繁华地段穿越运营地铁车站基坑静态爆破施工技术*

曾小明，罗桂军，汪庆桃，曾 凯

(1.中建五局 土木工程有限公司, 湖南 长沙 410004; 2.国防科学技术大学, 湖南 长沙 410072)

繁华地段穿越运营地铁车站基坑静态爆破施工技术*

曾小明1，罗桂军1，汪庆桃2，曾 凯1

(1.中建五局 土木工程有限公司, 湖南 长沙 410004; 2.国防科学技术大学, 湖南 长沙 410072)

静态爆破具有无噪声、无毒气、无振动、无飞石等特点，在某些对爆破灾害控制要求非常严格的工程中得到了较为广泛的应用。结合长沙市地铁3号线火车站站基坑开挖工程实例，详细介绍了静态爆破施工技术在繁华地段穿越运营地铁车站基坑开挖中的应用，并对静态爆破的施工工艺和施工安全措施及注意事项进行了详细的分析。实践证明，静态破碎配合人工破碎施工时间大约为14 d，费用共15万元，具有较好的工期和经济效益。

地铁车站；基坑开挖；静态爆破；施工技术

0 引 言

静态爆破技术亦称静态膨胀(破碎)技术，最早于日本开始研究，到20世纪80年代，静态膨胀技术在安全性、反应时间、工程应用等方面取得长足的进步，并在日本得到了广泛的应用。为了适应现代化建设的需要，从1980年开始，我国武汉建材学院(现武汉理工大学)开始研究现代静态破碎技术，并于1982年成功研制JC-1系列静态破碎剂。

静态破碎的原理为氧化钙与水发生化学反应生成氢氧化钙，在此过程中放出大量热，且其体积快速膨胀，对周围介质产生压应力，当压应力超过介质材料的屈服强度时，材料即会发生破碎[1-3]。且破碎过程无声音、无飞石、不产生振动，生成的氢氧化钙产物没有毒性，对周围的环境不会造成污染[4-6]，所以静态爆破技术基本不产生爆破灾害，能有效的保护周围结构。随着社会的发展，城市建设呈立体发展的趋势，在多数情况下，对爆破灾害控制要求都非常严格或根本不允许进行爆破作业，但是采用机械法等其他作业方法时施工效率很低，工期很长，而静态爆破技术能极大的发挥其效应能。

长沙地铁3号线火车站站下穿正在运营的地铁2号线，在车站基坑开挖过程中必须确保2号线的正常运营，所以其安全要求非常高。本文以此工程为背景，详细阐述静态爆破施工技术及施工工艺，其相关做法可为类似的工程提供参考。

1 工程概况

1.1 周围环境

长沙火车站地处中心城区的繁华地带，东临火车站，西侧为住宅、商场等，车流量大，人流量极大。车站设计范围为车站设计起点里程YCK23+440.920至设计终点里程YCK23+628.520，包括车站主体和出入口通道、风亭等设计。周围环境如图1所示。

本车站为地下三层双柱岛式站台车站，设计站台长度118 m，站台宽度14.8 m。车站外包总长187.6 m，标准段外包总宽23.7 m，总建筑面积17047.16 m2。地下一层为车站站厅层，地下二层为车站设备层，站台位于地下三层。车站埋深23.61 m，顶板覆土3.3 m，轨面标高13.728 m，站厅净高4.5 m，设备层净高6.11 m，站台层净高4.7 m，在车站范围内由北向南设置0.2%的纵坡。

车站主体结构采用明挖法+局部盖挖顺作法施工，已建2号线车站北侧(大里程端)主体结构采用明挖法施工；南侧盾构井(小里程端)西南角铺盖处采用盖挖顺作法施工，其余部分为明挖施工；附属结构全部采用明挖法施工。

