浅谈微型爆破顶管施工技术

[摘要]：通过工程实例，浅谈管道通过硬岩时微型爆破顶管技术，为同类工程提供借鉴。

[关键字]：顶管施工、微型爆破

顶管施工技术是一种地下管道施工方法，随着城市建设的发展已越来越普及，它不需要开挖面层，能够穿越公路、铁道、河川、地面建筑物、地下构筑物以及各种地下管线等。当顶管穿过土层基本为粘性土、砂性土等土层，可采用泥水平衡，土压平衡顶管机顶进，当顶管穿过坚硬岩层时现在普遍采用另一种不同的顶进技术：微型爆破顶管施工技术。

笔者在设计深圳葵涌污水处理厂配套干管工程时，有段350m长DN1500的污水管需要穿过强风化岩及中风化岩，经过经济及技术比较后采用顶管方案通过。在地下顶管施工中遇到岩石地层，按照常规施工工艺，可采用风镐破碎岩体，或者采用凿岩机械顶进。采用人工风镐破碎岩体，工作环境差，进度缓慢，不适于长距离岩体破碎成洞；采用凿岩机顶进价格昂贵，并需进行技能培训，增加项目投资，大大滞后工期，不经济。通过综合分析比较，决定采用微型爆破顶管施工技术来解决这一施工难题。

1、爆破方法的选择：

由于本工程水平成洞尺寸（直径1.5m）较小，爆破成洞精度要求较高，加之爆破地点位于居民区，四周房屋较多，故对爆破安全要求很高，针对工程的实际情况，洞身爆破及顶管工作坑爆破均采用石方静力爆破法爆破。微型爆破工艺流程图如下：

2、静力爆破法无声破碎剂性能介绍

静力爆破法采用无声破碎剂进行爆破。无声破碎剂在中华人民共和国建材行业标准《无声破碎剂》（标准号JC506-92）中定义为：凡经高温煅烧以氧化钙为主体的无机化合物，掺入适量外加剂共同粉磨制成的具备高膨胀性能的非爆破性破碎用粉状材料，称为无声破碎剂(又称静态破碎剂)。无声破碎剂是通过与水反应，形成固相体积增大的结晶，结晶生长对孔壁施加压缩应力，当压缩应力与垂直方向的张拉应力超过了脆性物体的极限强度时，物体发生龟裂，随着无声破碎剂的膨胀压不断增长，被破碎物体的裂缝不断扩大，直到破碎。常规施工方法是将无声破碎剂用水拌成浆体，填充在岩石钻孔中，在常温下可产生30Mpa以上的膨胀压，经6 h～24 h将混凝土构筑物或岩石破碎。

3、微型爆破设计

岩石的破碎设计首先要了解山体的地质构造、岩质、节理发育状况，岩石的抗压强度和抗拉强度，然后确定破碎时的最小抵抗线形W、孔距a和排距b、孔径D、孔深L、钻孔方向和钻孔布置。根据经验，各种参数一般估计值如下：

3.1 最小抵抗线形W

最小抵抗线应根据岩石的形状、节理、钻孔孔径和要求破碎的块度等因素来确定，一般取值为：

破碎软质岩石：W=40cm～60cm，

破碎中、硬质岩石：W=25cm～40cm。

本段顶管基本穿过中风化岩，属于中、硬质岩石，所以取W=35cm

3.2孔距a和排距b

岩石破碎块度较小时，W、a、b均取小值，相反，取大值，一般取值为：

破碎软质岩石：a=40cm-60cm，

破碎中、硬质岩石：a=30cm-50cm。

排距b应根据岩体的自由面多少决定，自由面多，b取较大值，反之，b取较小值。多排孔分次破碎时，b一般等于(0.6-0.9)a。多排孔宜采用梅花形布孔。

本段顶管穿过中、硬质岩石，取a=40cm，b=0.8a=32cm。

3.3孔径D

孔径是决定无声破碎剂破碎效率的重要因素。孔径D较大，破碎剂装药量多，产生的膨胀压较大，其破碎效果较高。但由于破碎剂水化同时放出热量，当内部蓄热状态达100℃时，破碎剂浆体中未水化的水分就会沸腾，产生蒸汽压，从而把无声破碎剂浆体喷出来。所以，最大孔径D主要取决于无声破碎剂浆体是否喷出来。一般孔径不宜小于20mm，但不宜大于50 mm，本工程取D=40mm。

