城市環境下二氧化碳破巖安全控制技術

王洪坤

(中鐵二十局集團有限公司，陜西西安 710016)

隨著我國城鎮化的發展，城市的建筑越來越密集，出于安全的考量，在城市工程建設中，一些傳統的炸藥破巖往往受到很多限制，給城市建設帶來了諸多不便，為加快城市建設的進度，必須提出新型的破巖方法作為傳統破巖方式的重要補充。對于二氧化碳干冰破巖方法，在煤礦工業中已經有所應用但在建筑密集的城市老城區修建地鐵車站應用較少，老城區的建筑類型復雜，安全控制標準不一，這給老城區的地鐵車站基坑開挖施工帶來了艱巨的挑戰。本文對二氧化碳干冰致裂爆破安全控制技術進行了研究分析，為相關的工程施工提供參考。

1 二氧化碳干冰破巖技術

在基坑開挖工程中，尤其是在復雜周邊環境開挖地鐵基坑，為保證既有建筑在施工中的安全，常常禁止用炸藥進行爆破開挖。二氧化碳干冰致裂技術是一種新型的致裂技術，初步被運用到城市密集帶的基坑開挖工程中，二氧化碳干冰致裂技術不但對周邊建筑物影響小的同時能夠滿足基坑開挖的需要，對城市基坑工程施工意義重大。

1.1 技術可行性

人們應當正確區分傳統炸藥爆破和二氧化碳干冰巖石致裂技術，若從最終效果來看待二者，很容易將二氧化碳干冰巖石致裂技術理解成是低強度的傳統炸藥爆破，但事實上，二者在技術實現方式上有著很大不同。

傳統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帶來強大沖擊以致破壞的一種技術，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，現場安全情況會受到一定影響。

二氧化碳干冰巖石致裂技術的核心是固態二氧化碳干冰瞬間汽化后產生高壓氣體對周圍介質進行作用。其激化原理是：人工合閘→催化激發產生高溫→固態二氧化碳干冰瞬間加熱汽化產生高壓→高壓氣態二氧化態干冰對巖壁產生強烈沖擊→巖體破裂。

激發過程中僅有催化劑在破巖孔內會產生高溫，而二氧化碳汽化過程會吸收大量熱量，最終產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。

因此，二氧化碳干冰破巖技術在本質上不屬于爆破，而是用固態二氧化碳干冰瞬間汽化的過程模擬了傳統炸藥爆炸的過程，在技術上完全可行，并且可控性更好，可以做到高壓氣體精確釋放，提高破巖設計精確程度，現場也不需要進行過多防火處理。

1.2 破巖效率

傳統炸藥爆破在爆破施工過程中，除了炸藥審批和復雜的監管報備流程所消耗的時間外，現場鉆孔(通常為人工鉆孔)和炸藥布置連線，以及最后揚塵幕布搭設都會占去較多的工作時間，再加之起爆階段需進行大范圍人員安全清場流程，使得現場其他施工工序的連續性和安全性都受到影響。巨大的噪音和較明顯的地震效應使得炸藥爆破實施時間通常被審批機關限制在特定時間段，以免干擾市民正常工作生活?？傊瑢嵤﹤鹘y炸藥爆破方案不僅要考慮自身各方面流程復雜性，還要考慮起爆階段對其周圍工人工作的連續性影響，并且起爆時間由監管機關限制，時間機動性較弱，遇上突發情況對工期進度影響較大。

二氧化碳干冰破巖技術作為新型巖石致裂技術，在施工進度控制方面有著十分明顯的優勢。首先，前面已經提到，二氧化碳干冰破巖技術不屬于傳統炸藥爆破，核心裝藥是固態二氧化碳干冰而不是炸藥，方案設計時不需要向地方公安機關作審批報備，因而破巖時間選擇也不受約束，時間機動性大大提高；其次，二氧化碳干冰破巖設備為機械套裝，包括鉆孔、清孔、洗管、裝藥等等環節都有特定的設備完成，機械化程度高，所有待命的破巖管都由鋼索串聯，以便破巖后迅速吊起撤出進行再利用。最后，由于二氧化碳干冰破巖時對周圍影響小，因此可以將鉆孔和破巖流程獨立分開進行，大幅提高工作連續性和施工進度。

