復(fù)雜條件下地鐵施工二氧化碳致裂技術(shù)

譚小春

(中國中鐵股份有限公司， 廣東廣州 510308)

隨著我國國民經(jīng)濟和城市快速發(fā)展，城市密集程度越來越大，人口越來越密集，交通更是擁擠不堪，給城市地鐵的發(fā)展帶來了前所未有的機遇。地鐵已經(jīng)成為一個城市的名片，是一座城市高速發(fā)展的象征。目前，城市地鐵車站的基坑開挖主要還是運用露天爆破的方法進行，以此保證施工進度、施工效率。但是，隨著地鐵工程的發(fā)展，地鐵必須穿越城市人口密集帶以及城市老城區(qū)才能解決城市嚴重的交通擁堵問題。然而，這必然給地鐵施工造成一定程度上的困難，尤其是在密集城區(qū)進行時地鐵車站基坑開挖時，由于傳統(tǒng)的露天爆破開挖范圍太大，對地鐵基坑周邊的老式建筑物以及周邊的交通帶來巨大的影響，甚至?xí)o人們的生活造成嚴重的影響。尤其是城市老建筑地基不深，主要采取的是傳統(tǒng)的磚墻結(jié)構(gòu)修建，在進行城市地鐵車站開挖時很容易引起地基不均勻沉降，從而導(dǎo)致城市密集老城區(qū)建筑的嚴重損壞，造成嚴重后果。在不采用傳統(tǒng)的露天爆破開挖情況下，地鐵車站基坑施工就只能采用靜態(tài)破碎以及人工機械的方式進行開挖，這樣雖然減小了對周邊建筑的影響，但是嚴重影響施工工期，施工效率低下，不能保障正常的施工進度。國內(nèi)很多大城市如北京、上海、廣州、深圳的地鐵工程都面臨同樣的問題，至今都沒有一個較好的解決方法。為此，本文提出一種新型的二氧化碳致裂技術(shù)以降低基坑開挖的振動，同時加快施工進度，保障基坑周圍密集建筑的安全。

1 二氧化碳致裂技術(shù)分析

1.1 二氧化碳致裂原理

傳統(tǒng)炸藥爆破和二氧化碳巖石致裂技術(shù)有著本質(zhì)的區(qū)別，若從最終效果來看，很容易將二氧化碳巖石致裂技術(shù)理解成是低強度的傳統(tǒng)炸藥爆破，但事實上，二者在技術(shù)實現(xiàn)方式上有著很大不同。

傳統(tǒng)炸藥爆破的核心是炸藥爆炸，由炸藥爆炸引起瞬間氣體急劇膨脹從而給周圍介質(zhì)帶來強大沖擊以致破壞的一種技術(shù)。炸藥爆炸的過程會涉及三個方面的變化，大量的熱釋放、熱釋放時間極短和產(chǎn)生大量氣體。其中，炸藥爆炸涉及短時間釋放大量熱量，因此在傳統(tǒng)炸藥爆破準備過程中必須進行防火處理，爆破時要考慮盲炮啞炮的情況，現(xiàn)場安全情況會受到一定影響。

二氧化碳巖石致裂技術(shù)的核心是固態(tài)二氧化碳瞬間升華后產(chǎn)生高壓氣體對周圍介質(zhì)進行作用。其激化原理如圖1所示。

圖1 二氧化碳致裂巖石激化原理

激發(fā)過程中僅有激發(fā)器在鋼制藥管內(nèi)爆炸時會產(chǎn)生高溫，而二氧化碳升華過程會吸收大量熱量，最終產(chǎn)生的高壓二氧化碳氣體溫度與常溫接近，并且二氧化碳氣體本身也有滅火作用。二氧化碳破巖技術(shù)在本質(zhì)上不屬于爆破，而是用固態(tài)二氧化碳瞬間升華的過程模擬了傳統(tǒng)炸藥爆炸的過程，在技術(shù)上完全可行，并且可控性更好，可以做到高壓氣體精確釋放，提高破巖設(shè)計精確程度。激發(fā)過程中僅有激發(fā)器在鋼制藥管內(nèi)爆炸時會產(chǎn)生高溫，而固態(tài)二氧化碳升華過程會吸收大量熱量，最終產(chǎn)生的高壓二氧化碳氣體溫度與常溫接近，并且二氧化碳氣體本身也有滅火作用。二氧化碳破巖技術(shù)在本質(zhì)上不屬于爆破，而是用固態(tài)二氧化碳瞬間升華的過程模擬了傳統(tǒng)炸藥爆炸的過程，在技術(shù)上完全可行，并且可控性更好，可以做到高壓氣體精確釋放，提高破巖設(shè)計精確程度，現(xiàn)場也不需要進行過多防火處理。

1.2 二氧化碳致裂施工流程

造臨空面→打孔(孔徑為45 mm)→清孔→放干冰(50 g)→裝土(細沙)→搗實→放袋裝催化劑(帶引爆線)→放散裝催化劑(640 g)→填土、壓實→塞木楔，封口(穿引線)→測每個孔的引線是否導(dǎo)通→串聯(lián)引線→測主線引線是否導(dǎo)通→疏散人群致安全距離警戒→蓋防爆被→接主線→開始致裂→清理防爆被→炮機清理巖石。

