静态爆破结合机械破碎方法在城镇道路特殊路段石方开挖中的应用与分析

—— 贵安大道（开发区至镇宁段）路基工程石方开挖施工为例

赵万里

（中国水利水电第九工程局有限公司三分局，贵州 贵阳 550000）

摘要：本文结合工程实例阐述了采用静态爆破与机械破碎动静结合的“冷作业”方法，进行城镇道路特殊路段石方开挖，能够最大限度的避免对邻近密集房屋、地下输油管线、军用光缆等建筑设施造成破坏，同时开放交通环境下进行施工，不会影响过往的行人和车辆，在最大限度降低振动、噪声、飞石、污染对周边影响的条件下，快速完成保护性施工，为同行业类似工程提供了具有一定指导意义的经验与借鉴。

关键词：特殊路段；石方开挖；静态爆破；机械破碎；快速施工

1 工程简介及特点分析

贵安大道（开发区至镇宁段）道路工程线路处于安顺市镇宁县范围内，起点接黄果树大道延伸段，终点接镇宁南北大街，道路等级为城市主干路，主路设计行车速度60km／h，辅路设计行车速度40km／h，路基宽度分别为40m或45m，双向六车道或八车道。本标段起讫桩号为K8+700～K16+980，全长8.28km，施工项目主要包括路基工程、桥涵工程、排水工程、管综工程等，标段内以岩溶丘陵为主的山原地貌，属低中丘陵喀斯特地貌岩溶发育较强烈区域。地表分布红粘土、角砾土、碎石土，地层岩性主要为白云岩以及白云质灰岩，岩石坚固系数大、强度高、整体性好、节理裂隙不发育。

本标段K12+900-K16+980路段属于原贵黄路改造，施工过程中必须开放交通，只能进行半幅保畅施工，施工难度大、线路长、干扰多，沿线有居民区、商铺、工厂、学校等建筑，个别区段地下设有输油管线、国防光缆、军用光缆等重要设施，路口较多，过往车辆、行人密集。常规石方爆破开挖所产生的振动、冲击、飞石为周围的影响难以满足施工控制要求，且工期紧、工作量大，开挖石料需要用于路基填筑，粒径必须满足规范要求，同时又由于岩石强度高、完整性好，单纯使用机械破碎工效低、进度慢、成本高，因此，采取静态爆破与机械破碎动静结合的“冷作业”方式，进行保护性施工，能够达到比较理想的效果。

2 静态爆破的应用

2.1 无声破碎剂产品介绍

无声破碎剂又称可控性切割和破碎的静态破碎剂、胀裂剂或膨胀炸药等。它属于建材类产品，其标准号为JC506-92。不属于危险物品，无需办理爆破施工许可证，因而在购买、运输、保管、使用中十分方便，不受限制，是目前替代爆破施工最有效的方法之一。

其主要矿物组成是氧化钙（CaO），并加少量用以控制水化反应速度有机复合添加剂。本标段使用的福建力强牌无声破碎剂，根据适用于不同的环境温度，主要有三种型号：

表2.1 无声破碎剂规格型号表

本标段目前使用的为HSCA-II型。

2.2静态爆破作用原理

将无声破碎剂与水按照一定比例混合后，装入在岩石上布置的孔内，氧化钙与水作用后，生成氢氧化钙，化学反应方程式：CaO+H₂O=Ca(OH)₂+64.9千焦。坚固性系数f=10～15的白云岩（白云质灰岩）一般抗拉强度为2.1～5.7MPa,抗剪强度为5.1～13.5Mpa，抗压强度为60～140MPa，无声破碎剂通过水化反应可产生20～60Mpa以上的膨胀压力，远远大于白云岩的抗拉强度，在一定的时间范围内，岩石便会经历出现裂缝、裂缝传播、裂缝扩大三个过程，最终完成岩石破碎过程。破碎机理如下图所示：

