无自由边界静态爆破在内罗毕国家公园特大桥工程中的应用

无自由边界静态爆破在内罗毕国家公园特大桥工程中的应用张兵;郑晓平;潘博博;王伟立;庄冬利;肖汝诚
【摘要】肯尼亚共和国内罗毕国家公园特大桥跨越生态敏感区,其基础岩体的开挖采用了无自由边界的静态爆破技术.施工伊始,通过数值模拟的方法进行无自由边界静态爆破技术的参数研究,给出了用于指导特大桥基础开挖的静态爆破参数取值,并通过现场试验验证了该参数的可靠性.
【期刊名称】《建筑施工》
【年(卷),期】2019(041)005
【总页数】6页(P922-926,932)
【关键词】桥梁基础;无自由边界静态爆破;参数研究;岩石开挖
【作者】张兵;郑晓平;潘博博;王伟立;庄冬利;肖汝诚
【作者单位】中国路桥工程有限责任公司北京 100010;中交第二公路工程局有限公司陕西西安 710065;中交第二公路工程局有限公司陕西西安 710065;同济大学土木工程学院上海 200092;同济大学土木工程学院上海 200092;同济大学土木工程学院上海 200092
【正文语种】中文
【中图分类】TU751
1 工程概况
内罗毕国家公园特大桥所跨越的内罗毕国家公园属于生态环境敏感区，施工期生态
环保要求高。

为减少对生态敏感区内环境的扰动，实现内罗毕国家公园特大桥的绿色施工，大桥基础岩体的开挖拟采用无自由边界静态爆破技术。

静态爆破技术是指在人工布孔后装填以生石灰为主要成分的静态破碎剂[1]，利用其遇水膨胀的特性
使岩石开裂破碎，最后用风镐、冲击锤等工具对其进一步破碎、剥离的岩石破碎裂解方法。

2 关键问题
静自由边界的存在，可以使静态爆破的效果大大提高，但内罗毕国家公园特大桥桥址处基岩除上表面外，再无裸露面，属于无自由边界情况。

如何确定适用于无自由边界条件下静态爆破的孔眼参数选取，是实现内罗毕国建公园大桥基岩开挖绿色、快速施工的关键。

3 研究内容
为实现内罗毕国家公园特大桥施工的经济、绿色、安全与可持续，在对场地地质条件、岩石特征进行调查和分析的基础上，针对基础岩体爆破无自由边界的特点，采用数值分析方法，详细分析了孔径、孔距、排距和边界孔孔距等布孔参数对破碎效果的影响；对比分析了不同的装药孔布置形式的岩体破碎性能与经济性指标的优劣；通过现场试验对研究所得参数与布置形式进行了验证，总结出适用于生态敏感区的无噪声、无振动、无危害的桥梁基础静态破碎孔眼布置参数。

4 静态爆破参数选取
静态爆破的主要爆破参数有破碎时的最小抵抗线、孔距和排距、孔径、孔深和钻孔方向[2]。

对于无自由边界静态爆破，需要人工布设空孔构造自由边界，空孔孔距
也是影响参数之一。

依据内罗毕国家公园特大桥的工程需求，本研究的主要参数对象为孔径、孔距、排距与空孔孔距。

布孔的形式对于静态爆破的效果影响巨大，不同的布孔形式之间有不同的孔眼排列形状，不同的装药孔与补偿孔的组合方式。

静态破碎剂反应后膨胀力增长需要12 h以上，内罗毕国家公园特大桥由于工程量巨大，对施工时间的控制要求高，因此静态爆破设计力求一次爆破完成。

为此，选取了3种爆破孔的布置形式进行对比（图1）。

普通排列即指横排竖列都对齐的排列方式；单排梅花指一排装药孔与一排补偿孔交替排列，并且相互错开；双排梅花指两排装药孔与一排补偿孔交替排列，装药孔间互相对齐，但与补偿孔相互错开。

