CO2液-氣相變膨脹破巖結合機械輔助開挖施工技術

楊衛星

摘 ? 要：伴隨著公路的發展，跨線及緊鄰建設項目的情況越來越多，緊鄰作業對施工的要求較高。通常采用一般方法便可化解作業中碰到的問題，但在特殊條件下，一般方法無法化解。在巖體裂隙較發育、硬度較高且附近有房屋、鐵路、隧道等構造物的路基作業過程中，不能常規爆破施工;而人工及機械拆除效率低且噪音大;在既要確保房屋安全又不影響既有線路正常通行的要求下進行路基施工時，難度極大。在某段石方路基施工時就遭遇了上述情況，經比對各種方法后，最終選擇了采用CO2液-氣相變膨脹破巖技術解決上述問題，特此總結本施工技術。

關鍵詞：CO2 ?液一氣相變膨脹 ?破巖技術 ?石方路基 ?緊鄰施工

中圖分類號：TD235 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2020）04（c）-0020-02

1 ?技術特點

CO2液一氣相變膨脹破巖技術是石方路基施工作業領域中一種有別于常規作業的方式方法，專門解決在特殊路段下不能采取傳統爆破和采用傳統方法難以滿足施工要求的技術難題。本技術化解了特定環境下常規爆破方式不能正常作業的問題，確保了施工工作人員的安全。本技術與傳統爆破相比（見表1），更具安全性，運輸、儲存和使用均不需要公安機關審批，工藝操作簡單，有創新。本技術與傳統方法相比，爆破過程中無破壞性震動和短波，無沖擊、無飛石、噪音小，揚塵小，對周圍環境影響不大。本技術爆破力度強勁、分裂體積更大、效率更高;安全、可持續使用、運行成本低。

2 ?適用范圍

該方法適用于各類巖石作業，尤其是復雜環境條件下的巖石開挖，是炸藥爆破破碎法的有益補充。在不允許爆破作業的國防、采石和采礦等特殊工程的礦巖破碎，巖石、混凝土拆除中均適用。

3 ?工藝原理

CO2液-氣相變膨脹破巖技術是利用CO2由液態變成氣態后，體積顯著增大，產生高壓氣體，該高壓氣體的準靜壓作用及氣刃劈尖作用可以貫穿巖體中的原生裂隙，從而達到破碎巖石的目的。

液態CO2加溫到約80℃后會汽化，在標準狀況下其體積會增進約600～1000倍。如果將其放置于事先鉆好的炮孔內，可以實現暴脹作業，推開巖體;同時因氣體加速進入到巖體的原生裂隙中，與巖體作用，產生氣刃劈尖效應。

該原理利用的是物質的相變，是一種純物理過程;按照控制氣態物質的釋放速度，可以有效調整氣體的壓力，從而可以實現微振動、零飛石、無沖擊波的極小量傷害，以至于可以達到近人施工、接觸施工。

4 ?工藝流程及操作要點

4.1 工藝流程

施工工藝流程主要為：相關手續報批→開工→滾石攔截裝置→清理表層及松方/ CO2同步灌裝→鉆孔→主管安裝→擊發（破巖）→拆除相關裝置（回收）→機械挖除碎石→驗收。

4.2 操作要點

4.2.1 CO2灌裝

通過機械將CO2灌裝進主管內。

4.2.2 主管安裝

將罐裝好CO2的主管安裝到鉆孔內，并進行有效連接、堵塞。

4.2.3 擊發

將所有鉆孔的主管線路連接好，并進行通路測試，采用專用擊發裝置進行擊發。

4.2.4 回收

擊發后，及時檢查破碎效果，將主管回收，并對主管進行必要的檢查清洗。

4.2.5 施工參數

具體施工參數可根據現場情況調整，參照標準參數如下：（1）主管外徑：73mm;（2）主管長度：1000mm;（3）鉆孔直徑：90mm;（4）鉆孔間距：2.5～3.0m;（5）鉆孔深度：3～5m;（6）最小抵抗線：2.5～3.0m;（7）鉆孔角度：90°;（8）孔數：5～10個;（9）破碎方量：約1000m3。

4.2.6 注意事項

在對主管完成罐裝CO2時，必需滿足壓力要求。完成罐裝后，擰緊牢固，不允許有漏氣現象存在。填塞鉆孔前，要完成必要的導通;主管應填塞牢固，不允許卡在中間;最后對鉆孔進行有效堵塞。所有主管的擊發線形成擊發回路，并完成測量導通，保證連接牢固，線路安全。現場操作人員要遵從安全管理。主要防護措施：（1）鉆孔處的覆蓋防護;（2）臨近鐵路處設置攔石墻;（3）視情況設隔音屏。

5 ?材料與設備

5.1 材料

主要材料為液態CO2。

5.2 設備

主要設備是成套的CO2液-氣膨脹破巖基本裝置，主要分為CO2儲氣系統、CO2加壓罐裝系統、CO2主管、CO2主管托架及輔助零件組成。CO2主管是整個裝置的核心部件，是破巖的主體，由點火頭、加熱器、高壓管、銅墊片、破裂片和泄壓頭等組成，每根主管長約1000mm，外徑約73mm。可以通過主管兩端的連接裝置連接加長。

6 ?質量控制

本技術暫無專門的施工規范、標準，但可參照以下規范：《公路路基施工技術規范》JTG/T ?F50-2011;《城鎮道路工程施工與質量驗收規范》CJJ ?1-2008;《土方與爆破工程施工及驗收規范》GB 50201-2012;施工項目部應建立質量保證體系，嚴格執行ISO9001規定。

7 ?安全措施

本技術執行國家、省、市、公司制定的施工現場及專業工種各種安全技術操作規程。遵循當地公安部門和其他相關部門的規定。機具設備應由專人嚴格按照操作規程操作。CO2鋼瓶應布設在通風、陰涼處，發現有腐蝕、損壞、裂紋等欠缺時，馬上安排替換。施工過程中操作人員需佩戴手套，以防產生干冰，凍傷手指。

8 ?環保措施

執行國家環境管理體系相關標準。應用本技術須重點做好液態CO2的儲存和滾石攔截裝置。

9 ?效益分析

采用CO2破巖方法，開挖效率雖比常規爆破稍低，但施工費用相對較低，且在特殊路段常規爆破方法受限的情況下，解決石方路基開挖施工問題，能較好的避免周圍建筑物受震動損傷，還能提高施工安全性，揚塵少，有利于節能減排和環境保護，具有極佳的綜合效益。

以張社大道為樣本，該工程路基K9+690-K11+690段緊鄰鐵路隧道施工且周圍有一高級中學、K4+820-K6+000段附近磚木、磚混結構房屋較多且離線路距離近，常規火工爆破石方開挖方法難以保證建筑物安全。應用本技術開挖工程量10萬m3，避免了常規炸藥的交通不便、減少了繁多的監管流程，確保了周圍建筑的安全性，較其他方法至少節約了40～400元/m3，對節約社會資源和環境保護具有重要的意義。

10 ?工程實例

本技術在吉首市張社大道路基工程K9+690-K11+690段和K4+820-K6+000段石方開挖施工時獲得了佳績。

參考文獻

[1] 夏軍.CO2液-氣相變膨脹破巖技術[J].采礦技術，2016，16（6）：119-121.

[2] 李必紅.CO2液-氣相變膨脹破巖機理及其安全效應測試研究[J].采礦技術，2017，17（1）：61-63，68.