图2.2-1破碎机理平面图 图2.2-2破碎机理截面图

3 静态爆破结合机械破碎方法施工特点和优势

（1）、静态爆破结合机械破碎方法操作简单、效率高、工期短、安全又环保。

（2）、无声破碎剂属于建材类产品，不属于危险物品，无需办理爆破施工许可证，因而在购买、运输、保管、使用中十分方便，不受限制，是目前替代爆破施工最有效的方法之一。

（3）、施工安全性较高，岩体在发生破碎时，不产生巨大振动、冲击波、飞石、噪音、大量烟尘等爆破危害，最大限度的降低了对周围环境及附近居民的影响。

（4）、施工保护性强，对周围建筑物、过往人员车辆、地下重要设施等不会造成任何损害，同时施工干扰小，不影响其他工作面的施工。

（5）、施工可控性好，通过合理调整孔位布置、药剂配比等参数，可以按照施工需要进行岩石分裂和切割，灵活性较高。

（6）、单独使用静态爆破，布孔间距大，破碎不完全、粒径偏大。布孔间距小，成本高，静态爆破等待时间过长。单独使用机械破碎工效低、进度慢、成本高。通过两种方法配合使用，岩石胀裂的初期或中期即可进行机械破碎，即可缩短等待时间，又可保证石料粒径。同时静态爆破有助于提高机械破碎工效，二者互补互足，保证进度和质量的同时，又能节约成本。

4 静态爆破结合机械破碎方法的施工工序及工艺

4.1开挖方式及工艺流程

静态爆破开挖采用台阶梯段、自上而下分层进行，台阶分层高度2～3m。机械破碎进行补爆、局部修整、石料解小等。工艺流程如下图所示：

4.2静态爆破主要技术参数设计

布孔前首先要确定至少有一个以上临空面，钻孔方向应尽量做到与临空面平行，临空面越多，单位破石量越大，效果也更好。切割岩石时同一排钻孔应尽量保持在一个平面上。孔距与排距的大小根据岩石的硬度程度调整，硬度越大时，孔距与排距越小，成反比关系。主要技术参数参照表4.2和图4.2。

表2.3 静态爆破技术参数表

图 2.3 岩石孔位布置图

注：H-台阶高度；L-炮孔深度；a-相邻孔孔距；b-排距。

4.3钻孔

钻孔的直径与破碎效果有直接关系，钻孔过小，不利于药剂充分发挥效力；钻孔过大，药量多、易冲孔，根据以往工程经验采用直径为42mm钻孔效果比较理想。孔底超钻10cm，有效克服底盘抵抗阻力，增加破碎效果。

4.4装药

（1）、孔口预留10cm采用黄泥封堵严密并加盖石块，一方面保证药剂不会流出，另一方面避免发生冲孔造成事故。孔内剩余部分采取药剂满装，保证膨胀破碎效果。

（2）、药剂掺入22～32%（重量比）的水搅拌成流体状态，水的掺量根据药剂颗粒粗细进行调整，一般粗颗粒药剂水灰比控制在0.22～0.25，细粉末状药剂水灰比控制在0.25～0.32，药剂配制完成后均匀灌入孔内，插捣密实直到灌满为止。

（3）、拌制好的药剂必须在5min时间内装完，药剂发生反应的信号为表面出现气泡且温度迅速上升。如果装药过程中发现药剂大量冒泡且温度很高，表明药剂已充分反应，已经达不到预期的膨胀效果，无法继续使用，只能重新拌制药剂，保证施工质量。

（4）、装药完成后约4～5小时为岩石开裂初期，裂缝大约为0.5～1.5mm左右。岩石开裂初期，可向裂缝加水，促使药剂反应完全，可获得更好膨胀效果。5～12小时为岩石开裂中期，裂缝大约为1.5～3mm左右。

4.5药剂反应时间控制

药剂反应过快，已发生冲孔现象，影响膨胀效果。药剂反应过慢不利于施工进度，增加施工成本，因此合理控制反应时间至关重要。药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。施工过程中一方面要控制膨胀剂温度和拌合用水温度，膨胀剂放于阴凉处保存避免太阳暴晒，拌合用水温度控制在15℃以下。另一方面可以通过在拌合用水中加入适量延缓反应时间的抑制剂，掺量一般为加水的5%～6%。反应时间一般控制在30分钟左右比较适合。