1.2 工程地质

根据《长沙市轨道交通3号线一期工程KC-2标段长沙火车站岩土工程详细勘察报告》，地层层序自上而下依次为：杂填土、粉质粘土、圆砾、粉质粘土、强风化泥质粉砂岩、中风化泥质粉砂岩等。本车站基坑开挖采用明挖法+局部盖挖法施工，基坑总体开挖原则是已建2号线主体南、北两侧对称开挖，保证卸载平衡。南侧基坑为由北向南整体分层开挖，北侧基坑为由南向北分段分层开挖。杂填土、粉质粘土、圆砾、粉质粘土等地层直接由挖机挖掘。强风化泥质粉砂岩为紫红色，泥质胶结，成岩矿物显著风化，岩石组织结构已大部分破坏，但原岩结构清晰，岩石风化节理裂隙很发育，岩芯多呈土夹碎块状，岩块用手可折断，合金钻进速度一般，遇水易软化。中风化泥质粉砂岩为紫红色，粉细粒结构，中厚层状构造，泥质胶结，岩屑成分主要为粉细砂，岩石组织结构部分破坏，少部分矿物风化变质，节理裂隙发育且密闭，多为钙质或泥质物充填，裂隙面见褐色铁锰质浸染，岩芯上偶见溶蚀小孔，岩芯较完整，多呈柱状，偶呈块状，锤击声较脆，属极软～软岩，岩体基本质量等级为Ⅴ类。强风化和中风化泥质砂岩交错分布，挖机在挖掘过程中，效率很低，很多区域尤其是紧邻既有2号线区域，挖机无法挖掘。在施工过程中，既有2号线一直在运营，必须确保其安全，且基坑周边人流、车流极多，交通十分拥挤，传统爆破法虽然作业效率高，成本低，但是爆破危害较难控制，尤其是在如此复杂的情况下进行爆破作业，存在着很大的安全风险。而机械破碎方法，虽然较为安全，但是作业效率很低，工期又无法满足要求。静态爆破技术具有无声、无振动、无飞石、无毒气、无冲击波等特点，施工较为安全，且其作业效率比机械破碎法明显提高，比较适合于本工程。

图1 长沙火车站平面位置

2 静态爆破施工工艺

目前，国内外绝大部分破碎剂，基本都是以CaO为其主要成分。在使用时，CaO与水发生水化反应，生成Ca(OH)2，同时产生体积膨胀。一般来说，在自由膨胀条件下，CaO经充分水化反应生成Ca(OH)2，体积可增加2～4倍。如果把其装填在密闭炮孔内，则体积膨胀会在炮孔上产生很大的压力，当此压力大于周围岩石的强度时，岩石就会发生破碎[3]。静态爆破施工工艺流程一般为：施工准备——炮孔参数设计——药剂配置——装药——养护5个阶段。

2.1 施工准备

施工前必须对周围环境、岩石的地质情况、施工要求等条件调查清楚。根据当地环境、爆破对象的实际情况进行静态破碎剂的选型，设计好炮孔的孔网参数，并配置好相应的机械设备等。从静态爆破的原理可以看出，破碎剂的膨胀压力是其重要的一个技术参数，其大小与破碎效果直接相关，在很多工程施工中，岩石没有破碎或破碎效果不好，其原因大都与膨胀压力值达不到要求相关。一般来说，膨胀压力的大小与下面几个因素有关：

(1) 时间：破碎剂装填到炮孔内之后，膨胀压力不会立即达到最大值，一般会有一个增长的过程。膨胀压力的增长速度，主要取决于破碎剂的水化反应速度，水化反应速度快，膨胀压力增长的快，周围介质破裂的时间也相对较短。反之，则会使破裂时间增长。水化反应速度主要受环境温度、氧化钙粒度和活性度以及水灰比等因素的影响[1]。

(2) 温度：环境温度对破碎剂破碎效果影响很大，同一种破碎剂在不同温度条件下使用时，水化反应时间大大不同，在相同时间内产生的膨胀压力可相差1倍[4]。因此，应根据不同的环境温度开发相对应的产品，如SCAⅡ型静态破碎剂适用的温度为10℃～25℃，根据相关实验结果，在同样的条件下，若分别在温度13℃和20℃使用时，产生的膨胀压力也将相差1倍[4]。所以在施工之前，根据不同的环境温度选择合适的破碎剂型号，对于破碎效果有着很大的影响。

