无声破碎剂在土木工程施工中的应用

无声破碎剂在土木工程施工中的应用

案例1：兴安煤矿四水平埋深750米，属中生代白垩纪地层。该地层膨胀性矿物含量较高，地压明显，支护难度大，受地质条件影响，使得新副井四水平车厂巷道及新副井井筒-512~-484m段遭受到严重破坏。经过一月多修复，现车场巷道及附近筒室均已施工完成，只剩下新副井井筒破坏端没有施工。由于新副井罐笼的一些提升设备不能拆除，并且井底车场巷道已经施工完成。井筒与马头门段形成了一个应力集中区，如果放炮施工，井筒内的设备及已形成的巷道必然遭受破坏。为了避免围岩受到再次扰动而产生大的塑性变形，此段修复采用无声破坏剂配合风镐进行破壁施工。

使用方法及技术要求 ：

1.使用方法：无声破碎剂与水拌合较稠，要有流动性，在10min内全部灌入孔中。灌入前将孔清理干净，不得有水和杂物。一般1400~1600mL水配制5kg破碎剂。低温时可用20℃温水拌制。

2.技术要求：（1）膨胀压随温度的增大而增加，因此实际使用，在保证不喷孔的条件下，使用温度越低的型号产品效果越好。采用温水搅拌药剂，灌注后要用草席等物覆盖保温。（2）膨胀压随时间增大而增加，因此在施工过程中，采取钻孔注药与破岩间隔一个班，这样既保证预裂时间，又错开施工工序。（3）膨胀压随加水量的增加而减低，因此实际使用中，在满足施工需求时水加的越少越好。同时必须有效的控制井壁的水源，在井壁的上部打一个临时导水槽，将井壁上部淋水汇集一处排出。（4）膨胀压随孔径的增大而增加，实际使用中，在保证不喷孔的条件下，孔径越大越好，因此采用大钎头打孔。（5）增大膨胀的自由空间，即沿井筒圆周将井壁切割成四段施工，这样既保证增大膨胀的自由空间，又有利于合理安排施工工序。

3.施工技术：破壁采取分段式由上向下施工。首先用液压链条锯将筒井同一段平均高分成四段，然后进行第一段高采用横向打眼注药，即眼孔垂直于井壁，孔深700mm,间距300mm，排距200mm，第一段高为1m孔应向下倾斜，调和药剂应稠些，以泥状为宜。待8h后，用风镐将其破除进行锚网索喷，完成初次支护，

当再向下施工时，打眼采用纵向打眼，即在第一段高所留的接茬处向下打眼，眼孔与井筒中心平行。孔深0.8m，间距0.4m，排距0.3m。每班采取对角施工，即上班在A、C区打眼，装药进行预裂，同时在B、D区进行打眼装药预裂，为下一班做准备。下一班将预裂段永风镐破壁，然后锚网索喷初次支护。保证欲裂时间不少于6h,如此循环进行破壁施工。这样既可完成平行作业，又可提高施工速度。

案例2：北京市北环水系北护城河段、亮马河段综合治理工程北护城河段,西起西直门暗涵出口,东到东北城角,工程桩号0 + 000～5 +820 ,全长5 820 m。北护城河与北二环路平行,沿线依次坐落有德胜门、鼓楼大街、安定门、雍和宫、地坛公园等重要建筑物。综合治理范围为北护城河暗涵出口至东北城角段,宽度范围为河道上开口内。综合治理工程主要工作内容为河底清淤及部分挖深、拆除原有挡墙、新建挡墙、栈桥、码头及护砌生态岸坡等。本次综合整治工程为世界银行贷款项目,其工程质量、安全和环境保护要求较同类工程更为严格。根据设计要求,1 + 480～2 + 386 和2 + 774～5 + 709 段原混凝土挡墙部分拆除后必须保证剩余部分的安全和强度等使用功能不受影响,以便能与新建挡墙牢固连接。

拆除方案的选择

综合考虑工程质量、安全和环境保护的要求,确定用无声静态破碎剂胀碎法结合人工机械拆除,用破碎剂胀碎法,施工过程中无爆破声响、无飞石、无振动、无毒气、对周围环境无干扰,满足工程安全和环保要求[ 1 ,2 ,5 ] 。为此进行试验段施工,在确保施工方案可行后方可进行大面积拆除。

