二氧化碳致裂爆破技術在高速公路施工中的應用

陳秋

【摘要】在高速公路施工過程中常常會因為路基存在堅硬的巖石層而嚴重阻礙施工進度。這種情況下一般需要通過爆破的方式對那些堅硬的巖石進行破碎并推進后續施工。傳統的炸藥爆破模式在一些存在地下天然氣管道的路段會產生較大的安全風險。二氧化碳致裂爆破技術主要通過在極短的時間內將液態的二氧化碳轉化為氣態，體積的快速膨脹產生的巨大壓力可以將堅硬的大塊巖石層破碎便于清運的小石塊。而且這種爆破技術不會產生高溫、火花以及嚴重的環境和水土污染。本文主要結合實際的工程項目案例來分析這種爆破技術的應用方法。

【關鍵詞】二氧化碳致裂爆破技術;高速公路;施工應用

高速公路施工中有時候需要借助爆破的方式對路基上的大塊堅硬巖石層進行爆破，靜態二氧化碳爆破技術可以在溫度較低的情況下通過液態二氧化碳的氣化膨脹來爆破巖石層。如果路基施工區域范圍內存在地下天然氣管道時，就可以通過這種技術來確保天然氣管道不會因為爆破產生的振動作用而受到影響。

1、項目背景

本項目主體為山西靜興高速的土建8標段施工，該標段中的8號路基和9號路基分別長299m和637m，原計劃采用控制爆破技術來實現石方施工，但后期發現這兩個路段和既有的天然氣管道非常接近，如果采用控制爆破技術可能會對天然氣的安全運營以及施工人員的生命安全產生不可控的風險。后來經過研究決定采用二氧化碳靜態爆破技術代替原計劃的控制爆破技術。

2、原理分析

液態的二氧化碳氣體經過外加壓力的釋放就會在一瞬間轉變成氣態的二氧化碳并對周圍的物體產生強烈的沖擊。將液化的二氧化碳裝進圓柱形的爆破筒并通過密封圈、導熱棒以及安全膜等形成一個可操作的高壓密閉環境，此時那些液態的二樣化碳在密封圓柱體的高壓作用下繼續保持原本的液體相態。在需要開展爆破作業的路段進行鉆孔、設置爆破筒、部署引線和起爆器等一系列操作。當操作人員對爆破裝置通電后就可以使爆破筒中設置的導熱棒發熱以及破壞爆破筒中的安全膜，原本的高壓密閉環境因為安全膜的破裂而出現壓力泄漏以及液態二氧化碳的氣化膨脹，進而憑借二氧化碳氣體產生的強大壓力對待爆破的土石結構產生一定的破碎效果[1]。

3、優勢分析

3.1安全性高

本項目的施工難點在于傳統的爆破技術會對作業現場旁邊的天然氣管道產生威脅，火藥爆炸會產生比較劇烈的振動作用以及沖擊波效應，進而對周邊建筑物、地下設施以及工作業人員造成一定的安全風險，而且天然氣的大量泄漏也會造成國家資源的浪費以及影響人民群眾的正常生活等。而本次施工中采用的靜態二氧化碳爆破技術主要利用液態二氧化碳在氣化過程中產生的巨大壓力來破壞土石方，二氧化碳作為一種良好的阻燃劑自然不可能引發天然氣的爆燃。另外，靜態二氧化碳爆破技術對地面以及周邊環境產生的振動遠遠小于傳統的爆破技術，因而其安全警戒的區域范圍也比傳統爆破技術更小[2]。

3.2環境影響較小

傳統的使用炸藥來實現爆破的方案會對地面產生非常強烈的破壞效果且爆破產生的煙塵和噪音也非常顯著，同時這種爆破技術產生的炸藥殘留物也會對周邊的植物、水源等產生或多或少的影響。靜態爆破技術通過氣態二氧化碳產生的強大壓力對作業區域的土石方進行有效破壞，因而這種爆破技術產生的沖擊波、灰塵量以及噪音等污染都遠遠小于傳統爆破技術。另外，二氧化碳氣體釋放之后并不會對周邊的土壤、空氣、水源以及植物等造成污染，因而其環保效應更佳[3]。

