城市地鐵施工二氧化碳致裂振動效應測試與分析

唐開富

(中國中鐵股份有限公司， 廣東廣州 510308)

隨著城市建設的快速發展, 城市交通面臨越來越大的壓力, 城市地鐵的建設是解決城市交通擁堵的有效手段。但是地鐵沿線大多穿越城市中心地帶, 建(構)筑物密布、各種管線縱橫交錯、交通繁忙、行人密集, 使地鐵施工難度系數增大。隨著廣州地鐵二十一號線和十一號線天河公園站開挖的進行，目前已經開挖至地下10m深的位置，在車站開挖期間，二氧化碳破巖技術作為一種新興非破巖技術所產生的地震波對周邊既有建筑、車站邊墻和車站既有結構的安全是否構成威脅以及其影響程度都需要試驗進行測試。

通過試驗達到以下目的：通過二氧化碳破巖現場試驗，對巖石破裂效果，石塊大小和飛石等進行評估分析，為后續本方法的可行性及其施工控制參數提供可靠依據；通過二氧化碳破巖地震效應試驗，測試二氧化碳破巖過程產生的振動，以探究在開挖過程中對周邊鄰近構筑物和居民的影響是否在安全范圍內；通過二氧化碳破巖現場試驗，評估施工效率，為施工方案設計，現場安全管理辦法提供依據和參考，論證二氧化碳破巖在該地鐵車站的適用性。

1 二氧化碳破巖地震效應現場測試方案

1.1 工程概況

廣州地鐵十一號線天河公園站巖層較完整、微風化巖面埋深相差較大，呈“夾層風化”現象，透水性大，不利于明挖段圍護結構施工與土方開挖。風化巖中廣泛分布礫巖，礫石含量大，礫徑相差大，強度較高，對盾構施工影響較大，切削礫石顆粒及風化巖與刀具摩擦大，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2.5～3.0m。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。

1.2 二氧化碳破巖試驗程序

二氧化碳破巖試驗程序見圖1。

圖1 二氧化碳破巖試驗程序

1.3 二氧化碳破巖測試方案

通過二氧化碳破巖地震效應試驗和破巖破壞范圍試驗的結果判斷破巖參數的優劣。

(1)二氧化碳破巖地震效應試驗

采用破巖振動測試儀(TC-4850)配TCS-B3振動速度傳感器進行破巖地震效應試驗，在選定的測點上用石膏固定好傳感器底座，傳感器安裝上后，將傳感器與記錄儀連接好，待采集完成后，與計算機連接，讀取存儲數據，進行波形分析等。

振動速度測量系統由傳感器、記錄儀和筆記本電腦組成。采用中科院四川動態測試研究所生產的TS4850型二氧化碳破巖振動記錄儀記錄振動信號，振動記錄儀直接與傳感器連接，將傳感器輸入的模擬電壓量轉換成數字量進行存儲，再經自身的RS232接口和計算機相接，通過專用軟件在計算機上進行波形顯示、數據分析和結果輸出。振動記錄儀的最高采樣頻率為200KHz，記錄儀可分八段獨立記錄數據，每段存儲深度16K，采樣延時范圍-4～ -12K，觸發模式分為內觸發和外觸發兩種形式，儀器最大量程±20V。傳感器采用中測院振動室生產的TC-3型速度傳感器度傳感器。

(2)振動記錄儀的參數設置

在進行二氧化碳破巖地震測試時，必須合理設置二氧化碳破巖振動記錄儀的采樣頻率和量程。為保證記錄的波形不至于失真，采樣頻率一般應高于被測信號頻率的10倍以上。但采樣頻率越高其記錄信號的時間也就越短，所以，選擇采樣頻率應注意兩者兼顧。二氧化碳破巖設計采用二氧化碳破巖，整個二氧化碳破巖地震持續時間在1s左右，因此，儀器采樣延時設置為-100ms，采樣率設置為10K，儀器可記錄1.2s的振動事件，可完整記錄二氧化碳破巖地震波形。