图1 布孔形式
图中，带阴影圆孔为装药孔，无阴影圆孔为补偿孔，矩形边界上的孔为空孔。

空孔布设的目的是人为构造自由边界，减弱岩体的约束度，保证静态破碎达到理想效果。

5 参数数值分析
5.1 模型建立
采用ANSYS有限元分析软件对基岩静态爆破进行数值分析。

根据内罗毕国家公园特大桥实地条件，依据拟定无自由边界静态爆破方案布置孔眼。

由于大桥基础开挖处皆为完整岩层，为模拟待爆破区域的边界约束情况，将待爆破区域的四周以及下方向外扩展一倍；该区域除地表裸露面外，所有表面均采用固定约束；非爆破区岩体为待爆破区域岩体的约束。

建模采用soild65单元实体建模，由于结构受力有2条对称轴，为减少计算时间，实际采用1/4模型进行计算，2个对称面上均采用对称约束（图2）。

材料参数的确定依据内罗毕国家公园特大桥实地的地质勘查报告与岩土工程试验检测手册[3]，本模型中岩体材料弹性模量取25 GPa，质量密度取2.44 g/cm3，泊松比取0.18，抗拉强度取2 MPa。

对岩体内装药孔表面施加均布压力[4]，大小依据我国标准JC 506—2008《无声破碎剂》中各型号静态破碎剂膨胀压参考值。

图2 无自由边界静态爆破模型示意
5.2 装药孔孔径
在2 m×2 m的模拟岩体区域内布置孔径分别为30、40、50、60 mm的装药孔，
分别模拟在施加相同的膨胀压力的情况下，装药孔周围应力分布（图3）。

图3 不同装药孔孔径应力分布
图中的灰色部分为最大拉应力低于2 MPa的区域，其余均为裂缝可能展开区域。

从图中可以看出，应力在装药孔周围呈现圆形扩散，距离装药孔越近的区域应力越大，应力随距离的增加较快地衰减。

因此在装药孔孔径较小的范围内，提高装药孔孔径有利于增加静态爆破的效率。

但装药孔孔径的增大容易引发冲孔问题。

装药孔孔径往往受到现场施工设备的制约，钻孔设备的钻孔直径无法连续控制。

综合考虑以上因素，为尽量达到理想破碎效果，同时保证经济性与安全性，装药孔孔径可取40 mm左右。

5.3 布孔形式
布孔形式对于静态爆破的效果影响巨大，即使在相同的孔径与排距下，不同的布孔形式对于应力的分布仍然起着巨大作用，因此有必要先确定最优的布孔形式。

取装药孔孔径40 mm，孔距25 cm，排距20 cm的情况下进行了普通排列、单排梅
花与双排梅花这3种布置形式的对比分析（图4）。

图中除灰色区域外，其余区域最大拉应力均超过2 MPa，可能产生裂缝。

图4 不同布孔形式应力分布
按每米钻孔需要静态破碎剂2.1 kg来计算3种不同布孔形式的单位体积钻孔量与
用药量，如表1所示。

表1 不同布孔形式经济指标布孔形式单位体积钻孔量/m3 单位体积用药量/kg普通排列 0.025 1 42单排梅花 0.037 3 21双排梅花 0.033 2 28
综合应力分布与经济性指标，单排梅花形的布孔方式具有最优的爆破效率，经济指标更好，是最推荐使用的布孔形式。

当补偿孔孔径与装药孔孔径一致时，单位体积钻孔量相对于普通布孔形式差距更小。

当爆破强度不足时，可以采用双孔梅花形布置。

5.4 孔距与排距
本研究对比了（a）孔距25 cm、排距20 cm，（b）孔距30 cm、排距25 cm，（c）孔距35 cm、排距30 cm，（d）孔距40 cm、排距35 cm共4组孔距与排距的不同组合，孔眼布置形式为单排梅花形的应力分布（图5）和孔眼布置形式为双排梅花形的应力分布（图6）。

