溫尊禮，徐全軍，廖 瑜，姜 楠，楊 濤，劉 迪

(1．核工業(yè)南京建設(shè)集團(tuán)公司，江蘇南京210003;2．解放軍理工大學(xué)工程兵工程學(xué)院，江蘇 南京210007)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、城市交通量驟增，城市擁堵已成頑疾，嚴(yán)重制約著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。市區(qū)交通隧道地下交通設(shè)施的建設(shè)是醫(yī)治這一頑癥的有效途徑。一般城市地鐵和交通隧道都具有埋深較淺、穿越地表建筑物密集2個(gè)特點(diǎn)?？臻g的限制不可避免地會(huì)遇到新建設(shè)的隧道、基坑等與已運(yùn)行地鐵隧道近距離的相互交叉問題。這種城市新建地鐵隧道或公路隧道與既有運(yùn)行地鐵隧道小凈距交叉問題越來越多且日益復(fù)雜，運(yùn)行地鐵保護(hù)問題日益突出。為控制爆破震動(dòng)產(chǎn)生的危害，常采取縮短循環(huán)進(jìn)尺控制爆破規(guī)模;隧道輪廓線周圍布置減震孔［1，2］;掏槽孔采用間隔裝藥，孔內(nèi)分段毫秒延遲等減震措施［3］。以上措施在工程實(shí)踐中都能取得良好的效果，當(dāng)鉆爆法施工風(fēng)險(xiǎn)度處于高度關(guān)注范圍時(shí)，這些減震措施會(huì)影響工程施工進(jìn)度、增加施工難度及工作量。為縮短工期，實(shí)現(xiàn)施工過程安全、環(huán)保、無震動(dòng)，大孔徑靜態(tài)破碎掏槽技術(shù)便應(yīng)運(yùn)而生。

1 大孔徑靜態(tài)破碎劑反應(yīng)機(jī)理

文獻(xiàn)［4］在孔徑100和40 mm的鋼管中進(jìn)行膨脹壓力和反應(yīng)溫度測試。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn):100 mm鋼管中，反應(yīng)進(jìn)行到第55 min時(shí)，膨脹壓力發(fā)生壓力突躍，即膨脹壓力從30 MPa瞬時(shí)突躍到240 MPa;第65 min時(shí)，膨脹壓力達(dá)到穩(wěn)定值97 MPa;反應(yīng)溫度在40 min時(shí)達(dá)到235℃。而40 mm鋼管中產(chǎn)生的破碎劑膨脹壓力最大值是100 mm鋼管的1/8，破碎劑膨脹壓力穩(wěn)定值是100 mm鋼管的0.31倍，不會(huì)出現(xiàn)膨脹壓力突躍，反應(yīng)峰值溫度是100 mm鋼管的0.15倍，膨脹力達(dá)到穩(wěn)定時(shí)間是100 mm鋼管中的40倍。漿體熱膨脹力的不同是大孔徑靜態(tài)破碎相較于小孔徑靜態(tài)破碎具有高反應(yīng)溫度和高膨脹壓力的原因。

常溫下，靜態(tài)破碎劑中的堿性物質(zhì)與氣膨劑反應(yīng)產(chǎn)生氣體，釋放熱量。熱量的累積為CaO水化反應(yīng)提供激發(fā)能，隨著水化反應(yīng)的進(jìn)行，漿體形成強(qiáng)度較低的多孔粘塑體。熱量的積聚和體積的膨脹在炮孔約束體內(nèi)形成了高溫高壓環(huán)境，CaO與SiO2在高溫高壓作用下，充分反應(yīng)生成一系列具有膠結(jié)性和一定抗壓強(qiáng)度的結(jié)晶水化物填充多孔粘塑體，形成強(qiáng)度很高的漿體結(jié)構(gòu)。該漿體結(jié)構(gòu)體積膨脹和熱膨脹之和大于約束體體積形成一種不協(xié)調(diào)裝配而產(chǎn)生膨脹壓力。相同炮孔深度條件下，隨著炮孔孔徑增加，水化反應(yīng)速度成指數(shù)增長，水化反應(yīng)釋放的能量快速積聚，在高溫作用下，熱膨脹力瞬時(shí)增大，膨脹壓力出現(xiàn)突躍升高;由于高強(qiáng)度粘塑體形成過程對熱量的不斷消耗，熱膨脹力急劇下降，高強(qiáng)度粘塑體形成后，膨脹壓力趨于穩(wěn)定。因此，靜態(tài)破碎膨脹壓力和反應(yīng)溫度隨孔徑增大而增大。巖石抗拉強(qiáng)度一般低于30 MPa，因此，大孔徑靜態(tài)破碎技術(shù)運(yùn)用到掏槽的工程實(shí)踐中具有現(xiàn)實(shí)可行性。

