水库除险加固工程中静态爆破技术的应用探讨

杨丽娜

(乌鲁木齐鑫盛开源工程项目管理有限公司，新疆 伊犁 835000)

1 问题的提出

由于设计施工条件等的限制，水库大坝施工机械设备缺乏，基本依靠人工填筑夯实，密实度与回填质量无法保证，竣工运行后坝体必将出现渗漏和沉陷等质量缺陷，泄洪洞、闸室机电设备也会出现不同程度老化，必须加固处理。在水库除险加固施工过程中，经常面临拆除部分水工混凝土建筑物或拆除新建水工建筑物附近旧建筑结构等情况。考虑到拆除过程中所保留建筑物结构的安全性，通常采用风镐、钻孔胀楔、液压破碎锤等机械及人工拆除技术，虽然能达到保护既有建筑的要求，但是施工时间长、工效低、施工成本高，一些拆除机械的使用会受到拆除现场地形和既有建筑的制约。所以，对于工期紧、地形复杂的水利工程既有建筑拆除过程中传统施工技术的应用受到很大限制，为此，可以考虑采用静态爆破技术进行病害导流墙混凝土结构等的拆除，既能充分保证周围建筑结构的安全，又能加快施工进度，控制拆除施工成本。

在静态爆破施工过程中，静态破碎剂类型的选择和用量的确定是静态爆破拆除效果控制的重点，与常规炸药不同的是，静态破碎剂主要应用种子原理实现对硬度较大岩石和混凝土构筑物的破碎。氧化钙是静态破碎剂中较为重要的成分，其主要发挥化合物催化剂的作用，即通过氧化钙和相应化合物的充分混合，并按设计比加入水后便会发生化学反应，导致静态破碎剂温度快速升高、体积快速发生膨胀，膨胀后的压力传递至孔壁后还会持续且迅速增大，从而在相对安静的状态下实现对岩体和混凝土等硬质物质的破碎。

2 水库除险加固静态爆破方案设计

水库拱坝坝体所出现的横向及水平裂缝加固处理施工过程中，必须确保拱坝稳定，尽可能避免基础开挖爆破对拱坝可能造成的不利影响。考虑到静态爆破技术具有振动小、烟尘少、飞石少、施工扰动小等优势，决定对水库拱坝坝基进行静态爆破开挖，基岩在静态爆破剂的作用下发生涨裂，再由施工人员通过冲击锤或风镐进行敲击与破除，达到坝基基层开挖的目的[1]。

2.1 爆破钻孔参数确定

为保证爆破效果，必须根据水库拱坝坝基地质条件、开挖具体要求等进行孔径、孔距、排距、爆破剂填装量等参数设计，地层岩性与爆破钻孔参数的对应关系详见表1[2]。

表1 爆破钻孔参数

水库拱坝坝基岩层主要是砂砾石板岩、泥质板岩等中硬质基岩，所以坝基静态爆破主要参数设计如下：

1)孔径：静态爆破孔孔径对破碎效果影响较大，若孔径过小，则爆破剂力无法充分发挥，若孔径过大，则很容易发生冲孔，结合水库拱坝坝基岩层等级及开挖要求，确定孔径为50mm。

2)孔距与排距(抵抗线距离)：爆破孔的间距应根据岩层硬度确定，且与岩层硬度反方向变动，硬度越大则爆破孔间距越小，由于水库坝基岩层主要为砂砾石板岩、泥质板岩等中硬质基岩，故确定孔距为200mm。静态爆破孔排距(抵抗线距离)主要根据自由面距离、基岩硬度、混凝土强度和布筋等情况确定，自由面抗线少，基岩硬度越大，混凝土强度越高，布筋越密则排距宽，根据水库坝基自由面情况，确定孔排距为150mm。

3)起爆顺序与布孔：布孔前必须确定自由面，并保证钻孔方向平行于自由面，坝基岩石切割时同一排钻孔必须位于同一平面。爆破开挖遵循先外围后中间、先上后下、先角后边的次序，确保爆破效果，防止无序爆破对其他结构的破坏[2]。静态爆孔的布设应该综合考虑孔位、孔距、孔形、结构强度、起爆顺序等方面，考虑到水库拱坝坝基岩层特性以及起爆次序，为提升爆破效果，降低对自由面的影响等，水库除险加固工程静态爆破孔按梅花形布设，详见图1。