单排梅花形布置时，不同孔距与排距组合所对应的经济性指标如表2所示。

双排梅花形布置时，不同孔距与排距组合所对应的经济性指标如表3所示。

综合应力分布与经济性指标，通常情况下布孔时，孔距30 cm、排距25 cm的组合可以轻松实现岩体的充分爆破；孔距35 cm、排距30 cm的组合在破碎强度足够的情况下也可以实现岩体的充分破碎。

总体来说，孔距与排距的选择可以控制在30～35 cm。

从以上孔距与排距的参数对比中可以发现另外2个与岩体破碎效果有关的参数，分别是单位体积钻孔量和单位体积用药量。

若要实现待爆破岩体的充分破碎，单位体积钻孔量不应低于0.023 0 m3左右，单位体积用药量不应低于19.6 kg左右。

图5 单排梅花形不同孔距与排距应力分布
图6 双排梅花形不同孔距与排距应力分布
表2 单排梅花形布置不同孔距与排距组合经济性指标孔距/cm 排距/cm 单位体积钻孔量/m3单位体积用药量/kg 25 20 0.066 0 31.5 30 35 0.037 3 21.0 35 30 0.025 8 14.7 40 35 0.018 1 10.5
表3 双排梅花形布置不同孔距与排距组合经济性指标孔距/cm 排距/cm 单位体积钻孔量/m3单位体积用药量/kg 25 20 0.056 5 42.0 30 35 0.033 2 28.0 35 30 0.023 0 19.6 40 35 0.016 2 14.0
5.5 空孔孔距
对于无自由边界的静态爆破，最大的困难在于自由边界的缺乏。

由于岩体没有自由
边界，所受约束充分，在静态破碎剂作用下缺少膨胀空间，使得岩体陷入三向受压的状态，难以产生裂缝，因此往往需要人工布置空孔形成自由边界。

基于单排梅花形的布孔形式，孔距取30 cm，排距取25 cm，对空孔孔距分别为无空孔，空孔孔距30、25、20 cm，自由边界等5种情况进行对比（图7）。

图7 不同空孔孔距时应力分布
对比不同空孔孔距时，除全自由边界外，应力分布情况基本相同。

随着空孔孔距的减小，待爆破岩体所受的约束不断减少，待爆破区域内高应力区缓慢增加，逐渐相互贯通。

当空孔孔距减小到0时，即为多自由面的孤立岩体，高应力区覆盖整个待爆破区域，破碎效果极佳。

理想的边界空孔分布应该如边界孔孔距30 cm组第2排装药孔排，此时边界的空孔较均匀地分布在装药孔排两侧，可以形成2条高应力带，在岩体破碎时产生最多的裂缝。

从边界空孔之间高应力区分布来看，空孔孔距为20～25 cm都有可能使裂缝在空孔间发展。

5.6 小结
根据以上分析结果，可以得到如下静态爆破参数选取规则：
1）装药孔孔径越大，破碎效果越好。

受成本与施工条件制约，通常可以选择40 mm左右。

2）单排梅花形的布孔形式是破碎效率最高的布孔形式，但其缺点在于爆破强度不足。

为增加爆破强度，可以采用双排梅花形的布孔形式。

3）孔距与排距的选择可以控制在30～35 cm。

若要实现待爆破岩体的充分破碎，单位体积钻孔量不应低于0.023 0 m3左右，单位体积用药量不应低于19.6 kg左右。

4）空孔孔距在20～25 cm时都有可能使裂缝在空孔间发展，但受空孔与装药孔相对位置的影响更大，边界的空孔应较均匀地分布在装药孔排两侧。

6 现场试验
6.1 布孔方案
设置下列4种试验方案（图8），参数见表4。

图8 方案布置
表4 4种方案参数汇总试验方案方案1 方案2 方案3 方案4试验范围/
（mm×mm）2 000×1 800 2 000×3 000 2 000×2 800 2 000×2 800孔径
/mm 40 40 40 40孔距/mm 350 400 350 500排距/mm 300 375 311 467孔深/mm 1 500 1 500 1 500 1 500空孔孔距/mm 200 200 200 200单位面积钻孔率/% 2.30 1.72 2.11 1.50
6.2 试验结果
按照上节设计的4种无自由边界静态爆破方案，在内罗毕国家公园特大桥施工现场进行了试验，以验证参数分析的结论。

