静力爆破施工技术在隧道基坑开挖过程中的应用实践

文/宛志寰

1 前言

在我国经济建设飞速发展的大背景下，城市隧道等交通基础设施的建设需求日益增长。在城市隧道开挖过程中，复杂的地质条件、严苛的施工环境等不利情况频繁出现，施工噪音、机械振动等受到严格限制。传统的机械破除方式施工效率低、施工噪音大，常规的爆破方式产生的振动、冲击、飞石等影响难以消除。相对而言，静力爆破具有对环境扰动小、爆破药剂无污染的优势。因此，将静力爆破施工技术应用在隧道基坑开挖过程中，可实现工程效益的优化与提升。

2 静力爆破的破碎机理

静态黏结剂也被称为静态动力剂，是一种粉末建筑材料，是用特殊硅酸盐、氧化钙和某些复合催化剂按一定比例混合而制成，使用时无须使用炸药就能打破岩石和混凝土等易碎材料。其动力支撑的原理如下：静态黏结剂与水按一定比例混合后，由于静态黏结剂中的氧化钙与水的水合反应，注入加农炮孔后，产生的氢氧化钙体积可膨胀3～4 倍；与此同时，当膨胀压力超过孔壁的拉伸强度时，会释放每孔6.5×104j的热量，从而在孔壁上施加30MPa 至50MPa 的膨胀压力。在孔壁切向拉伸应力的作用下，孔壁产生径向上升的裂纹，而裂纹扩展导致相互连接，导致岩石断裂，具有典型的脆性断裂。因此，静力破碎机理是基于岩石等易碎材料的物理性质。

3 基坑开挖技术特点

基坑开挖过程技术运用特点如下:

第一，具有区域性特点。如果地质条件、水文信息和环境特点存在差异，那么对于基坑开挖提出的要求各不相同。即使同一城市当中的工程建设，地质条件也各有不同。因此，基坑开挖之前，需要对施工区进行全面考察，按照地质条件完成施工计划和方案的制定，保证施工技术应用符合区域实际情况。

第二，具有临时性特点。基坑开挖施工阶段，临时性特点体现在基坑支护系统当中。该系统所属连续结构，和永久性支护系统相对比，在安全系数、稳定系数等方面呈现出不足。所以，基坑开挖阶段，应该注意对支护系统全程监测，并建立应急措施，保证对意外事故能够及时处理[1]。

第三，影响环境。基坑开挖会导致周围环境受到破坏，同时，开挖施工阶段，还会使地下水位发生变化，地基应力场也可能发生变化。受多种因素影响，基坑会出现不同程度的变形，周围土体也会受力不均衡，对于地下管道、周围环境也会产生不同程度影响。

4 土方开挖基本原则

在挖掘土方前，按照基坑的开挖深度、支撑形式、开挖几何尺寸、基坑规模、基坑加固条件和平衡、对称、分布、分层的原则提出可操作的、详细的开挖与支撑施工参数与施工程序。最为重要的施工参数为一层开挖的深度以及对应的开挖层数，还包括挡墙被动体在完成土地开挖但未进行支撑时暴露的高度、宽度与时间。土方开挖应遵循先撑后挖的原则，严令禁止超挖。

5 隧道基坑开挖静力爆破技术应用

5.1 工程地质条件及周边环境

南京沿山大道一期锦绣路隧道工程场地隶属丘岗─坳沟地貌单元，主要地层为：一层为近期人工堆填的杂填土和素填土；二层为Q4 冲积形成的新近沉积黏性土；三层为Q3 及以前冲积形成的黏性土（下蜀土）；四层为冲积形成的卵砾石混粉质黏土；五层为白垩系上统浦口组（K2P）强风化砂岩、中风化砂质泥岩、中风化砂岩。

以桩号K1+995 为界，分界点北侧中风化基岩埋深较深，隧道基础位于黏土层及强化风岩层；分界点以南中风化基岩埋深较浅，深度约为2～5m，隧道基础位于中风化基岩。岩体强度约50MPa 左右，属于次坚石。

锦绣路隧道西侧沿线埋设电力隧道，东侧零星分布建筑物及构筑物。电力隧道走向基本与现状沿山大道平行，结构外尺5.65×3.6m，平均埋深5.6m，与锦绣路隧道平均净距离约为6.2m。东侧浦厂二村住宅小区位于规划锦绣路交叉口北侧，与锦绣路隧道结构边线最小距离约为23m。

5.2 锦绣路隧道工程概况

沿山大道一期交通及环境提升工程全线总长4550m，设置一条车行长隧道为锦绣路隧道。隧道标准断面采用双向六车道，隧道暗埋段长度1260m，北侧敞开段长度140m，南侧敞开段长度160m。