无声破碎剂拆除试验

试验段及破碎剂选择

为保证拆除方案的可行性和拆除质量,确定施工各项参数,决定在2 + 306. 7～2 + 317. 7 ( Ⅰ试验段) 和2 + 317. 7～2 + 327. 7( Ⅱ试验段) 取两个试验段进行试验,通过现场试验选用合适的施工方案及参数。挡墙拆除高度0. 7 m～

1. 7 m ,使用无声破碎剂配合分裂机、液压破碎锤进行拆除。原挡墙完整性较好,且在开挖过程中只有一个自由面,因此,必须选用能提供较大膨胀力的静态破碎剂,经比选后采用了中岩牌高效静态破碎剂(HSCA) 。

钻孔参数设计

根据已有施工经验的钻孔参数[ 2～4 ,6 ] 见表1 ,设计两个试验段的钻孔参数,其中Ⅰ试验段钻孔孔口位于拆除高程以上5 cm 处,孔向水平下倾30°,孔距30 cm ,孔径3 cm ,孔深40 cm; Ⅱ试验段钻孔孔口拆除高程以上5 cm 处,孔向水平下倾30°,孔距50 cm ,孔径4 cm ,孔深50 cm。

表1 钻孔参数

被破碎物体 孔径/ mm 孔距/ cm 孔深 抵抗线/ cm 用量/ kg·m- 3

软质岩破碎 35～50 40～60 H 40～60 8～10 中硬质岩破碎 35～65 30～60 1. 05 H 30～50 10～15 岩石切割 30～40 20～40 H 100～200 5～15 素混凝土破碎 35～50 40～60 0. 8 H 30～40 8～10 钢筋混凝土破碎 35～50 15～30 H 20～30 5～25

拆除步骤

1) 布孔:如图1 所示。2) 清孔:钻孔完成后,采用高压风清孔。在充填浆体前清除干净孔内杂物,禁止有水进入孔内稀释浆体,影响破碎效果,延长破碎时间。3) 填充:将孔内杂物用气泵吹干净后,将搅拌好的无声破碎剂浆体在短时间内灌入孔中,经过3 h～20 h 后无声破碎剂产生膨胀压,可使岩石产生裂纹,随着时间推移裂纹会不断扩大。最后用挖掘机挖装铲除作业。4) 在水平的裂缝形成后,使用人工风镐和分裂机将待拆除的混凝土墙破碎后装车外运。

试验结果

统计结果表明： Ⅰ试验段钻孔共34 个, Ⅱ试验段钻孔共21个。水和破碎剂均按1∶2. 85 的比例配制,共用2 箱(40 kg) 高效无声破碎剂。在2005 年9 月11 日上午8 点开始填无声破碎剂,10 点45 分填完。次日凌晨3 点开始裂缝,上午8 点检查裂缝的结果。检查结果: Ⅰ试验段的混凝土挡墙全部在设计拆除高程附近裂开,开裂线与设计拆除线偏差2 cm～3 cm ,符合设计要求; Ⅱ试验段2 + 317. 7～2 + 324 范围,已经裂开,开裂线与设计拆除线偏差3 cm～4 cm ,比Ⅰ试验段的偏差稍大但仍符合设计要求,而2 + 324～2 + 327. 7 范围内的混凝土挡墙却没有开裂,2 + 324～2+ 327. 7 段未开裂的原因可能与钻孔间距过大、施工

过程中水和破碎剂未严格按厂家推荐的比例配制(浆体偏稀) 或充填不够密实有关。根据实验结果,在确保钻孔间距既便于拆除施工又不影响剩余部分结构使用功能的前提下,经现场监理确认,项目部确定了按Ⅰ试验段的施工参数进行全施工段内的挡墙拆除的施工方案。