图1 爆破孔布设示意图

2.2 静态爆破剂的确定

静态爆破剂主要以硅酸盐和氧化钙为原料，配合以其他添加剂而制成，氧化钙遇水变成氢氧化钙后，其晶体结构因改变而体积膨胀至原来的4-5倍，表面积将增加至少100倍，同时释放出每摩尔6.8×104J热量，将静态爆破剂注入炮孔后所发生的这种膨胀反应因受到孔壁约束，其压力甚至会上升至55MPa，介质受压迫后所产生的压缩应力和拉应力引发基岩破碎[3]。

当前存在三种类型的静态爆破剂，其在环境温度、爆破压力、爆破力度和爆破效果等方面存在较大差异，具体见表2。水库所在托喀依乡年平均气温10.7℃，静态爆破过程中下午填装爆破剂夜间等待反映，施工期内夜间气温在10℃-14.6℃，考虑到环境施工温度及坝基爆破所要求的爆破压力，选用HSCA-Ⅱ类静态爆破剂。

表2 静态爆破剂类型及适用范围

3 水库除险加固工程静态爆破施工

3.1 钻孔

根据静态爆破方案设计以及被破碎基岩的硬度、强度，钢筋排列密集度等，水库大坝坝基开挖爆破钻孔施工应使用直径45-55mm的钻头，采用移动空压机配合YT-28式手持风钻钻孔，钻孔施工前，应用高压风机将孔洞内余水和余渣吹干净，确保孔内内外的干净。大坝坝基混凝土和基岩钻孔深度应控制在目标破碎体的85%以上。

3.2 爆破剂的拌制与填装

将单位孔洞内的爆破剂用量倒入盆中，按10∶0.25(爆破剂:水)的比例加水并用手提式拌和机人工搅拌为湿而松散的流动性浆液后注入孔洞，并捣实，爆破剂装填深度必须达到孔深。为确保爆破剂装填质量，防止冲孔，从爆破剂与水混合至灌注结束不能超过10min。而对于水平方向的孔洞，应将爆破剂装入高强度长纤维纸袋内，并将爆破剂卷浸泡在盆内清水中50s使其充分浸润，无气泡产生后取出并从孔底依次密实装填。爆破剂反映的时间直接受到环境温度的影响，温度越高则所需的反应时间越长，水库除险加固工程大坝坝基爆破开挖施工过程中，如遇环境温度升高，应在破碎前遮挡破碎物，并将爆破剂存放于低温环境下，控制拌合水温度在15℃及以下。

3.3 爆破剂反应

将静态爆破剂注入炮孔后所产生的膨胀反应引起基岩裂缝后，为支持爆破剂持续反应，应迅速向裂缝中加水，使裂缝持续增大。为缩短爆破剂反应时间，应在炮孔内加入保温剂，同时将拌合水温度控制在30℃-40℃，反应时间控制在30-50min。为确保静态爆破质量，严禁边打孔边填装爆破剂，打孔和爆破剂填装必须分开且一次性完成，打孔结束，清洗完成，待孔壁温度降至适宜温度后进行爆破剂填装。

静态爆破完成后，所破碎和开挖出的石块用炮锤式挖掘机破碎后，通过自卸汽车装运至指定的弃石场。

4 结 论

水库拱坝坝基静态爆破开挖技术的应用充分保证了水库除险加固前期边坡开挖和水库坝基安全，确保了水库大坝除险加固各项施工的顺利进行，山体及坝基已建水工建筑物稳定性得到充分保证。与其他爆破施工技术相比，静态爆破施工技术省时省力，爆破效率高，断面平整无裂隙，充分杜绝了炸药明爆施工对其余构筑物带来的施工扰动与安全隐患，但是静态爆破剂威力不如炸药爆破，所需炮孔多，钻孔工程量大，破碎效果受环境温度影响较大，开裂时间难控制。水库拱坝坝基静态爆破开挖实践证明，静态爆破施工应用于水库除险加固工程建筑物开挖及拆除过程中，必须严格控制环境温度、爆破剂装填量及爆破开挖顺序，才能使其技术优势得以有效发挥。