3.3成本可控、審批容易

第一，靜態爆破技術中使用的二氧化碳氣體可以從空氣中分離得到，因而其供應量充足且整體成本較小。這種爆破技術中使用的連接線、起爆器等裝置在使用過后還可以再次回收利用。各種裝置相對簡單的運輸和組裝方式也在一定程度上降低了這種爆破技術的操作成本。傳統的通過火藥來實現爆破的技術需要先經過國家相關部門對火藥以及爆破工程的審批，國家對炸藥的嚴格管制會導致爆破工程的審批流程表現出復雜又耗時的缺點，而靜態爆破技術則容易很多[4]。

4、施工方法

4.1準備工作

第一，比較常規的做法是在作業現場設置一個密封良好的用于存儲二氧化碳液體的不銹鋼罐體，然后在就近的站點將液態二氧化碳氣體充填進這一不銹鋼金屬罐體之內備用。將罐體存放于施工現場時還需要通過設置遮陽網、搭設涼棚等方式來為其進行降溫，防止暴曬。需要注意的是這種爆破技術對作業現場的環境溫度要求為不得超過31攝氏度，因為這種溫度下二氧化碳氣體無法保持液相。第二，采用爆破方式對公路路基作業面上的巖石進行破碎時必須先挖掘出良好的臨空面，在施工過程中可以通過挖掘機、鑿巖機以及破碎機等設備對那些妨礙爆破效果的巖石進行清理。這樣當巖石被破碎以后就可以向外飛散并形成良好的工程效應。第三，在開展爆破之前還需要通過專業的鉆孔機械設備在巖石上開鑿出爆破筒的設置孔。一般可以在巖石上方通過專業的履帶式鉆孔機來進行垂直打孔且要注意控制孔徑大小。

4.2操作控制

第一，施工過程中可以使用專業的高壓泵將液態的二氧化碳灌注到爆破施工專用的爆破筒內，二氧化碳必須在31攝氏度的溫度之下施加足夠的壓力才能呈現出穩定的液相，在此之后通過設置安全膜、破裂片等一系列操作使爆破筒達到爆破啟動的條件。然后將起爆器、設置好的爆破筒及其他的配套爆破設備運輸至公路施工區域內的巖石爆破面，將各種設備設置在對應的位置上。第二，為了確保爆破工作不會對周邊的作業人員造成不必要的傷害還需要在作業范圍外圍設置一定的安全警戒線。第三，完成這些基本的工作之后就可以通過起爆裝置對爆破筒內的導熱棒施加一定的電流，安全膜在經過導熱棒的加熱作用后會逐漸被擊穿并導致液態二氧化碳氣化膨脹，大概只需要不到1毫秒的時間就可以對周圍的巖石產生非常強大的沖擊作用并達到爆破的目標。與此同時，二氧化碳靜態爆破技術產生的振動和沖擊波等不會對地下的天然氣管道產生影響。

5、實際應用

山西靜興高速土建8標段的8號路基和9號路基在整個施工期之內分別完成21萬m3和34.7萬m3的石方量。該項目進入施工后期，發現地質條件進入完整性較好的巖石層，并且作業區域內的巖石強度達到了51Mpa左右，這樣的強度導致前期使用的鑿巖機、劈裂機和挖掘機等施工機械都難以達到高效的施工速度。工程技術人員經過廣泛的調研之后決定采用靜態二樣化碳爆破法對巖石層進行有效的爆破推進。通過這種施工方法將原本幾乎已經停滯的施工速度提升到單個作業面每天500m3。與此同時，施工區域下方的天然氣管道也通過這種方式獲得了良好的保護。

結語：

山西靜興高速的路基施工過程中因為遭遇大塊的堅硬巖石而受到嚴重的阻礙，但施工路基旁邊的天然氣管道導致傳統的炸藥爆破方式難以實施。通過靜態二氧化碳爆破技術可以避免炸藥爆破模式對天然氣管道產生的威脅，同時又可以對路基上的大塊巖石層形成有效的爆破，進而提高施工效率。

參考文獻：

[1]仲甡，毛文，熊雪琴，等.二氧化碳致裂技術在高速公路石質路塹開挖中的應用研究[J].施工技術，2019，v.48（S1）：1234-1236.

[2]李征文，李德杰.二氧化碳致裂爆破技術在高速公路施工中的應用探究[J].中國標準化，2019，540（04）：66-67.

[3]楊維雙.淺談液態CO2致裂技術在高速公路中風化花崗巖的應用[J].建筑工程技術與設計，2017，000（032）：83-83，4.