静态爆破技术在临近水库大坝高边坡开挖工程中的应用
张文斌、龙永平
[摘要] 在临近已建水库大坝进行岩石边坡开挖施工中，采用炸药明爆施工将存在巨大的安全隐患，易造成山体滑坡、飞石破坏水工建筑物结构等重大安全事故；采用高效静态无声爆破的施工方法能有效解决该类问题。本文通过大坝坝后边坡开挖工程实例，阐述静态爆破的工作原理及开挖工程中的施工方法、技术要求。供类似工程参考。
[关键词] 无声静态爆破 高边坡 岩石开挖
1工程概况
某水库大坝至某村段整治一期工程岸坡位于大坝下游消力池右岸岩石边坡内，施工面全长约150m，距离主坝未超过100m。河道右岸边坡陡峻，坡度大于60度；岩体为砂质板岩、泥质板岩和含云母的砂岩、石英岩，岩体层面倾角15～50度，小于坡角，加上岩层古老，且受构造运动影响，褶皱发育，节理裂隙密集，岩石破碎，岩体完整性差，岩性为(D2t)灰绿~紫红色中层状石英砂岩、粉砂岩夹薄层砂质页岩，砂质页岩夹层发育频率为3~4条/m,夹层厚0.03~0.08m。岩层表部强风化厚10.0~20.0m,岩层产状：N20°~30°E.SE∠9°，顺向坡。结构面组合对边坡十分不利，若采用施工措施不当，极易造成边坡变形失稳，出现山体滑坡。
某双牌水库大坝至某村段整治一期工程岸坡由于极靠近大坝，距大坝溢流面30m～50m，若采用炸药明爆施工，由于明爆产生的震动，将严重影响双牌水库的正常运行；同时对工程范围内的山体稳定也会造成极大的影响，造成山体滑坡或坍塌等重大安全隐患。综合工程场地所处部位和地质条件，为保证水库大坝安全和确保开挖边坡稳定，本工程水上高边坡开挖选择高效无声静态爆破的施工方案。
2无声静态爆破工作原理
高效无声静态爆破技术是近年发展起来的一种破碎（或切割）岩石和混凝土的新方法，亦称静力迫裂和静力破碎技术。高效无声破碎剂(SCA)是将铝、钙、铁、硅、硫、钛等的氧化物磨细,按比例混合，再加入相应的有机物，形成的一种遇水膨胀的静力破碎材料。其与水调成浆体灌入岩石或混凝土的钻孔中，依靠本身水化产生的膨胀压力将岩石或混凝土挤裂破碎。此方法的最大优点是不产生爆破声响、爆破飞石、爆破粉尘、爆破震动以及爆破所产生的有毒、有害气体。因此，不会对周围环境造成破坏和产生震动影响山体稳定，特别适宜于临近建筑物部位的爆破破碎或拆除作业。
3静态爆破方案设计及相关参数
静态爆破钻孔参数设计经验数结合边坡岩体本身工程地质条件、地形条件及开挖要求等因素合理地设计孔径、孔深、孔距、排距等参数。可供选择的主要施工参数见下表：
结合现场实际地质条件情况本工程右岸岸坡岩层为砂质板岩、泥质板岩和含云母的砂岩、石英砂岩属于中硬质岩，故设计适应于本工程的静态爆破参数如下：
(1)临空面距离（抵抗线）
静态破碎钻孔前首先要确定至少有一个以上自由面（临空面），钻孔做到与自由面平行；切割岩石钻孔尽量保持直线。根据本工程的岩石等级以及风化情况选定膨胀孔与临空面距离为（岩石最小抵抗线）W=300mm。
(2)孔径
膨胀孔孔径是决定无声破碎效应的重要因素，钻孔过小，不利于药效充分发挥效力；钻孔太大，易冲孔。根据本工程岩石层次等级，选定孔径d=40mm。
(3)孔间距