4.6机械破碎施工

（1）、一次静态爆破完成后，对产生裂缝的岩石采用挖掘机+165加重破碎锤进行补充破碎，获得粒径符合规范要求的石料，用于路基填筑。同时，对坡面局部不平整部位，进行修整，保证坡比和平整度满足要求。

（2）、液压破碎锤破碎施工时，将液压岩石破碎头的钎杆压在岩石上，并保持一定压力后开动破碎锤，利用破碎头的冲击力，将岩石破碎。对于爆破不完全的部位，破碎时充分利用临空面，提高破碎效率。

（3）、在膨胀剂胀裂岩石的过程中，可以使用破碎锤进行配合。越靠近临空面的孔位岩石胀裂速度越快且效果越好，因此当靠近临空面前排孔位岩石出现裂缝的时候可以用破碎锤将其完全破碎，从而为后排的孔位提供更好的临空面，减少一部分抵抗阻力。

5 施工注意事项

（1）、加强全体施工人员的安全培训和安全教育工作，静态爆破施工前做好技术交底和安全交底，膨胀剂使用前操作人员必须自己仔细阅读使用说明书的注意事项。并按照设计参数进行施工，孔口必须封堵严密。

（2）、无声破碎剂材料存放于阴凉、干燥处，避免太阳暴晒或受潮变质，开封后立即使用，使用完立即封口，避免受潮。操作过程中应小心谨慎，操作人员必须佩戴安全帽、防护镜，穿工作服并带橡胶手套，做好劳动保护工作。避免药剂溅入眼睛或洒在皮肤上，如出现意外，先用棉签或纱布将药剂拨出并立即用清水冲洗干净。

（3）、钻孔设备、液压破碎锤、挖掘机必须具有合格证和质量鉴定证明，并定期进行维护检修，液压破碎锤施工时，必须设有专人在机械操作半径范围以外进行指挥，并做好安全防护与隔离工作，避免对过往行人和车辆造成机械伤害，夜间施工设置照明、警戒线，并用红灯警示。

（4）、破碎锤机械操作手选择有丰富施工经验的人员，充分利用临空面，结合现场实际情况合理调整破碎锤角度和冲击力，提高破碎工效。对于静态爆破破碎不完全、石料粒径偏大、局部不平整等情况，及时采用破碎锤补修，确保石料粒径，坡面平整度、坡比等外观质量满足质量要求。

6 技术经济效果对比分析

6.1适用条件对比分析

爆破方法适用范围：Ⅵa软岩（f=1.5）～Ⅰ级特坚岩（f=20）10级岩石均可以使用，对岩石完整性、节理裂隙发育情况无限制性要求。爆破需要有临空面或创造临空面，沟槽、平基开挖均适用。施工产生的振动、飞石、噪声、污染对周边影响很大。受周边环境条件限制，本工程无法采用爆破施工。

机械破碎方法适用范围：Ⅵa软岩（f=1.5）～Ⅲa级坚硬岩（f=8）7级岩石比较适用，在坚固性系数f≥8以上，随着坚固性系数增加破碎工效逐渐降低、破碎效果越来越差，成本逐渐提高。岩石完整性越差、节理裂隙越发育，破碎效果越好，反之，破碎效果越差。破碎不完全依赖临空面，坚硬岩石需利用临空面，沟槽、平基开挖均适用。施工对周边存在一定的影响，但影响远远小于爆破方法。本工程前期采用此方法施工，受岩石坚固性影响，施工进度慢、成本高，效果不理想。

