1 使用背景
在津巴布韦卡南扩机项目1号电抗器基础开挖中，由于勘探误差，底部出现大方量坚硬岩石，机械开挖不能进行，需要选用其他开挖方式。
1号电抗器距离原有电站变压器站50m左右，处在原有电站管理大楼（ZPC）和大坝管理局（ZRA）办公大楼之间，附近100m范围内还有仓库、修理车间等民用建筑物，以及已有电抗器和变压器管理建筑，另有两条高压线路从开挖区域上部月20m穿过。1号电抗器还紧邻国际公路，距离津巴布韦-赞比亚海关不足300m。经风险评估，不得采用爆破作业。因此，最终决定采用静态破碎的方法来开采1号电抗器基础的石方。
卡南项目1号电抗器基础开采使用手风钻造孔-安装静态破碎剂-液压破碎锤辅助开采的程序进行，无爆破振动，无大量粉尘，无飞石，对现有建筑和电气设备也没有影响。开挖过程中，针对开挖区长20m，宽15m，最高处9m的坚硬岩体，采用了一些技术手段加强破碎效果，提高设备利用率，并对静态破碎的机理和规律进行了一定研究，对类似和相似的开挖提供了很好的参考。
2 静态破碎剂的破碎机理
2.1 静态破碎剂的反应原理
静态破碎剂的主要成分为CaO，含有一定量的硅、铝、铁等氧化物作为添加剂，外观为灰白色粉末，它与适量的水拌合后，产生如下的化学反应：
CaO+H2O→Ca（HO）2+64.9kJ
根据化学反应方程式，可以把静态破碎剂的反应机理分解为三个步骤：
2.1.1 化学反应阶段
氧化钙和水发生水化反应生成氢氧化钙，同时放出热量，体积增大，此反应为放热反应。
2.1.2 物理反应阶段
氢氧化钙从早期微细胶质状反应变化逐渐形成固态粉末状，体积计量单位由比重（不含空隙）变为容重（含空隙），体积逐渐增大，在外界约束条件下，将转变为压力作用于约束介质。
2.1.3 静态施压阶段
水化前氧化钙为立方晶系的晶体物质，反应后的氢氧化钙是六方晶系的晶体物质，体积为氧化钙的两倍。体积增大的同时，晶体间的晶间隙随之增大，特别是坚硬粗大晶粒的硅酸盐之间的间隙更大，随着时间的推移，膨胀压力将静静地、缓慢的施加在孔壁上，当膨胀压力超过约束介质的抗压/抗拉强度时，达到破碎介质的目的。
环境温度20℃，水灰比30%的破碎剂纸筒试验表明，自由膨胀的状态下，桶内水化反应后的破碎剂的体积比原体积大3～4倍，比表面积增加了100倍。经测定，静态破碎剂理想状态下产生的膨胀压力为40～60MPa。
2.2 静态破碎剂的破碎原理
在破碎剂的组成中，两种成分必不可少：膨胀成分和强度成分。水化过程中，只有膨胀与硬化同时进行并平衡发展，才能将微观的结晶压转变为宏观的膨胀压。
破碎剂在钻孔中水化时，由于膨胀与硬化相匹配，可以认定其所产生的膨胀压能有效地、稳定地传递到孔壁的周围，使被破碎介质产生压缩变形，与压缩方向直角处产生张拉变形，当变形量超过介质抗压/抗拉强度时，被破碎介质产生龟裂，继而裂缝传播发展，最终使被破碎介质裂开。
上文已知破碎剂膨胀压在40～60MPa，脆性材料的抗拉强度只有抗压强度的1/9～1/5，一般而言，各类岩石的抗拉强度通常在9.91～19.61MPa以下，抗压强度达29.42～294.2MPa；混凝土抗拉强度小于1.177～2.354MPa，抗压强度达到9.91～49.04MPa，破碎剂具备破碎岩石或混凝土的能力。
3 装药孔裂缝产生规律
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按照破碎剂破碎机理可知，约束介质的破坏应该从薄弱处开始，也就是从抵抗线最小的方向开始。在临空面状况良好的情况下，装药孔的开裂规律能够比较直观的体现。图1～图3总结了在合适的孔网参数下单孔、双孔以及多孔的开裂规律。
图1 装药孔受力和单、双孔裂缝开裂情况
一个钻孔，只产生两条近似对称的裂缝，实践证明，产生三条及以上裂缝的情况极少。
孔内破碎剂膨胀产生压力后，作用于介质，当介质某一弱点的抗拉强度小于由膨胀压引起的切向拉应力时，裂缝产生，膨胀压力向裂缝尖端集中，增大裂缝的长度和宽度，与此同时，随着第一条裂缝宽度的增大，对应孔壁上出现另一弱点，也开始断裂，最终产生两条近似对称的裂缝。此时，孔的压力全集中到两条裂缝中，使其扩展。