6.2.1 方案1
约24 h之后，裂纹发展情况如图9所示，图中“1 mm表示裂纹宽度”。

图9 方案1试验结果
总体而言，本方案产生裂纹数量为中等，孔1-2和孔3-5周围裂纹较为密集；裂纹宽度较小，最大裂纹宽度为2 mm；裂纹走向受到初始节理影响，试验效果一般。

6.2.2 方案2
24 h后，裂纹发展情况如图10所示，图中“1 mm表示裂纹宽度”。

图10 方案2试验结果
总体而言，本方案产生裂纹数量为中等，孔3-2周围裂纹较为密集；裂纹宽度较小，最大裂纹宽度为5 mm；裂纹呈放射状展开，部分裂纹连成一片，试验效果一般。

6.2.3 方案3
24 h后，裂纹发展情况如图11所示，图中“1 mm表示裂纹宽度”。

图11 方案3试验结果
总体而言，本方案裂纹数量较多，孔5-2和孔8-2周围裂纹较为密集；大多数裂
纹宽度都达到1 mm以上；裂纹呈放射状展开，大多数裂纹连成一片，试验效果
较理想。

6.2.4 方案4
24 h后裂纹开展情况如图12中虚线所示，可以看到除去在第1排和第2排布药
孔之间些许的裂纹，几乎没有裂纹产生。

48 h后裂纹开展情况如图12中实线所示，在左方边界孔产生裂纹延伸至上方边界孔，同时向内延伸，并与初始裂纹汇合。

总体而言，本方案产生裂纹稀疏，岩体基本没有裂开，试验效果较差。

7 结语
本文针对内罗毕国家公园大桥施工现场生态敏感性强、环保要求高、基岩爆破开挖无自由边界的特点，结合现场地质条件，对无自由边界静态爆破的合理参数选取进行了参数分析，并通过现场无自由边界静态爆破试验验证了参数分析所得结果，主要获得了以下结论：
1）装药孔孔径40 mm、孔距35 cm、排距30 cm，空孔孔距20 cm，双排梅花形布置时，可取得良好的爆破效果。

2）岩石破碎的效果跟用药量有关。

用药量应不低于19.6 kg/m2。

图12 方案4试验结果
3）单排梅花形的布孔形式是破碎效率最高的布孔形式，但其缺点在于爆破强度不足；为增加爆破强度，可以采用双排梅花形的布孔形式。

4）静态破碎中，破碎体（岩石）的裂纹一般从装药孔开始发展，延伸至补偿空孔或边界空孔，空孔对裂纹的发展具有一定的导向作用。

5）静态破碎的过程需要较长的时间，一般12 h以后才能发挥作用，随着时间的
推移，裂纹会越来越多，裂纹宽度越来越大，直至岩体破碎；整个破碎过程无振动、飞石、粉尘等污染产生，对周围环境没有产生很大影响，体现了绿色施工的特点。

以上结论均对内罗毕国家公园特大桥基础爆破开挖起到了重要指导作用，使施工过程绿色化、高效化，同时为今后特殊区域岩体爆破开挖工程提供了参考依据。

参考文献
【相关文献】
[1]王玉杰.静态破裂技术及机理研究[D].武汉:武汉理工大学,2009.
[2]曹鑫.静态破裂剂膨胀机理的研究[D].武汉:武汉理工大学,2007.
[3]林宗元.岩土工程试验监测手册[M].北京:中国建筑工业出版社,2005.
[4]邹俊兴.静力破碎剂的压力特性[J].湖南科技大学学报(自然科学版),1993(1):23-27.。