隧道塌方处理静态爆破施工技术及单价分析研究

隧道塌方处理静态爆破施工技术及单价分析研究摘

要:根据高速公路隧道塌方实际情况，从施工安全角度出发，研究决定对塌方段采用静态爆破施工技术进行开挖处理。本文通过工程实例介绍了静态爆破施工技术在隧道岩土工程施工中的应用机理和工艺流程,为其应用的范围扩大总结经验和参数；并针对静态爆破开挖施工技术在隧道施工中的预算定额属于缺项,应用实测法对其单价组成进行分析，得出较为合理的预算定额单价,填补了该技术在隧道工程定额中的空白，为今后同类项目施工和相关新的定额编制提供交流与参考。关键词

塌方处理

静态爆破

施工技术

单价分析1工程概况及塌方段特点某高速公路隧道是一座双洞分离式隧道，左右线均2。1km，隧道采用新奥法设计施工.双车道设计,最大开挖高度10。3m，宽度13。28m,矢跨比1：1.29。隧道内围岩复杂多变、破碎、节理裂隙发育，具有相当多的断层、涌水等不良地质。水文地质主要是地层孔隙潜水和基岩裂隙水，地表水随季节变化影响较大。K7+540～K7+575段原设计为V类（II级）支护段，在开挖过程时发现该段存在一断层，为确保施工安全和结构安全，将该段变更为III类（IV级）围岩加强段，但该段受地质构造影响相当严重,在很强的地层剪应力作用下,使巨型岩石被剪切成2组明显的“X”型节理断层,同时由于节理裂隙的导水作用，使得地层中的胶结物软化，失去应有的应力组合，尽管开挖过程中对该段进行了支护加强，但是在钢架和喷射混凝土组成的初期支护承载力超过其极限时，形成了塌方。据观察量测，塌方段33m长，塌腔约14米宽、45m高,塌渣量约为6000m3。塌渣呈湿状,以大块和巨型块状花岗岩为主，伴有块状遇水软化的粒砂岩，并夹少量胶结粘土，有较大的岩隙水。2塌方处理及静态爆破方案确定根据现场数据收集和考察，得出以下结论:（1）、从塌腔口及其对应里程山顶位置可以判断，塌方没有冒顶，但是存在塌腔，并且长度和高度比较大。（2）、塌体渣堆较松散，主要是较大块石堆积形成,中间肯定形成悬空空间。（3）、由于地层剪应力释放完全,围岩变形绝对值较小，对后续塌方处理影响相对不大。根据以上分析结果，研究决定如下塌方处理方案：不提前清除渣堆，不完全回填塌腔，加强腔内排水，必须进行饱和注浆加固，倒灌混凝土比渣体高2~3米,即可掘进及支护施工，整个塌方处理必须稳扎稳打确保施工安全,塌腔空洞采取洞顶灌注细沙和泡沫混凝土填实。塌方段处理的关键是采用何种开挖支护方法，以达到不对塌方段回填混凝土和原状围岩的再次扰动，确保施工的安全。经过短台阶微震微差爆破施工工法和静态爆破施工工法的对比分析，研究决定采用静态爆破施工工法。3静态爆破施工原理运用静态破碎剂切割、破碎岩石，分裂混凝土的施工方法称为“静态爆破工法”.静态破碎剂是一种不使用炸药就能使岩石、混凝土破裂的粉状工程施工材料。它的主要成份是生石灰（即氧化钙），还含有一些按一定比例掺入的化合物催化剂，是国际上流行的新型、环保、非爆炸施工材料。静爆工法原理就是利用装在介质钻孔中的静态破碎剂加水发生水化反应，使破碎剂晶体变形，产生体积膨胀,从而缓慢的、静静地将膨胀压力（可达30Mpa-50Mpa，最大试验值可达120Mpa，岩石拉伸强度为5~10Mpa或混凝土拉伸强度为2～6Mpa）施加给孔壁,经过一段时间后达到最大值,将介质胀裂破碎。4静态破碎工法适用范围及特点4.1经典适用范围静态破碎适用范围概括起来主要有下列几个方面：1）、混凝土构筑物的破碎、拆除。2）、岩石、矿石等的开采、石料切割。3）、其它不便于炸药爆破的环境条件下混凝土拆除、岩石及矿石开采工程。4。2适用范围的扩大试验及应用静态破碎剂的适用范围不断扩大.从简单的岩石、钢筋混凝土破碎到水平隧道的开挖；从单一的小批量的使用，到大方量高密度的岩石松动破碎；从单一的手工操作到与挖掘机、装载机配合大幅度提高工效的“联合作业"施工等等。本文是静态破碎工法新应用之一：隧道塌方处理中开挖施工的应用。4。3静态破碎工法的特点1）、安全、易管理。静态爆破剂为非爆炸危险品，无需办理常规炸药爆破所需要的各种许可证。操作不需要特殊工种。破碎剂与其它普通货物一样可以购买、运输、使用。2）、环保材料。使用中无声、无振动、无飞石、无毒气、无粉尘，是国际流行的环保产品。3)、施工简单、易操作.用水搅拌后灌入钻孔中或浸泡湿润后塞入孔中捣实即可.4）、破碎精确度高。设计适当的孔径、孔距、角度，能够达到“外科手术式”的破碎、分裂、切割岩石和混凝土。5）、施工过程安全。不存在炸药爆破时产生的震动、空气冲击波、飞石、噪音、有毒气体和粉尘的危害。6)、在不适于炸药爆破环境条件下，更显其超众的优越性。最新药卷型破碎剂，适用环境温度范围更广（－5℃～40℃)，使用更方便，效力更大。5静态爆破参数指标1)、钻孔要求.采用手持气腿式钻机，孔径一般情况为38～50mm。2）、破碎剂的选择.选择药卷型破碎剂,其适用环境温度范围更广,药量节省，效力更大,破碎时间更短,缩短作业时间，提高施工效率。3）、静态爆破剂孔网参数及单耗量设计经验值如表1。表1。孔网参数及单耗量经验数据表破碎物孔径（mm）孔距（cm)排距(cm）孔深（m）单耗量（kg/m3）单孔用药量砂石38～5040-5045—600.8H5—102。