案例3：哈尔滨动力股份设备有限公司出海口基地二期工程位于河北省秦皇岛市经济技术开发区东区(山海关开发区) ,山海关船厂西侧,哈动力一期试车站南侧。该出海口基地二期工程包括铁路专用线两条,露天堆场一座,重型容器联合厂房及附属建筑(探伤室、去离子水站、仓库、清洁室、喷丸室等) 。其中,露天堆场长约270 m ,宽约50 m ,占地面积约13 500 m2 ,设30 m 跨50 t 龙门吊一部;重型容器联合厂房为四跨单层建筑,建筑高度约30 m ,南北长约180 m ,宽约136. 2 m ,占地面积约24 500 m2 ;西部两跨,跨距30 m ,设160 t 桥式吊车两部,50 t 桥式吊车一部;重型容器联合厂房附属建筑均为一层,占地面积约6 500 m2 ;建筑占地总面积约44 500 m2 。重型容器联合厂房拟采用排架结构,独立柱基础,最大单柱荷载40 000 k N ;附属建筑采用独立基础,基础埋深约2. 0 m～3. 0 m;建筑重要性等级为二级,场地和地基等级均为二级。

本工程两轴各有一基础承台与原码头露天跨承台咬合,由于设计变更,需将原露天跨预留杯口的部分结构进行破坏,以满足与本工程承台的结合。但由于露天跨承台已于2004 年底施工完毕,其结构使用的是C40 混凝土,在长期地下水的养护下经现场使用混凝土强度回弹仪测定,实际强度已达到不小于C55 混凝土的强度。

经项目部相关人员讨论决定,为了保证原露天跨承台的结构安全,决定进行人工剔凿,使用风镐配合施工。经过10 多天的施工,觉得方法虽然可行,但已是10 月中旬,天气一天天变冷,为了保证工期及施工质量,必须寻找更加有效的施工方法来加快施工速度。

无声破碎剂施工工艺

1) 施工前应检查药剂包装是否完好无损(包装破损的材料有可能影响施工质量) ,并准备好足够的药剂、洁净拌合水、塑料拌合桶、木质捅竿、防护眼镜、橡胶手套、防护面罩、封口器(木楔和铁楔) ,准备完毕,开始进行打眼,为了保证

原承台结构的安全性,采取从中间向两侧步眼,并根据表1 选用直径为40 mm 的钻头(由于破碎部分深约6 000 mm ,钻杆选用1 500 mm～2 000 mm) ,孔距定为20 cm ,距需保留部位300 mm 停止步眼(破坏范围约为200 mm) 。每一层约130 个～150 个眼,打眼完毕,仔细用吹管将眼内残留的杂物全部吹净,并尽量无水。

表2 钻孔参数与使用量

被破碎体

使用量

kg/ m2

钻孔参数

孔径/ mm 孔距/ cm 孔深

软质岩破碎35～50 40～60 H 8～10

中硬质岩破碎35～65 40～60 H + 5 %H 10～15

岩石切割30～40 20～40 H 5～15

无筋混凝土、孤石35～50 40～60 80 % H 8～15

钢筋混凝土35～50 15～30 90 % H 15～25

布眼设计原则:中心孔间距取决于孔径大小以及岩石硬度,如果要最佳破碎效果,在正常施工前须预测试。小的孔径,中心距会越小; 大的孔径,中心距会越大,会加速破碎时间,例: dia30 mm:35 cm(hole to hole) , dia35 mm:40 cm , dia40 mm:45 cm , dia45 mm:60 cm。

钻孔直径与破碎效果有直接关系,眼孔过小,不利于药剂充分发挥效力;眼孔过大,易冲孔。一般推荐用直径为40 mm 的钻头。当被破碎对象为孤立体时,钻孔深度为破碎体厚度的80 %～90 %。孔内有余水和余渣应用高压风吹洗干净。非爆炸性无声破碎剂是一种粉末材料,使用前需与清洁冷水进行充分混合。即按一包药剂加30 %～34 %的水(重量比) 来调配浆水,也就是大约将1. 5 L～1. 7 L 水倒入搅拌容器中,再缓缓倒入一袋5 kg 的非爆炸性无声破碎剂充分地搅拌成流动性的浆体,如用手搅拌时要戴橡胶手套。

2) 将拌和好的非爆炸性无声破碎剂浆体迅速倒入孔内后,并用略小于钻孔的捅杆捣实捅紧,灌满后立即用海绵或布料头将孔口塞住。在操作过程中必须要将药剂全部装满孔深的100 %。工人在施工中,必须保证配合默契,要做到随清孔、