(3) 水灰比：即添加水的重量与破碎剂的重量之比。水灰比范围一般在0.2 ～0.38之间。随着比值增大，药剂的流动性增大，更便于装填，但是膨胀压力将会减小。若比值减小，则药剂的流动性较差，装填起来比较困难，效率也较低。大量的研究表明，常用的水灰比为0.3左右。由于破碎剂与水搅拌均匀后，即会发生水化反应，同时流动性会逐步丧失，因此要尽快进行装填[2]。

(4) 孔径：膨胀压力随着孔径的增大而增大，国内生产的破碎剂，相比国外的来说价格要低，但是反应时间较慢，最大膨胀压力也较小。当前国内用的比较多的孔径范围一般为30～50 mm。在这个范围内应用时，装药工艺比较简单，一般不需要采取特别的措施，而且大部分均能够满足要求。在某些特殊的情况下，为了获得较大的膨胀压力，会采用较大的孔径。随着孔径的增大，膨胀产生较大的压力容易导致冲孔的发生[5]，这时，要采用特殊的堵塞方法。

2.2 炮孔参数设计

(1) 孔径：根据本工程情况选用42 mm孔径，用手持式风动凿岩机YTP-26钻取。

(2) 孔距(a)与排距(b)：a、b的大小与施工成本及破碎效果直接相关。一般来说，a、b值越大，单位面积上钻孔数量越少，钻孔成本及药剂成本均会下降。但是，随着a、b值的增大，岩石破碎块度也越大，当大到一定值时，甚至不能有效破碎岩石。所以，从理论上分析存在一个最佳的a、b值。a、b值大小与破碎剂的膨胀压力及岩石力学性能相关，为了确定较优的a、b值，一般在施工前要通过现场试验确定。本工程项目围岩性质为强风化/中风化泥质粉砂岩，岩体基本质量等级为Ⅴ类，根据实验结果，a、b值宜为300～500 mm。

(3) 钻孔深度(H)：H跟破碎效率直接相关，H太大，对钻孔精准度要求较高，口部稍有偏差，底部可能偏差就很大，造成破碎效果不好；相反，H太小，破碎效率低，经济效益差。一般来说，在钻孔之前，应该尽可能的创造出多个自由面，根据本工程岩石性质及所采用的钻孔设备，H为1.5～2.0 m。

2.3 药剂配置

首先准备好盛装破碎剂的容器，先把水倒入容器中，水的重量约为破碎剂重量的30%，然后再加入破碎剂，用木棒或手提式搅拌机充分搅拌均匀，使其流动性和稠度适中。需要注意的是，若水的温度较低，或者气温小于5℃时，宜先把水的温度加温至40℃左右时再进行配置。

2.4 装 药

装药是静态爆破的一个关键环节，其质量的好坏直接决定了破碎效果的好坏。在装药之前须先清孔，即先等孔内温度下降到一定程度后，清除孔内残渣等杂物，这个过程一般可以用风管吹。装药过程务必要迅速，这是因为搅拌好的破碎剂浆液已经在发生化学反应，经过一定的时间就会硬化。此外，灌注浆液必须要装填密实，可以边装填边捣实，直至把整个炮孔填满[6]。

2.5 养 护

装药完成以后，经过一定的时间，破碎剂即进入膨胀状态。这个过程中必须要进行养护。在夏季温度较高时，可以用沙袋、草席等对孔口进行一定的覆盖，防止药剂在膨胀过程中从孔口喷出。在冬季，气温一般比较低，也需要对孔口进行覆盖，或者采用其它的加温方法，以使孔内保持一定温度，从而加快破碎剂反应速度，确保破碎效果。养护对于确保施工安全、缩短施工工期有着重要的意义，尤其是对于本工程来说，施工班组较多，在静态爆破养护期间，还有切割班组，支护班组等在进行交叉施工，必须加强覆盖，防止意外伤亡事件的发生。实际施工时，在孔口用麻袋覆盖，上面再压上沙袋。