0～2。5kg/m大理石10-2520-300.9H8-15花岗岩10—1515—250.9H10-20混凝土15-3020-400。8H3-10钢筋混凝土10—1515-250.9H15—254）、配合比.采用药卷型破碎剂使用简便，只需在水中浸泡30～90秒钟,立即塞入钻孔中，用木棍层层捣实即可。5）、药剂反应时间及药力控制。反应最短时间控制在30～60分钟,有效作用时间控制在2～６小时，有效作用时间内药力控制在30Mpa以上，以利于加快施工进度。6）、裂缝宽度。达到2cm以上就可以开始进行清渣作业.6静态爆破施工技术及工艺6。1施工原则和工艺流程全断面分次静态爆破遵循“掏槽先行、分区破碎、安全可靠"，“垂直岩面、弧形断面布置、孔眼同一平面、与临空面平行"和“满孔装药、捣固密实、先内后外、确保安全”的施工原则.6。2钻孔布置、装药参数设计6。2.1孔距与排距孔距与排距的大小与被破物的硬度有直接关系，硬度越大,孔距与排距越小,反之越大;孔距与排距的大小与岩石破碎的效果及施工成本同样有直接关系，孔距与排距越大，破碎效果越差，施工成本越低,反之则反之。因此实际施工应当通过现场试验确定适宜的破碎参数，孔距与排距及单孔装药量试验设计值见表2。通过现场试验，确定爆破参数如下:分三个区域分次爆破，孔眼一次钻孔成型，第一区域是中心掏槽区域，为边长3.5m的半圆形,先在中心部位打设两排掏槽眼，孔距和排距均为20cm,其余孔眼的孔距为30cm，排距为40cm;第二区域为上台阶拱圈区域，所有孔眼的孔距均为30cm,周边眼与内圈眼排距（环向半径差）为35cm，内圈眼与辅助崩落眼排距为40cm；第三区域为下台阶仰拱区域，孔位布置和第二区域一致，只是不同时间装药破碎。表2。钻孔布置及单孔装药量设计值破碎物分区区域破碎时间孔径(mm)孔距（cm)排距（cm)孔深(cm)钻孔个数单孔用药量花岗岩、混凝土混合体第一区域2~4h4220/3020/301102352。2～2.5kg/m第二区域3~5h3035/40448第三区域2～4h3035/403546。2.2钻孔及装药技术要求钻孔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，装药及反应过程容易冲孔。根据我国目前成熟的静态爆破施工经验，选择钻孔孔径为42mm.钻孔深度根据围岩硬度情况确定,孔眼越深，所需药剂作用力越大,爆破效果相对越差。本工程岩石、回填混凝土和注浆浆液混合体经测定普氏系数Ｆ为7~８左右,为了保证塌方体的施工安全，同时根据现场破碎效果试验确定钻孔深为1.1m。钻孔采用YT-28手持气腿式钻机,满足一般隧道钻孔要求即可。由于采取分区分次破碎，因此全部钻孔完成后，将二、三区孔眼用棉纱或其他柔软物质塞住保护好，以免进入石渣等。装药孔眼必须将孔内余水和余渣用高压风吹洗干净，孔口旁清理干净至无土石渣后，方可进行装药破碎。采用药卷型破碎剂进行爆破，只需将药卷放置清洁水中浸泡30～90秒钟，药卷充分湿润、完全不冒气时，取出药卷从孔底开始快速装入孔眼内，并用木棍逐条捣实，密实装填至孔口，即“集中浸泡、充分浸透、逐条装入、分别捣实”.同一破碎区域尽量同时装药,以达最佳破碎效果。装药深度为孔深的100%.6。2。3药剂反应时间的控制药剂反应的快慢与温度有直接的关系，温度越高，反应时间越快，反之则慢。实际操作中，控制药剂反应时间太快的方法有两种，一种是在药剂拌合（浸泡）水中加入抑制剂，另一种方法是严格控制拌和（浸泡）水、药剂和岩石的温度；加快药剂作用反应的解决方法一般是掺加促发剂和提高拌和水温度。拌合水一般控制在15~20℃范围，防止药剂反应过快容易发生冲孔伤人事件.但为了缩短施工时间、加快处理进度，有必要在保证安全情况下缩短药剂最大效应反应的时间，因此药剂反应时间一般控制在30～60分钟左右较好，裂缝达到2cm的时间控制在3小时左右。6。2.4施工注意事项（1）、钻孔前尽量多地创造临空面，孔眼布置尽量与临空面平行。钻孔不得在上一循环孔眼位置上继续开钻,孔眼交错梅花形布置。（2）、每次装药都要观察确定岩石、药剂、拌和水的温度是否符合要求。灌装过程中，已开始化学反应的药剂不得装入孔内.灌装药剂后观察裂隙发展时，不可面部直接近距离面对已装药孔眼，防止冲孔伤人。（3)、围岩开始开裂后，可以向裂缝中加水（采用远距离喷水比较安全），以支持药剂持续反应，可以获得更好效果。（4）、严格按照破碎剂使用说明书进行施工操作，不得勾兑其他未加说明的化学物品，不同型号的破碎剂不能混用等。(5)、无关人员不得进入施工现场。操作人员必须佩戴冲击防护PVC护目镜和橡胶手套，同时备好洁净水和毛巾，确保施工安全.7静态爆破施工的单价分析尽管近些年来，静态爆破工法应用越来越广泛，但是在隧道开挖施工中的定额还属于缺项，因此我单位采用了实测法进行单价分析。从上面的论述和分析可以看出，静态爆破的单价取决于两个重要因素：孔网密度和装药量大小.下面按照开挖爆破一循环工程量进行分析，然后取平均值计算出1m3围岩开挖的施工成本情况进行单价定额。7。1技术参数指标静态破碎剂：药卷型（第三代）