隧道敞开段主体结构采用U 槽结构形式，结构外轮廓宽度27.7～38.2m，采用明挖顺作法施工，开挖深度1.19～8.88m 不等。暗埋段采用双跨矩形框架+中间廊道结构，结构外轮廓尺寸28.7×7.95m，采用明挖顺作法施工，开挖深度8.43～11.37m 不等。

锦绣路隧道敞开段基坑宽度27.7～38.2m，开挖深度1.19～8.88m；暗埋段基坑宽度28.7m，开挖深度8.43～11.37m。本工程场地内主要分布有粉质黏土及风化岩，且地下水较少。根据基坑开挖深度及周边环境，本工程支护桩形式主要分为放坡开挖和垂直支护。

北侧敞开段开挖深度范围内主要为风化岩，采用1∶0.5 放坡开挖；南侧敞开段开挖深度范围内主要为填土及黏性土，采用1∶1 放坡开挖。暗埋段开挖范围内主要为填土及黏性土，支护桩采用φ1000@1400 灌注桩；暗埋段开挖范围内主要为风化岩，支护桩采用φ800@1600 灌注桩。

5.3 土方石工程爆破技术的应用

5.3.1 钻孔布置

根据基坑平面布置形式，选择由首道混凝土支撑、连系梁、冠梁所围合的三个相邻矩形区块作为一个预裂单元。为了降低振动扰动对围护桩等的影响，预先设置掏槽眼、崩落眼和周边定向致裂眼。首先通过中部掏槽眼预先致裂岩体，产生临空面，临界掏槽眼进一步扩大临空面；然后通过崩落眼进一步开挖掘进隧道岩体至基坑桩基础安全半径范围；最后通过周边定向预裂眼确定石方开挖轮廓线，并保证边沿平整。

5.3.2 装药与堵塞

炸药填充必须注意以下两个方面:第一，在装载前必须采取相应的清理措施，以清理垃圾，如泥、石粉等。应确保钻孔中没有碎片，从而确保爆炸的顺利进行。此外，必须相应地清理钻孔，以避免出现诸如爆炸物湿度等问题，这些问题不仅可能影响爆炸效果，而且可能导致安全事故。因此，如有必要，也可以在钻孔底部铺上油纸。如果是散装炸药，应多次装载，然后压缩[2]。如果使用药箱，则应根据相应的技术要求和技术指标放置药箱，以确保正确安装引线。在装载炸药后，使用细石粉堵塞装载炸药留下的间隙，同时注意长度控制不应低于最小电阻线。装药时，应控制人员进出现场，严格禁止非有关人员随意进出，明确区分安全区和危险区，并设置相应的警戒线和标志，以提高装药安全。工作人员必须具备充分的技术知识，严格控制其行为，并确保有效地履行职责。相邻踏板不能在上部踏板爆炸时执行其他操作。

5.3.3 在施工过程中控制除尘措施

钻井过程中产生的粉尘是产生粉尘的主要方式。工程石材部分动力运行中的钻孔机是先进的集成液压钻孔机，该模型比传统高压钻孔机具有较大优势。一是液压传动功率输出稳定，钻孔速度均匀，孔壁光滑。二是大型吸尘装置与钻具一同使用，钻孔清洗方法由原来的吹孔法改为吸孔法，孔内的石粉由吸尘器吸入吸尘装置，并且爆炸时，炮孔附近的岩石被挤压变形产生小颗粒，但爆炸力主要作用于岩石体，造成大量断裂，从而使山体碎裂。在施工过程中，可采用下列爆破方法减少粉尘的产生：一是均匀布孔，控制单孔药物用量和初级起爆粉用量，增加炸药能量的使用；二是采用微差射技术；三是根据岩石的性质选择合适的炸药，并努力与岩石波浪的阻抗相匹配；四是由于石爆一般位于开阔地带，产生的少量粉尘在自然条件下会迅速扩散，粉尘由雾气喷射，不会导致单位面积空气质量急剧下降。

在爆炸结束时和现场解除警戒后，计划安排喷砂机在爆炸后将零件浇筑成石块，以减少在大型颗粒碎石连接过程中以及在火炮机器装载石块过程中产生的灰尘。

6 结语

总之，在基坑土石方开挖过程中，由于会受到周边环境以及岩石硬度等因素的制约，需要对静力爆破技术加以应用。静力爆破方法不产生震动，没有飞沙走石，爆破过程不产生有毒有害物质，具有对环境无污染和对周边环境无干扰的优点，应用前景广阔。另外，爆破技术具有一定的危险性，对此，相关施工单位不但要落实好相应的技术控制，还要实行安全管理，在整个爆破流程中对其进行监督，杜绝安全事故的发生。