随拌药、随灌药,已经发烫或开始冒气的药剂不得向孔内填注,要少拌勤装,才能保证最好的施工效果,在灌孔作业完毕后,安排专人进行看护,无关人员不得靠近,预防喷孔发生时,造成人员伤亡事故。

差异性

无声破碎剂静力破碎技术破壁采取分段式施工，在案例1中既可完成平行作业，又可提高施工速度。控制了作用体本身的塑性变形，保证了附近巷道的稳定相比较案例2和3更加省时工作效率更加高，由于受限于地质地貌对技术要求更高。

无声破碎剂是一种粉状高效能安全破碎材料,用以安全拆除混凝土建筑和开采切割大理石、花岗岩。用水将无声破碎机调成浆体灌入岩石或混凝土钻孔中,经8 h～48 h 产生的膨胀压可使被破碎体产生裂纹,随着时间的增加裂纹会不断扩大,利于铲除作业。故而特别适用在不宜采用炸药爆破的场合,进行破碎或拆除作业。相比较案例1和3由于在露天护城河段，人流不大使用起来更加简便,不会因为担心中断交通,而停工停产。

案例三中无声破碎剂自身与适量的水拌和后即开始水化反应,经凝结、硬化同时发生显著的固体膨胀, 非爆炸性无声破碎剂浆体灌入混凝土和岩石的钻孔中可产生大于50 M Pa 的膨胀压力。混凝土的抗拉强度为2 M Pa～4 M Pa ,无声破碎剂能使混凝土破碎,是基于它对孔壁产生的膨胀压力而引起的张拉应力大大超过它们的抗拉强度所致。相比较案例1和2，它是在哈尔滨低温作业，由于无声破碎剂的使用温度是-35℃~50℃，受低温影响较小，在中国温度较低的环境下亦可使用。

优缺点

案例1中采用无声破碎技术拆除井壁，减少了对围岩的多次扰动，有效控制了软岩的塑性变形，保证了附近巷道的稳定。充分发挥了无声破碎剂在地面的应用效果，使预破井壁出现明显裂纹，用风镐很容易破除，大大提高了工作效率。随着深度的增加，各矿井陆续进入深度开采，围岩的松软特性也相应显现，对于

拆除地下工程受限于地形地质等条件，虽然有着较广阔的应用前景，但技术仍待改进。

案例2中综合治理工程挡墙拆除采用以上参数,用无声破碎剂对原挡墙进行破碎,施工中无振动,无冲击波,无飞石,既保证了施工安全和工期,又保证了未拆除结构的完整性和强度,取得了较好的效果,对于类似工程具有参考价值。

无声破碎剂具有安全性、非爆炸性、环保性、通用性、简易性、可控性等优点

安全性

无声破碎剂是安全的,在破碎物体时不产生振动、噪音、飞石和瓦斯,可在无公害的条件下安全作业。

非爆炸性

无声破碎剂是非爆炸性物品,不属于危险品,和普通货物一样购买、运输、使用。不受国家危险品、爆炸品管理限制。

环保性

无声破碎剂是环保性产品。使用中无地面震动、无噪音、无飞石、无毒气、无粉尘、无冲击波以及对环境无任何有害物质,是国际流行的无公害环保产品。

通用性

无声破碎剂采用加入适量抑制剂来调节不同温度下的水化反应速度,以替代传统的破碎剂,根据使用时作业环境温度不同,选择不同产品型号,工作效率和操作性可大幅度提高。

简易性

无声破碎剂使用简便容易，本品用水搅拌后注入钻孔中即可,不需雷管,不需点炮,使用时不需专业工种, 也不需配置专职爆破技工,操作人员培训时间很短。

可控性

可以很容易地控制被破碎体破碎完成后的形状,需破则破,需留则留。无声破碎剂应用范围特别广泛,特别是破裂、切削、破碎岩石、一般混凝土构筑物和钢筋混凝土构筑物。基于安全考虑,不可能使用爆炸手段时, 非爆炸性无声破碎剂是一个非常理想安全的解决方案,在破碎工程施工时,不会对周边建筑物产生飞石或振动冲击波之危害。

但是缺点是由于其是通过掺入适量外加剂共同粉磨而制成的具体高膨胀性能的粉状材料，但是其破坏能力有限，对于山体等结构破坏力不理想同时也不够经济。

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