两个钻孔的裂缝沿钻孔中心连线产生，这在实际应用中非常容易证实。
三个钻孔裂缝的产生有两种情况，基本还是遵循弱点-小抵抗线原则，优先在抵抗线小的方向产生裂缝，再遵循对称裂缝原则产生另一条裂缝。
图2 三孔裂缝开裂情况
图3 四孔情况下的裂缝开裂情况
四孔布孔在大面积破碎中使用很普遍，其开裂情况也是遵循小抵抗线优先原则。
由此可以总结，破碎剂装药孔开裂规律为，弱点位置随机，但多孔情况下优先在孔间小抵抗线方向产生，继而遵循对称原则产生另一条裂缝。
4 静态破碎剂施工参数选择
因为生产厂家不一样，使用目的不一样，参数的选取区间较大，静态破碎剂施工需要根据施工现场实际环境来优化调整。一般而言，静态破碎剂施工参数不外乎以下参数：
（1）孔径实践证明，孔径越大，产生的膨胀压力越大，达到最大压力的时间越短；但孔径越大，“喷孔”的几率也就越高，尤其是在环境温度35℃以上，孔内温度不易降低的情况下，喷孔现象更普遍，不利于工程施工，也不利于成本控制。正常施工情况下，优先选择32～50mm的孔径，结合施工现场的钻头选用习惯，卡南电抗器基础开挖使用42mm直径的钻头造孔，效果良好（还使用了一种89mm的大孔径作为临空面，后续有具体介绍）。
（2）孔距孔距越小，开裂时间越短，块度越小，但过小的孔距增加了工作量和成本，需要根据使用目的和配套设备的性能选择。目前大部分破碎剂推荐使用5-8倍孔径作为孔间距，硬度大的介质孔距选小。实际使用中，如果临空面条件好，间距可以放到孔径的10倍（42mm孔径为例，适用于小孔径），但需要配套的破碎设备如液压破碎锤配合开挖，尤其在坚硬岩石中；因此建议使用较小的孔距以保证破碎效果减少挖运难度。卡南电抗器基础开挖中，使用4～10倍孔径作为孔距，小孔距裂缝明显，大孔距裂缝不明显，但不管是大孔距还是小孔距，都需要液压破碎锤辅助挖运，且都可以被液压破碎锤剥离。
（3）孔深大部分破碎剂使用说明书都有孔深为开挖深度的85%～105%，这种设计主要针对孤石和小高差的岩体。对于大面积大高差的开挖岩体，可以根据钻杆长度确定。根据实践经验，孔越深，钻孔利用率越低。卡南电抗器基础开挖施工，使用了3m、2m、1m等孔深，通过比较钻孔利用率、破碎效果和药剂使用量，在1～1.5m的孔深时，破碎效果最好，也最为经济。
（4）排距的选择完全根据需要选取，取值范围可以从20cm到3m乃至更大，根据孔径、孔距和孔深综合考虑。卡南电抗器基础开挖，在临空面较好的情况下，选取2m的排距，效果良好；在大纵深和沟槽开挖中，选用了和孔距相同的排距（30cm以下）。
卡南电抗器基础开挖过程中使用了如表1所示的参数。
表1 卡南静态破碎剂使用参数
| 使用环境 | 孔径 | 孔深 | 孔距 | 排距 | 装药 | 破碎效果 | 配套 | 钻孔利用率 |
| 临空面较好 | 42 | 300 | 50 | 150 | 满孔 | 轻微裂缝 | 破碎锤 | 66.6% |
| 临空面较好 | 42 | 200 | 40 | 50 | 满孔 | 裂缝可见 | 破碎锤 | 75% |
| 临空面较好 | 42 | 120 | 30 | 30 | 满孔 | 裂缝较大 | 破碎锤 | 83.3% |
| 临空面较好 | 42 | 120 | 20 | 30 | 满孔 | 裂缝很大 | 人工可撬 | 100% |
| 临空面差 | 42 | 120 | 20 | 20 | 满孔 | 表面无裂缝 | 间隔大直径空孔、破碎锤破碎 | 95% |
注：孔径单位为mm，其他单位为cm。
5 影响破碎剂膨胀压力的因素
实践发现，影响静态破碎剂使用效果的原因很多，大多数与破碎剂本身的性质有关。
（1）时间对膨胀压力的影响静态破碎剂注入孔内，一般15～30min开始凝固并对孔壁施加压力，随着时间的延长，作用力逐渐增大。根据不同种类的破碎剂使用效果比较，12h内压力增长速度快，随后速度放缓，24～48h作用力达到最大，如介质未破碎，一直保持压力。图4所示为卡南电抗器基础开挖使用的静态破碎剂压力和时间的关系图。