在進行振動儀的參數設置時，儀器量程設置非常關鍵。如果量程設置太大則測量精度不夠，太小又會使波形產生削波現象，根據預估的振速狀況和傳感器的靈敏度，為保證記錄到完整準確的振速波形，將二氧化碳破巖振動記錄儀量程設定為10.0V，為了避免誤觸發，測試時將觸發電平設置為0.1cm/s。

(3)二氧化碳破巖破壞范圍試驗

①在表面采用宏觀調查和地質描述方法。

破壞標準：有下述情況之一時，判斷為破巖破壞。

I.發現破巖裂隙，或裂隙頻率、裂隙率增大；

II.節理裂隙面、層面等弱面張開(或壓縮)、錯動；

III.地質錘錘擊發出空聲或啞聲。

②在隱蔽部位采用彈性波縱波波速觀測法。

運用巖石超聲波測試儀(SYC-2)進行破巖破壞范圍測試，測試方法是在破巖區(底部或邊坡位置)鉆3個測試孔，孔深為伸入預計開挖線下3m，孔徑80mm。用水做耦合劑，將發射換能器和接收換能器置于孔內，沿孔深方向由下往上每隔0.2m測試一次并記錄。破巖前和破巖后分別測量一次。

二氧化碳破巖：梯段底部進行破巖破壞范圍試驗，檢驗預留保護層厚度是否合理；梯段后沖向進行破巖地震效應試驗，檢驗質點振動速度是否超過允許值。

1.4 二氧化碳破巖效果評價標準

1.4.1 二氧化碳破巖效果評價標準

(1)破巖石碴的塊度和爆堆，應能適合挖掘機械作業；石碴有利用要求，其級配、塊度應滿足合同文件要求。

(2)破巖對緊鄰爆區巖體的破壞范圍小，爆區底部爆根少。

(3)破巖地震效應和空氣沖擊波(噪音)小，破巖飛石少。

(4)相鄰兩炮孔間巖面的不平整度，不應大于15cm，炮孔壁不應有明顯破巖裂隙。

1.4.2 二氧化碳破巖對鄰近構筑物影響評價標準

(1)滿足規范標準要求；

(2)產生的破巖振動不對鄰近構筑物或周圍居民造成安全影響。

2 二氧化碳破巖測試結果與分析

2.1 第一次二氧化碳破巖測試結果與分析

2.1.1 二氧化碳破巖設計參數

炮眼直徑為110mm；設計炮孔深度3m；炮孔間距1m；炮孔排距1m；單孔裝藥量： 2kg；堵塞長度：0.3m(表1)。

表1 第一次二氧化碳破巖設計參數

2.1.2 現場施工作業與炮孔布置

目前巖石開采基本采用單排致裂，在地鐵施工中排距較短, 功效較低，可試驗多排(2～3排)同時分批次致裂，試驗采用相應的措施制造臨空面。本次試驗采用的是單排布孔實驗。根據現場單排布孔，孔間距為a，距離臨空面L，其布置情況見圖2～圖4。

圖2 測點布置剖面

圖3 測點布置俯視

圖4 測點布置空間示意

2.1.3 現場二氧化碳破巖效果

該二氧化碳破巖技術能夠有效的切割撕裂巖層，但是剝離巖石的塊度較大，需要進一步二次破巖。現場二氧化碳破巖效果如圖5所示。

圖5 現場二氧化碳爆破效果

2.1.4 振動速度波形及其數據處理

第一次實測二氧化碳破巖振動速度波形時，測試儀器沒有被觸動，所以并沒有振動速度波形圖。由于二氧化碳破巖技術的振動很小以及本檢測儀器的觸發振動波速為0.1cm/s,從現場實測結構可知TC4850型二氧化碳破巖振動記錄儀并沒有測試到振動數據，振動檢測儀并沒有被觸動。表明該項二氧化碳破巖技術的對周邊環境的影響非常小，很難對周邊既有建筑造成危害，通過現場二氧化碳破巖情況可知，二氧化碳破巖的時候所產生的噪聲也不大，說明這項技術比較適合在老城區既有建筑周圍使用。