膨胀孔的间距与岩石的硬度有直接关系，硬度越大，孔布置间距越小，本工程为Ⅴ～Ⅹ级岩石，故孔间距选定B=300mm。
(4)孔排距
膨胀孔的孔排距跟破碎体的自由临空面的距离有直接关系，临空抵抗线小，孔排距可适当宽一点，根据现场地形选定孔排距R=200～300mm。
(5)孔深
孔深根据现场石方与承台或底板底高差确定，最小孔深控制在H=0.8m以上，本工程孔深均控制在H=1.5～2.0m。
（6）破碎层次
此施工项目是水上高边坡的岩石开挖，设计开挖坡度为i=1：0.3，钻孔施工时沿设计边坡坡度钻斜孔，呈梅花型布置，且在静态破碎时进行分层剥削进行开挖（如下图）。根据岩石硬度及静态爆破剂的膨胀效果每层破碎不能超过0.6m，宽度控制在5m左右为一个静态爆破面较优。
（7）用药量
当孔径为d=40mm,孔深为H=2m时，根据高效静态膨胀剂的密度ρ=1.8g/cm3及水灰比P=0.32:1 (0.32水：1膨胀剂)，单孔药量计算式如下：
Q=ρ*V* P/(1+P ) =ρπ*(d/2)2*H*P/(1+P )
Q——静态膨胀剂药量
ρ——高效静态膨胀剂的密度
V——炮孔体积
d——孔径
P——水灰比
H——孔深
由上式，得单孔膨胀剂药量为Q=3.425kg。
4无声静态爆破施工技术要求
1） 施工工艺流程：静态爆破施工工艺流程：施工前准备→孔位布置→钻孔→膨胀剂拌制→填充灌注→膨胀破碎→二次破碎清理。
2） 施工前准备：确定施工风水电到位及钻孔施工设备到位；根据气温、药剂温度、拌水温度、被破碎体温度、是否与静态爆破工艺要求相符合；装孔操作前确定已准备好以下材料物品：静态破碎剂、洁净水、水桶、拌和盆、桶棍、防护眼镜、橡胶手套、备用洁净水和毛巾。
3) 孔位布置：钻孔前，现场施工人员按照设计的静态破碎方案结合现场地形条件实测出各孔位，偏差不能大于5cm，并进行标记。
4) 钻孔：采用3m3移动空压机配合YT-28手持式风钻钻孔，成孔直径40mm。现场施工须严格控制钻孔位置、深度，确保达到设计要求。终孔后，孔内的余水和余渣用高压风吹洗干净，孔口旁清理干净无土石渣，并封好孔口，待装膨胀剂。
5）膨胀剂选择：目前所生产的高效膨胀剂根据不同温度发挥效果的反应时间及反应后的膨胀力度一般分为三类，根据永州市双牌水库的气候情况，施工时夜间（下午装药夜间等待反应）气温一般在13～20度之间，采用HSCA-Ⅱ型膨胀剂（材料类型及应用气温范围详见下表）。
静态破碎剂类型及应用气温范围
6）膨胀剂拌制：高效无声膨胀剂在装入孔内之前需进行人工搅拌，按水与膨胀剂重量比0.32:1下料拌制。拌制时，先分若干次把水倒入容器中加入相应数量的膨胀剂，然后用人工搅拌工具或手提式搅拌机搅拌成具有流动性的浆体。在搅拌时须带橡胶手套及防护眼罩，用力拌均匀。从药剂加入水到灌装结束，这个过程的时间不能超过10分钟，否则容易冲孔。
膨胀剂反映的快慢与温度有直接关系，温度越高，反映时间越快，反之则慢。实际操作中控制膨胀剂反映时间太快有两种，一种是在拌和水中加入抑制剂，另一种方法是控制拌和水、干粉剂和岩石的温度。气温较高时，破碎前应对被破碎物遮挡，膨胀剂存放低温处避免爆晒，将拌和水温控制在15度以下，添加适量的抑制剂。气温较低时，烧温水浇注破碎体，适当提高拌和水温。
