公路工程非爆破开挖方法及适用条件研究

【摘 要】较为系统地介绍了二氧化碳气体爆破、静态膨胀剂、机械劈裂、破碎锤、铣挖等工程非爆破开挖方法原理及特点，分析了公路工程非爆破施工方法选择的影响因素，给出了公路分项工程破岩方法建议。

【关键词】公路工程;非爆破开挖方法;适用条件

中图分类号： U416.113 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）06-0232-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.06.089

【Abstract】The principles and characteristics of non-blasting excavation methods for carbon dioxide gas blasting， static expansive agent，mechanical splitting，breaking hammer，milling and digging are systematically introduced.The factors influencing the selection of non-blasting construction methods for highway engineering are analyzed，and the suggestions for rock-breaking methods for highway sub-projects are given.

【Key words】Applicable conditions of non-blasting excavation method in Highway Engineering

0 引言

公路工程建设过程中涉及大量土石方工程，通常情况下均采用炸药爆破法进行开挖，因其技术成熟、效率高、成本合理。但随着我国经济社会的不断发展，传统爆破使用的局限性越来越大，例如敏感时期政府对炸药的严格管控，高铁、高速公路的安全保护区、环境敏感区严禁爆破等规定均限制了其使用。本文在大量调研的基础上对目前国内主流非爆破开挖技术进行了梳理，并简要介绍了公路工程非爆破开挖方式选择建议，为工程运用提供参考。

1 公路工程常用非爆破开挖方式简介

1.1 气体（CO2）爆破法

高压气体爆破是一种无炸药爆破，一般采用液态二氧化碳为能量源，通过加热液态二氧化碳，使其压力剧增至几十至上百兆帕，高压液态二氧化碳冲破定压剪切片迅速转化为气态，体积急剧膨胀，瞬间释放的气体膨胀能使钻孔周边岩体致裂，爆破時会产生地微振动。二氧化碳爆破优点是效率较高，作业不产生冲击波、明火、热源和有害气体，生产、储存、运输过程也相对安全;缺点是目前其施工工艺、安全标准暂不规范[1]，对作业人员技术要求高。

1.2 静态膨胀剂法

静态膨胀剂（又称无声破碎剂）是以特殊硅酸盐、氧化钙为主要原料，配合其他有机、无机添加剂而制成的粉末状物质，当氧化钙变成氢氧化钙时，其晶体结构发生变化，会引起晶体体积的膨胀。如果将它注入炮孔内，这种膨胀受到孔壁的约束，压力可上升到数十兆帕，岩体在这种压力作用下会产生径向压缩应力和切向的拉伸应力，将混凝土或岩石悄悄地破碎。静态膨胀剂破岩法施工周期较长、施工产量低、场地临空面要求高、受雨水和温度影响大、有喷浆和强碱性危害等因素影响较多，其大规模应用受到限制[2]。

1.3 机械劈裂法

通常岩石、混凝土抗压强度很高，但抗拉强度低，机械劈裂法就是利用岩石这一特性，通过钻孔拉裂的方式对岩石进行分裂以达到破碎的目的。机械劈裂法主要包括液压分裂棒与液压劈裂机两种方法。液压分裂棒是以高压油为能量源，由液压动力站的泵站输出的超高压油又经增压器的机械放大后驱动分裂棒内的油缸产生巨大推动力，推动劈裂棒中的液压顶向外伸出以胀裂岩石，使岩石按预定方向分裂，达到破碎开挖的目的;液压劈裂机是通过液压油控制分裂机内的活塞杆的伸缩，并巧妙应用楔器原理，经机械扩大后可发生高达数千吨的劈裂力，使被劈裂物体按预定方向裂开。

1.4 破碎锤法

液压破碎锤，又叫做液压冲击破碎器。破碎锤是以液体静压力或气体压力为动力，驱动活塞往复运动，活塞冲程时高速撞击钎杆，由钎杆破碎岩石、混凝土等。破碎锤冲击破岩时，由于其作用在孔口的冲击应力相对于爆破法中冲击波峰值应力要小很多，不会“压碎”岩石，故认为此法破岩时只存在一种破坏形式（拉破坏），宏观表现为孔间产生贯通的裂缝[4]。破碎锤法优点是无振动，环境适应性强，设备本身体积小，与挖掘机搭配使用，灵活机动，设备购置费用低，方便维修;缺点是开挖效率低下，施工单价高，施工周期长，不适合规模较大工程的应用，施工时有噪声等。

1.5 铣挖法

铣挖法主要是利用悬臂式掘进机（又称铣挖机）进行岩石破碎开挖的方法。悬臂式掘进机是一种能够实现截割、装载运输、自行走及喷雾除尘的联合机组，主要用于地下巷道的掘进。悬臂式掘进机适用于普氏硬度不大于10的坚硬、较坚硬岩石、软质岩石等，其开挖效率可达到5～40m3/小时。但当普氏系数大于7后，其掘进效率和经济型均明显下降，岩质越坚硬，下降越明显[5]。

2 非爆破破岩方案选择影响因素

工程非爆破破岩方案选择与各类破岩方法自身特点、工程类型、周边环境、地形地貌、地质条件、施工工艺与工序搭接、工期要求等均有关系，在具体实施中应重点考虑以下影响因素：

（1）工程规模

大方量开挖工程，因工程数量大，开挖效率与经济性是应首要考虑的因素，通常情况下宜优先选用炸药爆破开挖方案。若条件不允许，可考虑在二氧化碳气体爆破、机械劈裂法中选择最经济适宜的方案，也可多种方案搭配使用。对于工程规模较小，工点地形条件、施工作业面等受限的工程，因铣挖、气体爆破等方法前期投入相对较高，也不宜采用，反而小型的机械劈裂、破碎锤、静态膨胀剂等方案更为经济适宜。