静态爆破适用范围：Ⅲ级坚硬岩（f=10）～Ⅰ级特坚岩（f=20）3级岩石比较适用，与机械破碎正好相反，岩石越坚硬，其优势越明显。对岩石完整性有一定要求，节理裂隙发育药剂容易流失、分散，影响膨胀爆破效果。破碎需要有较好的临空面，平基开挖比较适用，沟槽爆破效果差。施工对周边影响很小。受石料粒径、工期、成本等多方面条件的限制，本工程不适合单独使用此方法。

静态爆破结合机械破碎适用范围：Ⅲ级坚硬岩（f=10）～Ⅰ级特坚岩（f=20）3级岩石比较适用，岩石完整性差、节理裂隙发育，直接使用机械破碎，岩石完整性好，二者结合使用。需要利用临空面，沟槽、平基开挖均适用。作业需要一定范围的场地，施工对周边环境具有一定的影响，但处于受控范围之内。本工程的环境条件和地质情况使用此方法，效果最佳。

6.2 成本对比分析

（1）爆破方法成本：爆破参数拟采用炮孔间排距1m*1m，孔深3m，孔口封堵0.8m，单耗量0.42kg/m³进行施工，结合现场实际人工费、材料价格、机械台班单价及实际消耗量进行成本测算，挖100m³石方：

人工费：6.12工日*140元/工日=856.8元。（造孔、装药、警戒、爆破、排险）

材料费：合计1072.105元。包括：乳化炸药42kg*12.5元/kg=525元，电雷管75个*6元/个=450元，其他材料费97.105元。

机械费：合计219.769元。包括：手风钻2.06台班*11.85元/台班=24.411元，移动式空压机0.52台班*375.67元/台班=195.348元。

经施工预算，爆破开挖施工成本约为21.48元/m³。

（2）机械破碎法成本：现场实际台班单价约为3554元/台班（包含人工和油料费），现场实际台班产量约为38m³/台班。

经现场实际测算，机械破碎开挖施工成本约为93.52元/m³。

（3）静态爆破法成本：爆破参数按照炮孔间排距0.3m*0.3m，孔深2m，孔口封堵0.1m，单耗量2.4kg/m进行施工，结合现场实际人工费、材料价格、机械台班单价及实际消耗量进行成本测算，挖100m³石方：

人工费：39.74工日*140元/工日=5563.6元。（造孔、装药、封堵）

材料费：合计5800.14元。包括：膨胀炸药2774.4kg*1.6元/kg=4439.04元，其他材料费1361.1元。

机械费：合计3606.33元。包括：手风钻18.062台班*11.85元/台班=214.034元，移动式空压机9.03台班*375.67元/台班=3392.3元。

经施工预算，静态爆破开挖施工成本约为149.7元/m³。

（4）静态爆破结合机械破碎法成本：静态爆破参数按照炮孔间距0.5m、排拒1.0m，孔深2m，孔口封堵0.1m，单耗量2.4kg/m进行施工，结合现场实际人工费、材料价格、机械台班单价及实际消耗量进行成本测算，挖100m³石方：

人工费：8.663工日*140元/工日=1212.82元。（造孔、装药、封堵）

材料费：合计1264.45元。包括：膨胀炸药604.8kg*1.6元/kg=967.68元，其他材料费296.77元。

机械费：合计786.759元。包括：手风钻3.94台班*11.85元/台班=46.689元，移动式空压机1.97台班*375.67元/台班=740.07元。

静态爆破完成后，再用机械破碎进行辅助破碎施工0.6台班*3554元/台班=2843.2元。

经现场实际测算，静态爆破结合机械破碎开挖施工成本约为60.07元/m³。

通过成本比较分析，爆破开挖方法单价最低，在不具备爆破施工的条件下，使用静态爆破结合机械破碎方法成本相对经济合理，单独使用静态爆破或单独使用机械破碎成本均偏高。

6.3 工期对比分析

（1）爆破方法：爆破参数按照炮孔间排距1m*1m，孔深3m，孔口封堵0.5m，炸药单耗量0.42kg/m³进行施工，100m³石方开挖时间消耗：

钻孔：约16.5个工时，正常配备8名钻工、4把手风钻，4.125个工时完成钻孔

装药：约12个工时，正常配备6名炮工，2个工时完成装药

警戒、爆破、排险：1个工时

完成100m³石方开挖大约需要正常工作时间7.125小时。

（2）机械破碎方法：经现场实际测算台班产量约为38m³/台班，完成100m³石方开挖大约需要正常工作时间21.05小时。可以通过增加机械投入缩短工期，但由于台班产量偏低，成本比较高，不经济。