2 大孔徑靜態(tài)破碎機(jī)理

2．1 大孔徑靜態(tài)破碎劑膨脹壓力

靜態(tài)破碎劑膨脹受到約束時(shí)，漿體介質(zhì)對容器壁施加的作用力即為靜態(tài)破碎劑膨脹壓力。膨脹壓力值大小主要依賴于約束體剛度和體積膨脹率，對于相同約束剛度的介質(zhì)，靜態(tài)破碎劑產(chǎn)生相同大小的膨脹壓力。因此，在不利于測試的巖石介質(zhì)中測試膨脹壓力時(shí)，尋求相同剛度的金屬管替代巖石膨脹壓力測試。膨脹壓力值是靜態(tài)破碎掏槽技術(shù)的關(guān)鍵參數(shù)。利用電阻應(yīng)變片法用金屬管對靜態(tài)破碎劑的膨脹壓力進(jìn)行測試，膨脹壓按下式計(jì)算［5］:

式中:P——膨脹壓，MPa;Es——鋼管彈性系數(shù);K——鋼管系數(shù);εθ——鋼管圓周方向應(yīng)變量;μ——泊松比，取0.3。

2．2 大孔徑靜態(tài)破碎炮孔間距近似計(jì)算模型

炮孔間距大小主要由破碎劑膨脹壓力P、炮孔直徑d和巖石靜態(tài)斷裂韌性KⅠC決定。Shobeir Arshadnejad利用量綱分析理論建立了炮孔間距方程［6］:

式中:β——無量綱系數(shù)，通過試驗(yàn)修正。

巖石靜態(tài)斷裂韌性KⅠC是表征巖石介質(zhì)抵抗斷裂能力的大小，與巖石斷裂裂紋幾何形狀和強(qiáng)度相關(guān)。為進(jìn)行工程近似計(jì)算，當(dāng)巖石單軸抗拉強(qiáng)度滿足0.5 MPa≤σt≤20 MPa 時(shí)，J．A．Huang建立了靜態(tài)斷裂韌性與單軸抗拉強(qiáng)度經(jīng)驗(yàn)計(jì)算模型［7］。表達(dá)式為:

將式(5)代入式(4)，則無量綱系數(shù)β修正公式為:

3 大孔徑靜態(tài)破碎掏槽試驗(yàn)及分析

3．1 試驗(yàn)裝置

目前，靜態(tài)破碎技術(shù)都是基于小孔徑靜態(tài)破碎技術(shù)，一旦炮孔孔徑增加，極易出現(xiàn)危險(xiǎn)的噴孔現(xiàn)象。經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)，設(shè)計(jì)出基于動(dòng)量平衡原理的大孔徑靜態(tài)破碎平衡密封裝置。平衡密封裝置由中心鋼筋、內(nèi)外頂盤，硅膠套，無紡布袋，螺絲、墊片等組成，如圖1所示。靜態(tài)破碎劑膨脹作用時(shí)，同時(shí)產(chǎn)生向下和向上的軸向膨脹力，該裝置使軸向力相互平衡抵消，加上硅膠套的密封作用，使破碎劑漿體產(chǎn)生的膨脹力大部分作用在炮孔壁上，實(shí)現(xiàn)直孔內(nèi)大孔徑靜態(tài)破碎。

圖1 自平衡密封裝置

3．2 大孔徑靜態(tài)破碎模擬掏槽試驗(yàn)