1.3 二氧化碳致裂破巖成本分析

二氧化碳破巖技術(shù)是一種新型的巖體致裂技術(shù)，用液態(tài)二氧化碳瞬間汽化的過程模擬炸藥爆炸時的效果，有安全、安靜、干凈、可循環(huán)、高效率、時間靈活、流程簡單、機械化程度高等諸多優(yōu)點。該項新興破巖技術(shù)有很好的發(fā)展前景，尤其是破巖時振動很小，對周邊的既有建筑影響較小，這是對比與傳統(tǒng)炸藥爆破的一項優(yōu)勢。但是也要指出，破巖技術(shù)不同于炸藥爆破，對巖體產(chǎn)生的破壞強度難以和炸藥相提并論，其平破巖效果不如傳統(tǒng)炸藥爆破但遠遠超過靜態(tài)破碎，在施工時可以因地制宜，合理選用施工方法。經(jīng)過現(xiàn)場考察，炸藥爆破、二氧化碳破巖技術(shù)以及靜態(tài)巖體致裂技術(shù)三者成本依次增加。炸藥爆破約50元/m3，二氧化碳破巖技術(shù)約120元/m3，靜態(tài)致裂約300元/m3(以上價格均未考慮時間效應(yīng))。

2 二氧化碳致裂實例分析

2.1 工程概況

廣州地鐵十一號線天河公園站巖層較完整、微風(fēng)化巖面埋深相差較大，呈“夾層風(fēng)化”現(xiàn)象。透水性大，不利于明挖段圍護結(jié)構(gòu)施工與土方開挖。風(fēng)化巖中廣泛分布礫巖，礫石含量大，礫徑相差大，強度較高，對盾構(gòu)施工影響較大，切削礫石顆粒及風(fēng)化巖與刀具摩擦大，造成刀具(刀盤)壁磨損嚴重，推進緩慢。線路沿線地下水水位埋藏較淺，地下水位的變化與地下水的賦存、補給及排泄關(guān)系密切，每年4～9月為雨季，大氣降雨充沛，水位會明顯上升，而在冬季因降水減少，地下水位隨之下降，水位年變化幅度為2.5～3.0 m。地下水按賦存方式分為第四系土層孔隙水，層狀基巖裂隙水、塊狀基巖裂隙水、碳酸鹽巖類裂隙溶洞水。

2.2 二氧化碳致裂破巖設(shè)計參數(shù)

采用雙排布孔，總藥量28 kg(14根)，單排孔數(shù)為7，單段起爆最大藥量為2 kg，具體的破巖設(shè)計參數(shù)如表1所示。

表1 二氧化碳致裂破巖參數(shù)設(shè)計

2.3 二氧化碳破巖現(xiàn)場作業(yè)與炮孔布置

根據(jù)現(xiàn)場雙排布孔，孔間距為60 cm，孔排距為60 cm，距離臨空面45 cm，炮孔和測點布置剖面如圖2所示；炮孔和測點布置俯視如圖3所示；現(xiàn)場布孔裝藥作業(yè)如圖4、圖5所示。

圖2 炮孔和測點布置剖面

圖3 炮孔和測點布置俯視

圖4 安放二氧化碳破巖裝置

圖5 連線完畢的二氧化碳破巖裝置

2.4 二氧化碳致裂破巖效果

2017年1月11日下午，位于廣州地鐵十一號線天河公園站進行了第三次二氧化碳破巖技術(shù)的試驗。激發(fā)二氧化碳破巖裝置時，現(xiàn)場人員仍可以近距離對試驗現(xiàn)場進行觀察記錄，現(xiàn)場未搭設(shè)任何揚塵阻擋物現(xiàn)場圖如圖6所示。在二氧化碳破巖結(jié)束后，基本無大塊剝離巖體，大多數(shù)剝離巖體可直接裝載運出。但是，多排布孔的缺點也有體現(xiàn)，破巖過程中出現(xiàn)了一根破巖設(shè)備的彎曲，但可矯正后繼續(xù)投入使用。現(xiàn)場破巖效果如圖7～9所示。

圖6 爆破后現(xiàn)場

圖7 爆破后剝離巖塊

圖8 爆破后剝離巖塊

2.5 二氧化碳致裂破巖振動測試結(jié)果

其中一個測點與爆區(qū)的空間距離為6 m，另一個測點距爆區(qū)空間距離為21 m，兩個測點與爆區(qū)的空間位置如圖10所示。

圖9 爆破后剝離巖塊

圖10 測點與爆區(qū)的空間位置

破巖振動速度測試結(jié)果如表2所示。

破巖實驗中，兩臺振動監(jiān)測儀都被觸發(fā)。其中，距離爆區(qū)最近的4號測點，其最大振動速度為0.767 cm/s，遠點邊墻上2號振動檢測儀測得最大振動速度為0.12 cm/s，二者均小于規(guī)范要求值，安全性得以體現(xiàn)。

3 結(jié) 論

(1)文章對復(fù)雜條件下固態(tài)二氧化碳致裂破巖技術(shù)進行分析，對二氧化碳致裂原理、施工工藝流程、施工成本進行討論和研究，在減振、降噪、防火、經(jīng)濟等方面二氧化碳致裂技術(shù)較傳統(tǒng)爆破施工均有很大的優(yōu)勢。

表2 廣州地鐵天河公園站破巖振動速度測試結(jié)果

(2)在二氧化碳致裂破巖的實例中，設(shè)計參數(shù)合理的情況下，取得良好的破巖效果，剝離巖塊塊度適中，不需二次破碎即可裝車出渣。

(3)破巖實驗中，兩臺振動監(jiān)測儀都被觸發(fā)。其中，距離爆區(qū)最近的4號測點，其最大振動速度為0.767 cm/s，遠點邊墻上2號振動檢測儀測得最大振動速度為0.12 cm/s，二者均小于規(guī)范要求值。