（3）静态爆破方法：爆破参数按照炮孔间排距0.3m*0.3m，孔深2m，孔口封堵0.1m，单耗量2.4kg/m进行施工，100m³石方开挖时间消耗：

钻孔：约144个工时，正常配备16名钻工、8把手风钻，18个工时完成钻孔

装药：约19.2个工时，正常配备8名普工，2.4个工时完成装药

岩石胀裂等待时间：约12个工时（在夜间进行）

完成100m³石方开挖大约需要正常工作时间20.4小时+夜间等待时间12小时。

（4）静态爆破结合机械破碎方法：静态爆破参数按照炮孔间距0.5m、排拒1.0m，孔深2m，孔口封堵0.1m，单耗量2.4kg/m，完成静态爆破再用机械破碎，100m³石方开挖时间消耗：

钻孔：约31.5个工时，正常配备12名钻工、6把手风钻，5.25个工时完成钻孔

装药：约4.2个工时，正常配备4名普工，1.05个工时完成装药

岩石胀裂等待时间：白天约6个工时；夜间约12个工时

机械破碎时间：约4.5个工时

完成100m³石方开挖大约需要正常工作时间10.8小时+等待时间6-12小时。

综上所述，通过成本和工期比较分析，爆破开挖方法作业时间最短、效率最高、成本最低，单独使用机械破碎方法工作效率低，如果想加快工期需增加机械设备投入，提高施工成本的同时增加施工组织难度，单独使用静态爆破方法人员设备投入多、成本高、效率低、作业时间长。而通过静态爆破与机械破碎相结合，二者可以互补互足，静态爆破可以破坏岩石完整性，为机械破碎创造条件、提高效率，机械破碎可以将静态爆破布孔间距调大，从而节约打孔、装药时间，而且岩石出现裂缝即可进行机械破碎，可以缩短等待时间，同时静态爆破和机械破碎部分工序可以交叉作业，提高生产效率、降低施工成本、方便施工组织。因此，在不具备爆破施工的条件下，从工期、成本、效率及施工组织等多方面因素综合考虑，使用静态爆破结合机械破碎方法最经济合理。

7 施工过程图片

图 7-1 人工造孔施工照片 图7-2 人工装药施工照片

图 7-3 孔口封堵及覆盖施工照片 图7-4 膨胀作用产生裂缝施工照片

图7-5 动静破碎结合施工效果照片 图7-6 破碎锤施工照片

8 结束语

贵安大道（开发区至镇宁段）道路工程路基石方开挖通过静态爆破和机械破碎动静结合的开挖方式，在外部干扰较大的环境下，克服了传统爆破的振动、飞石、噪声、污染等不利影响，保证了安全与质量、提高了石方开挖工效、加快了施工进度、降低了施工成本，对邻近建筑、地下重要设施、过往行人和车辆均未造成破坏和伤害。同时，K15+980-K16+980标段末端1km路基施工在约定工期内快速完成保畅施工，顺利实现了地方政府开办观摩会通车的节点目标，本标段在保证进度的同时创造了效益，施工方案达到了预期的效果。

参考文献：

[1]、游宝坤，静态爆破技术——无声破碎剂及其应用[M],中国建材工业出版社，2008年04月

[2]、CJJ1—2008城镇道路工程施工与质量验收规范[S],中国建材工业出版社，2008年08月

个人简介：赵万里，男，黑龙江省安达市人，从事水利水电、市政工程施工技术和管理工作已10年以上,职称工程师，建筑、市政一级注册建造师、水利水电、公路二级建造师。

作者单位：中国水利水电第九工程局有限公司

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