3.4孔深L

孔深大小主要取决于破碎面的高度(H)和岩石的约束程度。一般按如下公式计算

L=(O.90-1.05)H。(H为设计破碎高度)

本工程H=2.0m，L取1.8m。。

本段顶管爆破半径R=100cm，在外圈环向加设一排光面爆破孔，间距20cm，使微爆孔洞成型。孔距、排距、孔径及孔深等以上参数为设计中的估算值，在具体施工中应根据实际地质情况进行适当调整。

3.5破碎剂型号的选择

根据中华人民共和国建材行业标准《无声破碎剂》（标准号JC506-92）中的规定，产品根据使用温度分为三个型号，如表1

表1无声破碎剂型号和使用范围

结合本工程的地点及施工时间，选用无声破碎剂I型。

3.6无声破碎剂使用量估算方法

根据试验检测无声破碎剂每立方米浆体中无声破碎剂重量K值。SCA-Ⅰ型号，K=1540 kg.m-3。

无声破碎剂用量Q=πR2LK

式中：Q――每米钻孔的无声破碎剂理论用量，kg/m3；

R――钻孔半径，m；

L――钻孔深度，m；

K――每立方米无声破碎剂浆体中无声破碎剂用量，kg/m3

本工程钻孔直径D=40mm，钻孔深度L=1.8m，得出每m钻孔装药量为3.48kg。

3.7拌浆及灌浆

无声破碎剂一般每袋5 Kg，加水量一般为无声破碎剂重量的30％，即加入1 500ml的水，无声破碎剂浆体以畅流入孔为准，不宜多加，否则会降低破碎效果。混合搅拌时间一般为60 s～90 s。

对于垂直孔，可直接倾倒进去，孔口留下2 cm左右空隙，用废纸或废布将口堵实。对于斜孔或水平孔，为防止倒流的现象，可用水灰比为0．25～0．28的水与无声破碎剂拌成浆体，用手搓成条，塞入孔中，再用木棒捣压密实，最后用塞子堵口。

3.8清理破碎岩石

一般过24小时，无声破碎剂完全膨胀后，由人工使用钢钎清理破碎的岩石。清理的顺序自上而下，在清理过程中应注意安全，防止岩石坠落砸伤工人。

4、混凝土导向管基设计

用经纬仪定出管轴线及高程，采用C15砼浇注砼管基，管基厚10cm，为90°下底

弧。为提高混凝土的早强强度，管基砼浇筑时加早强剂。示意图如下：

5、顶管四周注浆设计。

本段顶管管材为钢筋砼管，在厂家生产时每节管道自身预留4个灌浆孔。砼导向管基达到一定强度后进行顶进，每50m顶进结束后进行压注水泥浆，注满管外壁与岩石之间的缝隙。注浆材料为水泥、粉煤灰（重量比1:1）混合浆液，采用注浆泵进行注浆，注浆压力＞0.1Mpa。浆液凝固后起到固定管道、防止渗漏及加固地层的作用。

6、结论

工程现已施工完毕，效果良好。无声破碎剂在施工时无震动、无噪音、无毒气，加上不是危险品，便于运输、保管。微型爆破顶管施工方法能够减少对周边建筑物的损害，由于作业面基本在地下，不会出现尘土飞扬的情况，对周边居民影响小，是一项实用性较强的施工方法。

注：本章论文的所有图表及公式以PDF形式查看