此次試驗(yàn)為巖石3孔試驗(yàn)，其中頂部孔為空孔。為模擬隧道掏槽工程實(shí)踐，選取高為8 m，寬為無限巖石介質(zhì)峭壁。試驗(yàn)巖石為板巖，其抗壓強(qiáng)度約為8 MPa，抗拉強(qiáng)度約為98 MPa。根據(jù)巖石性質(zhì)，布置3個(gè)炮孔，炮孔間成等邊三角形布置，孔間距s=50 cm。距峭壁底部1.5 m處，按圖2所示鉆孔，孔深h=1.2 m，孔徑d=0.115 m，炮孔軸線與峭壁法線夾角為10°。安裝自平衡密封裝置，并將其塞入炮孔;根據(jù)炮孔體積公式V=πd2h/4算出所需破碎漿體體積，繼而計(jì)算出破碎劑用量;將破碎劑按照水灰比為0.3的比例與水?dāng)嚢杈鶆?，灌滿115 mm炮孔。轉(zhuǎn)動(dòng)鋼盤，使用扳手將堵孔器上端螺母擰緊。2 h后，炮孔邊緣形成微小裂縫;2.5 h后，左邊炮孔形成長約為1.0 m，寬約為0.02 m的裂縫(如圖3、圖4所示)。右側(cè)炮孔形成長約為0.7 m，寬約為0.01 m的裂縫。巖石開裂過程無噪聲、無震動(dòng)、無飛石。

圖2 試驗(yàn)前后對比

圖3 試驗(yàn)后裂縫最大長度

圖4 裂縫最大寬度

3．3 試驗(yàn)結(jié)果分析

大孔徑靜態(tài)破碎技術(shù)進(jìn)行隧道開挖時(shí)必須選好爆破設(shè)計(jì)參數(shù)，以便控制開挖整個(gè)過程，保護(hù)既有結(jié)構(gòu)物，實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)。巖石在破碎劑漿體膨脹力作用下，產(chǎn)生兩條裂紋，裂紋發(fā)展方向?yàn)閹r石抗拉強(qiáng)度較小方向;當(dāng)炮孔周圍有空孔時(shí)，另一條裂紋向空孔方向發(fā)展。因此，進(jìn)行隧道掏槽工程實(shí)踐，利用空孔對裂紋發(fā)展的導(dǎo)向作用，實(shí)現(xiàn)高效掏槽。

為獲得大孔徑靜態(tài)破碎孔間距離公式修正系數(shù)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，在同種巖石中分別進(jìn)行了4次試驗(yàn)，裂縫長度測試結(jié)果如表1所示。

表1 介質(zhì)裂縫長度

巖石在靜態(tài)破碎劑作用下，巖石裂縫形成時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于1 h，因此，大孔徑靜態(tài)破碎膨脹壓力取膨脹壓力測試穩(wěn)定值，即P=97 MPa;將表1參數(shù)代入式(6)，分別得到 β1=1.14×10－2;β2=0.79 ×10－2;β3=1.12 ×10－2;β4=0.86 ×10－2。以上數(shù)據(jù)是基于炮孔最長裂隙所得的結(jié)果。在裂紋后半部分，裂紋未在巖石法線方向形成貫穿裂縫，即在裂紋后半部分是表面裂縫。經(jīng)過反復(fù)模擬掏槽雙孔試驗(yàn)，當(dāng)裂縫計(jì)算長度s≤0.5 m時(shí)，能夠在孔間形成貫穿裂縫，最大裂縫寬度達(dá)0.02 m。將s=0.5 m代入式(6)可得:β=0.509×10－2。最大孔間距近似計(jì)算模型可寫為:

本次試驗(yàn)形成了裂縫，但并沒有實(shí)現(xiàn)壓碎巖石的目的;下一步，將設(shè)計(jì)采取組合炮孔形式進(jìn)行掏槽施工，即兩孔或多孔間距＜25 cm組成一組炮孔，不同組別炮孔間距取0.5 m，試圖實(shí)現(xiàn)巖石掏槽。

4 結(jié)論

(1)通過發(fā)明基于動(dòng)量平衡原理新型密封裝置，解決了大孔徑靜態(tài)破碎噴孔難題。經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)和改進(jìn)，達(dá)到巖石破碎目的，實(shí)現(xiàn)了大孔徑靜態(tài)破碎掏槽技術(shù)。

(2)結(jié)合孔間距實(shí)測數(shù)據(jù)，修正了基于量綱分析理論大孔徑靜態(tài)破碎孔間距近似計(jì)算公式。為大孔徑靜態(tài)破碎掏槽孔網(wǎng)布置工程實(shí)踐提供了依據(jù)。

(3)大孔徑靜態(tài)破碎技術(shù)高效、安全、環(huán)保、無震動(dòng)，為解決禁爆區(qū)和環(huán)境敏感區(qū)域施工，提供了一種新型施工工法。提出組合炮孔大孔徑靜態(tài)破碎工法，可加大巖石破碎程度。

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