)人員遠離臨空面，防止裝藥過程臨空面先裝孔產(chǎn)生反應(yīng)，發(fā)生臨空面漲裂滑塌現(xiàn)象。

7 經(jīng)濟效益分析

本合同段靜態(tài)破碎范圍沿線構(gòu)建筑物多，其中DK22+167 ～DK22+317 段沿線北側(cè)緊鄰高鐵西廣場地下停車場結(jié)構(gòu)側(cè)墻、南側(cè)緊鄰公交站臺及鉑驪四星級酒店；DK22+317 ～DK22+370 段下穿站前高架橋、緊鄰高鐵站臺及高鐵西出站口。為確保京滬高鐵運營線周邊旅客、設(shè)施安全、酒店運營，夜間不得進行鉆孔及機械破碎等噪聲較大的工序施工。受高鐵商務(wù)區(qū)影響，白天嚴禁出渣、夜間出渣時間受限且經(jīng)常禁止出碴，為了創(chuàng)造后續(xù)工作面必須在場地內(nèi)堆渣倒運，施工進度緩慢，結(jié)合以往施工進度，所以按平均3000m3/月開挖方量進行計算，每月管理人員工資及其他措施費約100000 元，機械折舊和電費約50000 元，計算如下：

每月靜態(tài)破碎產(chǎn)值：3000（m3）×280（元/m3）=84萬元

扣除分包費用和其他費用：840000-185×3000-100000-50000=13．5 萬元

每方純利潤：135000/3000=45 元/m3

總利潤：45（元）?65000（m3）=292．5 萬元

8 結(jié)論和建議

8.1 結(jié)論

靜態(tài)破碎工藝解決了在某些特殊情況及特殊環(huán)境下不允許使用常規(guī)炸藥爆破來拆除構(gòu)筑物及對巖石、礦石的開采這個長期存在并造成困擾的難題。土石方工程中針對不能炸藥爆破和深基坑巖石破碎效率低等復(fù)雜環(huán)境和要求很高的條件下，沒有臨空面的深基坑內(nèi)也能獲得理想的靜破效果?；邮狡扑榭墒褂脺\孔和中深孔結(jié)合的方法進行施工，但在一些名貴礦石開采或破除少量混凝土結(jié)構(gòu)時，盡量選擇小型機具打設(shè)淺孔，同時減小孔距和排距的方式進行。靜態(tài)破碎是一種新型的爆破方法，它是常規(guī)炸藥爆破的一種發(fā)展、延伸，雖然靜態(tài)爆破技術(shù)現(xiàn)階段在中國還沒有炸藥爆破技術(shù)那樣廣泛應(yīng)用，但也應(yīng)當看到靜態(tài)破碎它的前景是非常光明的[7-8]。

8.2 建議

破碎劑雖使用塑料口袋封裝，但存放時仍要防潮、防水，一次購買量不宜過多。巖石預(yù)裂需要有足夠的臨空面。自由臨空面可以減少膨脹所需要壓力、有效提高靜態(tài)破碎劑的使用效率，同時加快開挖速度。施作的鉆孔應(yīng)及時進行保護。先前施工好的鉆孔，應(yīng)及時的填塞孔口，以防止其他雜物掉入孔中，影響后續(xù)的工作。根據(jù)現(xiàn)場情況分多個工作面進行。因為每個工作面在施工時，最好一次開裂一層巖石，然后再進行另一區(qū)域的巖石，這樣可以進行時空輪換，增加工效，降低施工成本。要根據(jù)不同的氣溫選擇不同類型的破碎劑，不同型號不可混用，冬季氣溫較低時，可采用熱水拌和。使用靜態(tài)破碎劑進行裝孔后，防止高溫造成噴孔傷人，要求操作工人佩戴護目鏡和防護手套[9-10]。