7 ）填充灌注：拌制膨胀剂浆液以及灌入孔内须控制在10分钟以内，垂直孔可直接灌入浆液；斜孔须采用略小于孔径的塑料或木制捣棍进行捣实；水平孔，可用比钻孔直径略小的高强长纤维纸袋装入膨胀剂，按一个操作循环需要的药卷数量，放在盆中倒入洁净水完全浸泡，50秒左右药卷充分湿润、完全不冒气泡时，取出药卷从孔底开始逐条装入并捅装紧，密实地装填到孔口；也可将破碎剂拌和后用灰浆泵压入，孔口留5cm用黄泥封堵保证膨胀剂浆液不流出。
8）膨胀等待：膨胀剂浆液填充灌注完成后，马上采用彩条布或草垫进行遮盖，防止喷孔、雨水冲刷流入孔内、地表水流入孔内、同时还能起到保护孔内药剂温度的养生作用。
9）二次破碎清理：当岩石边坡沿钻孔装药线开裂后，岩石内只是产生裂开，边坡孔底高程局部没完全断裂的部位，人工清渣时，还需用风镐在岩石破裂脆弱地带进行凿缝破碎，进行清理。
5无声静态爆破施工实例
某水库大坝至某村段整治一期工程水上高边坡岩石开挖施工采用了高效无声静态爆破技术。从2011年9月18日开始施工至2011年11月3日历经47天，完成K0+019～K0+065范围内高程153m以上破碎岩层的开挖（自上而下开挖），岩石开挖工程量：2105.175 m3，开挖轮廓面、坡度均满足设计要求。
高效无声静态爆破在本工程中的应用成功的解决了前期边坡开挖与水库大坝安全、山体安全、已建水工建筑物安全的矛盾，保证了双牌水库大坝的正常运行；山体的稳定性得以保障；边坡上部已建水工建筑物安全无损。与炸药明爆施工技术相比较，虽然高效无声静态爆破效率低、持续工期长，但是安全控制方面有效的排除了炸药进行明爆施工所存在的巨大安全隐患，使得大坝、山体、双牌县城得到了充分的保证。
但在施工过程中，必须做到：
(1) 钻孔施工中，同一排钻孔的深度尽量控制在同一高程上，并与设计分层开挖高程一致，不要造成破碎后参差不齐等现象。
(2) 与膨胀孔平行的临空自由面的距离一定要控制在设计范围内。
(3) 一定要控制好温度，按当日不同时段的温度选择膨胀剂。
(4) 施工时，为确保安全，操作人员配戴防护眼镜。充填浆体过程中，应规定好行走线路，避免经过已经灌注好的炮眼时，发生冲炮现象伤害人体。
(5) 膨胀剂有腐蚀性，施工完毕后就及时洗手和洗脸，碰到皮肤后要立即用水冲洗。
(6) 在膨胀剂灌入孔内到岩石开裂前，不可将面部直接面对已装药的钻孔。膨胀剂灌装完成后，盖上麻袋或棕垫，远离装灌点。观察裂隙发展情况时必须更加小心。
(7) 施工现场须准备好清水和毛巾，冲孔时如膨胀剂溅入眼内或皮肤上，立即用清水冲洗，情况严重者立即送医院洁洗治疗。
(8) 破碎过程中，在可能预见的危险范围内不得有人，并随时提醒附近人员，以免出现冲炮后碎片飞溅砸伤人体。
6结束语
工程的实践证明：在临近重大、重要水利设施被施工标的物受炸药明爆施工限制，且将造成重大安全隐患的情况下，高效静态无声爆破施工技术是行之有效的，能有效解决明爆施工难以解决工程难题，在除险加固工程和重要地域的建筑物拆除具有广阔的推广应用前景。