适合气温在-5℃～40℃范围内岩石级别:坚石、混凝土和水泥浆液混合渣体（相当于II级）静态爆破设计面积：112。33m2（拱形曲墙式断面）开挖方量：实测为124。80m37。2造价计算参数人工费：20。1元/工日手持式风钻台班费：60。38元/台班风镐台班费：57。14元/台班气动锻钎机台班费：61.10元/台班钻头磨床台班费：51.10元/台班空压机设备台班费：798。39元/台班轴流通风机设备台班费：189。77元/台班轮式装载机台班费：710。77元/台班静态破碎剂:3.75元/kg合金钻头：35元/个空心钢钎:13元/m7.3费用实测分析7。3.1注浆小导管超前预支护拟采用合同单价。Φ42×4小导管单价为7.07元/kg；素水泥浆单价为331.23元/m3。技术要求：拱部180°范围内布置（R=6.73米），L=4.5m，＠=0。4m、搭接长度为2。0米，按两循环打设圈计算。单孔注浆量为0.02m3/m。工程数量计算:Φ42×4小导管总数量=53/2根×4。5m/根×3.75kg/m=447。188kg；素水泥浆总数量=53/2根×4.5m/根×0。02m3/m=2.385m3费用金额=447.188kg×7。07元/kg+2.385m3×331。23元/m3=3951。6元7.3.2制造临空面、布孔、钻孔以一循环开挖方量124。8m3，为单位进行实测费用分析。如表3.表3