3 安全措施和注意事项

静态爆破虽然比起炸药爆破来说，安全性较高，但也存在一些特别需要注意的事项，否则很容易出现安全事故或者导致爆破效果达不到预期要求。

(1) 静态爆破各工序之间衔接必须紧密，有些工序存在一定的安全风险，为了减少不必要的影响因素，确保安全，必须划定警戒区域。警戒人员须坚守岗位，熟悉岗位职责，所有无关人员不得进入施工现场；

(2) 在作业之前，必须对所有施工人员进行安全教育，某些技术工种，如安全员、工班长、钻孔人员等，要进行岗前培训和考核，达到要求之后才能上岗作业；

(3) 根据岗位特点，穿戴好防护装具。例如，所有进入施工现场的必须戴安全帽，从事药剂配置、装药、养护岗位的人员必须戴防护眼镜，钻孔人员必须戴口罩等；

(4) 药剂装填直到岩石开裂之前，要防止喷孔，不可将面部直接面对已装药的炮孔。药剂装填完成后，要加强覆盖，在观察岩石裂隙发展情况时要更加小心；此外，施工现场要专门备好清水和干净的毛巾，若发生冲孔药剂溅在皮肤上，必须立即冲洗，严重者送医院救治；

(5) 严禁钻孔与装药同步进行，药剂不要一次配置过多，配置好的药剂必须在规定的时间内装填完毕；

(6) 严格遵守各项操作规程，防止冲孔的发生，冲孔产生的原因较多，大致有：操作人员操作不当，操作时间太长，药剂装填不够密实，有空气隔层等；温度控制不当，气温过高时配置药剂，炮孔孔壁温度过高；炮孔设计不合理；炮孔直径过大，且没有采用专门的堵孔器;

(7) 破碎剂在运输和储存过程中要注意防潮、防暴晒，一袋开封后尽量使用完毕，如未用完，要注意防潮。

4 效果与体会

(1) 静态爆破取得圆满成功，工程实践表明，静态爆破技术无声音、无振动、无飞石，该方法能有效保护周围结构，特别适用于对爆破灾害控制要求非常严格的工程。

(2) 静态爆破开挖与常规的机械破碎开挖或人工风镐开挖相比，具有施工安全、作业效率高、可操作性强、施工工艺简单等特点。以本工程为例，静态爆破开挖0.56万m3岩石，采用破碎剂进行静态破碎配合人工破碎施工，施工时间大约14 d，共花费15万元；采用常规机械破碎施工，施工时间大约为26 d，人工费和机械租赁费大约28万元；采用人工风镐破碎施工，施工时间大约为52 d，人工费和机械租赁费大约为30万元。因此在不允许采用爆破开挖的情况下，静态破碎配合人工破碎施工方法具有很好的经济和工期效益。

(3) 孔网参数的设计与破碎效果直接相关，在施工前，要根据所选的破碎剂及围岩性质进行试验，确定合适的孔网参数。

(4) 静态爆破具有一定的危险性，在施工期间，要加强安全教育，做好各项安全防范措施，严防事故的发生。

[1]游宝坤.静态爆破技术[M].北京:中国建筑工业出版社，2008.

[2]李 强，郑道明.静态爆破施工技术研究[J].四川水利发电，2013,32(4):7-9.

[3]王玉杰.静态爆破技术及机理研究[D].武汉：武汉理工大学，2009.

[4]栗瑞宣，傅菊根，鲁 力.静态破碎剂破碎机理研究[J].四川建材，2012,38(6):189-190.

[5]温尊礼，徐全军，姜 楠,等.新型大孔径静态破碎技术的试验研究[J].探矿工程，2013,40(5):72-74.

[6]张爱莉，姚 刚.静态爆破的设计及应用[J].建筑技术，2002(6): 420-421.

湖南省住房和城乡建设厅重点支持项目(XJS201535).

2016-09-30)

曾小明(1982-)，男，工程师，主要从事土木工程施工管理，Email：35016567@qq.com。