2.2 第二次二氧化碳破巖測試結果與分析

2.2.1 二氧化碳破巖設計參數

炮眼直徑為110mm；設計炮孔深度3m；炮孔間距0.6m；炮孔排距0.6m；單孔裝藥量： 2kg；堵塞長度：0.3m(表2)。

表2 第二次二氧化碳破巖設計參數

2.2.2 現場施工作業與炮孔布置

現場施工作業與炮孔布置見圖6～圖9。

圖6 測點布置剖面

圖7 測點布置俯視

圖8 炮孔布置

圖9 測點與爆區的空間關系

2.2.3 現場二氧化碳破巖效果

該二氧化碳破巖技術能夠有效的切割撕裂巖層，但是剝離巖石的塊度較大，需要進一步二次破巖。現場二氧化碳破巖效果如圖10所示。

圖10 現場二氧化碳爆破效果

2.2.4 振動速度波形及其數據處理

試驗兩臺TC-4850測振儀均觸發。在爆區邊緣(3.5m處的近點)的4#測點顯示，其最大振動速度垂直于地面方向，最大速度為4.187cm/s；水平面方向X、Z中，最大振動速度為2.867cm/s。其中水平方向的振動對建筑物影響較大，水平方向的加速度能使建筑物產生水平剪力；高層建筑達到一定高度后產生明顯邊梢效應，使用者會產生不適感。邊墻上的2#測點顯示，最大振動速度來自于X方向，達到2.817cm/s，其次為Z方向1.989cm/s，而豎向振動僅為0.75cm/s，差異可能是因為邊墻帶來的邊梢效應所引起(表3)。

表3 廣州地鐵天河公園站二氧化碳破巖振動速度測試結果

此次破巖效果達到預期，效果理想，破巖程度良好，由于是該技術的本質是破巖而不是爆破，所以在實際中，仍有少量巖體需要進行二次破碎，但相較于完整巖體的破碎，對由該技術產生的巖體進行二次破碎容易很多，一方面是這些巖塊體積并不大，僅僅是需要破碎以便裝載，另一方面這些巖體經過二氧化碳破巖后，內部裂隙發展，大大降低二次破碎難度。

2.3 第三次二氧化碳破巖測試結果與分析

2.3.1 二氧化碳破巖設計參數

炮眼直徑為110mm，設計炮孔深度3m；炮孔間距0.6m；炮孔排距0.6m；單孔裝藥量： 2kg；堵塞長度：0.3m。(表4)

表4 第三次二氧化碳破巖設計參數

2.3.2 現場施工作業與炮孔布置

根據現場單排布孔，孔間距為a，距離臨空面L，其布置情況見圖11～圖13。

圖11 測點布置剖面

圖12 測點布置俯視圖

圖13 測點布置空間示意圖

2.3.3 現場二氧化碳破巖效果

該二氧化碳破巖技術能夠有效的切割撕裂巖層，但是剝離巖石的塊度較大，需要進一步二次破巖。現場二氧化碳破巖效果如圖14所示。

圖14 現場二氧化碳爆破效果

2.3.4 振動速度數據處理

振動速度數據處理見表5。

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

3 結 論

(1)二氧化碳破巖技術從技術而言，是非常安全的，并且安全余量充沛，可以進一步提高破巖強度。從現場破巖實驗情況來看，二氧化碳破巖過程中，工作人員可以近距離觀察破巖點情況而不需要進行清場撤離。

表5 廣州地鐵天河公園站二氧化碳破巖振動速度測試結果

(2)二氧化碳破巖技術是一種新型的巖體致裂技術，用液態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、高效率、時間靈活、流程簡單、機械化程度高等諸多優點，該項新興破巖技術有很好的發展前景，尤其是破巖時振動很小，對周邊的既有建筑影響較小，這是對比與傳統炸藥爆破的一項優勢。但是也要指出，破巖技術不同于炸藥爆破，對巖體產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炸藥爆破但遠遠超過靜態破碎，在施工時可以因地制宜，合理選用施工方法。