（2）温度对膨胀压力的影响在破碎剂品种、孔径、水灰比一定的情况下，温度对压力上升速度影响很大。温度越高，膨胀压力增长越快，达到的最大压力也越大，这是因为高温能促使CaO的水化反应和Ca（OH）2的再结晶。图4为孔径42mm，水灰比30%时的关系图，1位25℃，2位20℃，3位15℃，可以看出差异很大。实验证明，19℃以下需要10h以上才能完成膨胀压力快速增长的阶段，在温度为35℃时，只需要0.5～2h。
（3）钻孔直径对膨胀压力的影响由图5可知，当孔径小于30mm时，随钻孔直径的减小，膨胀压力迅速降低，因为孔径小，容纳的浆体就少，产生的压力也就小。另外，当孔径大于50mm时，最大压力升高幅度很小。因此，实际施工多采用42mm钻头造孔。
（4）水灰比对膨胀压力的影响水灰比过小，部分CaO因缺水水化不完全，膨胀压力达不到要求；水灰比过高，浆体中破碎剂含量不足，膨胀压力小，也达不到要求。如图6所示，实践证明，水灰比20%时，水化完全，膨胀压力可达最大值，但装药困难，实际施工中，水灰比选用30%左右比较合适，既有利于浆体的灌装，膨胀压力也能达到较高的水准。
图6 膨胀压力和水灰比的关系
此外，因为孔口无堵塞，孔口压力几乎为零，随着孔深的增加孔壁压力逐渐趋向正常；钻孔孔壁上的压力还与灌入的静态破碎剂装药密度有关，密度越高孔内压力越大。水灰比一定的情况下，一般将钻孔全部灌满破碎剂浆体，以求达到最大压力值。
6 静态破碎剂施工常用的布孔形式
确定了孔径、孔距、孔深等参数后，根据不同环境条件和不同要求，还需要进行科学的孔位布置，方能达到设计要求。
静态破碎剂施工，布孔形式依据地形条件可分为有临空面和无临空面两种方法。临空面条件较好的情况下，布孔方式和炸药爆破差不多，如图7所示。
图7 临空面条件较好时布孔方式
根据需要不同，简单分为矩形布孔和梅花布孔。由静态破碎剂破碎原理可知，裂缝优先向抵抗线小的方向发展，因此，矩形布孔容易得到条形的破碎岩石，梅花形布孔破碎则比较不规则，多为块状。加强矩形或梅花形，后排排距小于前排，加密钻孔，使得剥离更容易，破碎效果更好，多用于一次破碎排数较多时。
临空面条件较差的情况下，破碎岩体没有足够的空间移动，裂缝就会不明显，进一步的清理就会比较困难，这种情况需要认为的制造临空面，如图8所示就是一种岩石不太坚硬条件下临空面制造形式。
图8 临空面制造方式
图8中，E排孔为加密孔，不装破碎剂，作为临空面使用，A、B、C为装药次序，依次间隔不得小于2h，以便发挥E排孔的临空面作用。但图8的布孔方式对于沟槽开挖和大面积开挖作用不明显，尤其是在坚硬岩石中，E排孔的临空面作用很小，需要更有利于开裂的布孔方式，如图9所示。
图9 斜孔形式制造临空面
同样，图9中，E排孔不装药，A、B、C三排为斜孔掏槽形式且间隔时间装药，抵抗线依次增加，这种布孔形式，能很快的破碎岩体，用于沟槽和大面积岩体的临空面制造。
如果可能，结合图8、图9的设计思路，将图9中E排不装药孔加密，效果会更好。但是，图9施工孔的角度实际施工时很难控制的准确，需要配套定位装置，不利于大范围施工。卡南电抗器基础开挖中，利用大孔径钻孔设计了另一种布孔方式，如图10所示。
图10 大孔径辅助造孔形式
图10中，大孔径直径89mm，不装药，小孔径42mm装药，大孔和小孔中心距20cm，每个装药孔有四个方向可以提供开裂空间，在沟槽开挖，特别是在1.2m左右深的沟槽开挖中，效果明显，结合液压破碎锤破碎，较易得到设计需要的体型。
值得注意的是，因为破碎剂膨胀压力的方向不确定性，其最小抵抗线方向优先的特性包括向破碎或弱结构部位优先破碎，意思就是，如果破碎区域周边岩体有裂隙或岩体较破碎，破碎剂在破碎要求部位的同时会把这些靠近破碎区的保留岩体破坏，表现为裂隙增大，弱结构部位挤压变形破坏等，这种情况，需要在破碎区域边线密集造孔，不装药或间隔装药，来阻止膨胀压力向保留岩体扩张。
7 静态破碎剂理论的拓展