布孔、钻孔实测费用表工、料、机名称单位单价（元）定额数量金额一人工费用756。41人工工日20.137.63756.4二材料费用2493。72钢管kg4。413001323。03空心钢钎kg1316。95220。44合金钻头个3516560.05电kw。h0.35289.86水m30.4536。1116.27高压胶皮风管m12.4810。68133。38高压胶皮水管m19.6110.68209.49其他材料费元121.5921.6三机械设备费用5258。810轮式装载机台班710.770。8568。611电动空压机台班798。393。332658.612轴流通风机台班189。772.51476。313手持风动钻机台班60。38251509。514钻头磨床台班51.10。210.215气动锻钎机台班61。10。3320。216小型机具费元115.3115.3汇总

8508。8表4

翻渣、解小等实测费用表工、料、机名称单位单价（元）定额数量金额一人工费用816.71人工工日20.140。63816。7二材料费用903。22风镐钎子个36.4120728。23电kw.h0。35155。34高压胶皮风管m12。4810。56131。85其他材料费元13838.0三机械设备费用8990。16挖掘机台班1987。52.525008。67机动空压机台班491。092.521237。58轴流通风机台班189。775。04956。49风镐台班57。1430。161723。310气动锻钎机台班61。10。848。911小型机具费元115.3115。3汇总10710.07.3。3浸泡、装药、胀裂总孔数=235+448+354=1037个钻孔总延米数=1037个×1.1m/个=1140。7m该工序主要测算静态破碎剂消耗量及人工数额，不计机械费用。根据上述“技术参数指标”规定，参考上限计算.实际装药计算量=1037孔×1.1m/孔×2.5kg/m=2851。75kg静态破碎剂费用金额=2851.75kg×3。75元/kg=10694。1元人工及其他材料费用=980.5元（分析过程从略)该工序费用=10694。1元+980.5元=11674。6元7。3。4挖掘机翻渣，风镐解小、破碎，找顶由于静态爆破仅仅使得围岩胀裂,但是没有破碎和垮塌,石渣仍是紧密，因此还必须采用人工风镐配合挖掘机进行翻渣和解效、破碎，然后进行人工配合机械修钎找顶等工序。其费用实测分析如表4。7。3.5机械装渣、自卸汽车运输弃渣采用轮式装载机进行装渣，12吨以内的自卸汽车运输弃渣（运距为1.5km）。此部分单价按照合同单价进行计算。一循环实际费用为11580.5元。7.3.6其他辅助材料及人工主要是施工过程的保护材料、胀裂过程中的保温材料设施等。按工、料、机之和5%考虑计算.7。4隧道静态爆破建筑工程单价综上所述，每一循环施工实测费用=3951.6元+8508。8元+11674.6元+10710。0元+11580。5元+(3951。6元+8508。8元+11674.6元+10710.0元+11580。5元）×5%=46425.5元每方实测直接费=46425.5元÷124。8m3=372。0元/m31m3围岩静态爆破建筑安装工程费的计算过程，详见表5.表5

建筑安装工程单价表施工项目单价(元）定额编号定额单位施工条件和方法隧道静态爆破593。2实测工序计算1m3超前注浆小导管、布孔、钻孔、拌制、