（2）适用岩石类型

发软发棉的岩石劈裂效果不佳，不宜采用机械劈裂法、静态膨胀剂开挖;裂隙、孔洞发育的岩石，因孔隙对气体压力与应力波的吸收，采用气体爆破效率相对较低;对于普氏硬度大于7的较坚硬或坚硬岩石，或当地下水发育时，铣挖法开挖效率低下，不宜采用。因此，宜根据岩石性质及地质条件选择开挖方法。

（3）炮眼工程数量

各類非爆破破岩方法中，气体爆破、静态膨胀剂、机械劈裂几种方法需要先凿钻孔后才能实施，钻孔施工对工序时间、费用等均有影响，当钻孔工程量大时，其影响甚至决定了破岩方案的可实施性，因此进行方案选择时必须重点考虑。气体爆破法钻孔密度为炸药爆破的1.8倍;膨胀剂法钻孔工作量是炸药爆破的4倍;机械劈裂法一般多于气体爆破，且需钻较大孔径的孔;破碎锤法、铣挖法一般无须钻孔。

（4）破碎效果

不同的破岩方法破碎效果相差甚远。各类静态爆破初次破碎物一般呈大块状，若转运或用作填筑材料，还需进行二次破碎;气体爆破、破碎锤破碎后一般呈碎块状，个别块体可能需要二次破碎才能转运或用作填筑材料;悬臂式掘进机破碎物一般为岩屑、碎石，可直接转运或用作填筑材料。

（5）开挖面规整度

不同破岩方法形成的开挖面形态差别甚大。气体爆破、破碎锤破碎因为冲击、振动作用，往往难以形成规则的开挖面;静态膨胀剂、机械劈裂能人为控制岩石破裂面，形成形态规则的开挖面，对开挖面损伤小;铣挖施工能自由控制开挖面形状。

3 公路工程破岩方案建议

3.1 隧道破岩方案建议

隧道开挖是隧道施工核心工作内容之一，选择合理的破岩方案不仅对开挖效果、效率、经济性有直接影响，还间接影响后续支护工程的施作，必须合理选择。开挖工艺分为如下几种：1）明挖法开挖，2）全断面开挖，3）台阶法分部开挖，4）环形开挖预留核心土法，5、CD法、CRD法、双侧壁导坑法等特殊工法。

3.2 路基大方量土石方开挖

通常情况下，路基土石方、场平工程等大方量开挖工程宜优先选用炸药爆破开挖方案，其作业效率高、单价低、技术成熟。必须采用非爆破方案时，可考虑气体爆破、机械劈裂等开挖方式，当岩石坚硬程度不高时，还可直接采用挖掘机冷开。

3.3 边坡保护层开挖

路基边坡工程，对于近坡面线部位的开挖须控制对坡面岩体的损伤，确保开挖面平整，以增加坡面稳定性，降低支护工程规模。因此边坡保护层的开挖应采用控制爆破（含气体爆破），有条件时宜优选机械劈或挖掘机冷开，其中机械劈裂适用于岩质较坚硬且相对完整的工点。

3.4 桥梁基坑开挖

桥梁基坑开挖可在控制爆破、气体爆破、机械劈裂、破碎锤、铣挖等方法中，结合现场具体施工条件、工程规模、地质条件，按安全、经济的原则进行方案选择。当对坑壁规整度、岩体完整性有要求时，宜优先选择机械劈裂、铣挖施工方法。

3.5 料场开挖

对于砂石料场宜优先选择炸药爆破法，其作业效率高、分裂效果好，便于材料后期加工以降低原材料价格;对于片块石料场，宜优先选择机械劈裂或静态膨胀剂法进行作业，以保证石材成形率。

3.6 结构物、危岩破除工程

结构物、危岩体的破除工程量一般不大，宜优先采用破碎锤法，也可采用机械劈裂、静态膨胀剂法，条件允许的情况下还可以采用控制爆破法，应结合现场具体施工条件，按安全、经济的原则进行方案选择。

4 小结与展望

（1）本文梳理了目前国内工程岩体主流非爆破破岩技术的基本原理与技术特点，在研究二氧化碳气体爆破、静态膨胀剂、机械劈裂、破碎锤、铣挖等方法自身技术特点、适用条件与经济性的基础上，提出了非爆破破岩方法选择的影响因素，对公路隧道、路基、基坑、料场等工程破岩方法选择提供了建议。

（2）关于各类破岩方法的成本，因受具体工程性质、规模、施工环境、地质地形、施工操作人员熟练程度、设备材料性能等影响较大，加之各类方法使用普及度存在较大差异，本文未对各方法的单价进行详细调研与对比研究，还需后期进一步研究完善，以便更合理地指导破岩方案选择。

（3）除前述方法外，公路施工中采用的绳锯法、切割法、孔桩冲孔与旋挖等施工方法本质上也属于非爆破开挖方法，但因其使用面单一或成本过高，本文未进行详细讨论。后期可进一步开展更为系统地讨论，为公路工程非爆破开挖方法选择提供更为完整指导建议。

【参考文献】

[1]罗涛.液态二氧化碳爆破技术在挖方路基施工中应用研究[B].公路交通科技（应用技术版），2018年，（12）：14-16

[2]张小康，丁亚明.非炸药爆破破岩展望[A].广东化工，2017年，44（15）：131-133.

[3]张亚.石方非爆破开挖施工技术[B].四川水力发电，2017年，36（4）：28-29.