在卡南电抗器基础静态破碎剂应用中，实践过程中有以下现象：
（1）临空面缺失的情况下，尤其是在坚硬岩石多排装药和沟槽开挖装药时，最大膨胀压力达到时间过后，两孔之间没有明显裂缝，但使用液压破碎锤开挖时，大部分能够很容易的将岩体剥离（图11和图12）。从图12可以看出，破碎体型还是比较规则的，基本是按照造孔边界成型。
图11未出现明显裂缝 图12破碎成型
（2）钻孔后，未装药，有些部位产生了开裂，调查后发现，此区域一个月前安装过一次破碎剂，但因孔距过大，临空面缺失和岩体坚硬，未能破碎（图13）。
图13 未装药但孔已开裂破碎
综合实际现象和数据分析认为，在临空面缺失的情况下，钻孔内装入破碎剂，最大压力产生时间过后，虽然表面看不到任何细微裂缝，但在岩体内部实际已经收到破碎剂施加的压力。因为不存在空间用于开裂，此时岩体的受力破坏主要表现为压应力的破坏，在两孔之间，如果岩石的抗压强度小于破碎剂施加于孔壁的压力，两孔连线部位已经产生破碎，此时只要有外力作用，很容易破碎，如液压破碎锤开挖。
进一步分析图13的情况，以前灌装的破碎剂虽然不能使岩体开裂，但其一直存在于孔内，岩体一直处于破碎剂膨胀压力的作用下。新钻孔的加入使得这种持续施加的力有了释放空间，在新钻孔的孔壁产生压力集中，一旦有足够的空间用于开裂，新钻孔将产生裂缝，继而破碎。这是静态破碎剂膨胀力的“蓄能现象”。
综上所述，静态破碎剂作用力还有以下理论：（1）临空面缺失，两孔之间的岩体破坏力以压缩为主，岩体的抗压强度小于破碎剂的膨胀压力，则产生破坏；（2）临空面缺失，装药孔难产生明显的裂缝，但内部已受破坏，如有适当的外力加入，同样可以破碎岩石；（3）破碎剂装药，其作用力一直作用于岩体，产生“蓄能”效应，直到岩体变形或破碎剂水化状态改变。
8 冲孔现象的对策
静态破碎剂的使用，唯一需要注意的问题是“冲孔”。冲孔是静态破碎剂在对介质进行破碎施工中出现的一种现象，表现为装入孔内的破碎剂，因水化反应放出大量气体并瞬间冲出孔外的现象。
冲孔发生的因素可以总结为：（1）药剂反应速度太快；（2）灌装药剂不紧密，中间形成空气隔层；（3）钻孔直径过大；（4）破碎介质、药粉、拌合水温度较高；（5）孔内有空隙；（6）孔内残渣较多；（7）孔壁较光滑，摩擦系数小；（8）孔距过大，抵抗线过长。
偶尔冲孔是正常现象，也是不可预见和不可避免的。冲孔的发生有以下规律：（1）冲孔较易发生的时段在浆液灌入孔内的5～30min，超过30min发生冲孔的概率较低，一小时后还发生冲孔的情况非常罕见；（2）孔口出现较大裂缝时，孔内高压气体被释放，冲孔的概率也很低；（3）冲孔一般发生在孔口和孔口以下30cm之间的装填部分，极少数会发生在孔口以下50cm甚至更大深度。
初始反应时间是一个很重要的参数，它决定破碎剂能否用于使用环境，需要分析确定。一般情况下，破碎剂的初始反应时间在15～30min才能保证安装人员的安全。而破碎介质的温度、传热性、含水率、钻孔深度和方向都对初始反应时间有影响，在实际使用时需要规避不利因素。
9 结语
通过研究得出以下结论：（1）静态破碎剂破碎具有最小抵抗线方向优先产生裂缝的特性。（2）临空面条件不良条件下，静态破碎剂主要体现为压缩效应，裂缝不明显。（3）减小孔距是保证破碎效果的“万能”措施，但不经济。（4）静态破碎剂装入孔内，如环境不变化，“蓄能效应”一直存在，在临空面不良环境下尤为突出。（5）不良地质条件下，静态破碎剂的作用是各向同性，即便主要方向裂缝产生，依旧会对地质缺陷产生加剧效应。
静态破碎剂破碎技术在各行各业特殊条件下的使用越来越频繁，静态破碎剂破碎施工简单，易于控制，无环境危害，不影响正常施工，不影响周围环境。但对静态破碎剂的使用研究也需要更全面、更深入，尤其是在地质缺陷条件下，避免其不利影响，避免对相关的部位造成破坏。
收稿日期：2017-11-06
作者简介：程丙权（1974-），男，安徽铜陵人，中国水利水电第十一工程局有限公司高级工程师、一级建造师、造价工程师，研究方向：国际工程管理。