另外，相較于靜態巖石破碎技術而言，二氧化碳干冰破巖技術在時間進度把控上完全處于優勢。

2 二氧化碳干冰致裂破巖參數設計

2.1 循環開挖L0和孔深L

本階段可根據循環開挖的地質條件或者按照設計要求一次性開挖深度進行設計L0的大小，從而確定孔深L，孔深為循環進尺長度加上炮孔超深長度，其中一般炮孔超深長度定為0.2 m，若有設計掏槽眼，則掏槽孔的超深長度一般情況下可定為0.4 m(垂直深度，掏槽孔實際孔深根據設計圖確定)。

2.2 單耗q與總裝二氧化碳干冰量Q

單位巖體二氧化碳干冰消耗量不僅影響巖石破碎塊度、巖石飛散距離和爆堆形狀，而其影響炮眼利用率、鉆眼工作量、勞動生產率、材料消耗、掘進成本、斷面輪廓質量、開挖基坑的平整度以及圍巖的穩定性。合理的單耗決定于多種因素，其中有巖石的物理力學性質、斷面、二氧化碳干冰的純度、炮眼直徑和深度等。由于二氧化碳干冰致裂破巖技術還不成熟，研究不夠深入，故暫時可以采用明捷利公式(1)進行計算，同時可以參考原煤炭工業局制定的斜井掘進經驗值和預算定額，根據兩者綜合分析確定最終的單耗設計值。

(1)

表1 裝干冰直徑對單位耗藥量的影響系數

表2 炮眼深度對單位耗藥量的校正系數

總裝二氧化碳干冰量Q可以根據單位巖體炸藥消耗量q、斜井斷面面積S和炮孔孔深L計算確定見式(2)。

Q=qSL0

(2)

式中：Q為總裝干冰量，kg；q為單位巖體干冰消耗量，kg/m3；S為隧道斷面面積，m2；L0為循環進尺，m。

2.3 孔徑、孔距和排距以及炮孔數目

合理選用鉆眼機械設備以及相應規格的鉆頭，從而確定鉆孔孔徑。在隧道工程中孔距a一般可設為0.8～1.2 m；排距一般可設為0.6～1.0 m。在露天破巖中最小抵抗線一般為25～30倍孔徑，孔距a一般為1～1.5倍的最小抵抗線；排距一般為0.75～1.0倍的炮孔間距。

炮眼數目由式(3)進行計算。

(3)

式中：N為計算炮眼數目，不包括未裝干冰的空眼數；q為單位干冰消耗量kg/m3；s為開挖面積m2；η為炮眼裝填系數；γ為每米藥卷長度的干冰重量kg/m。

3 二氧化碳干冰致裂破巖安全校核

二氧化碳干冰致裂破巖技術雖然比起爆破工程的風險較低，但是也需要對其安全進行校核。施工作業過程，施爆過程中有可能對周邊建(構)筑物、人員及其他重要設施等構成危害必須做到預防為主、方法合理、措施得當，將各種有害效應降低到最小程度的范圍內，主要做到以下幾個方面：

3.1 振動安全允許距離

對于密集建筑老城區的地鐵車站基坑開挖施工過程的監測應重點加強，不僅要對支護樁的水平位移和豎向位移、地下水位、鋼(混凝土)支撐軸力等常規施工監測項目進行監測，還要對周邊建(構)筑物的沉降、傾斜、周邊管線的沉降和地表路面的沉降進行監測。二氧化碳干冰最大用量按式(4)計算。

Qmax=(V/K)3/a×R3

式中：Qmax為二氧化碳干冰量，kg。

V為保護對象所在地質點振動安全允許速度，cm/s。民房磚混結構取2 cm/s，塔基鋼混結構取3 cm/s。

K、a為與破巖點至計算保護對象間的地形，地質條件有關的系數和衰減系數，按《破巖安全規程》規定的參數選定(在進行二氧化碳干冰致裂時可以通過實驗進行確定，暫時可以根據傳統炸藥破巖進行設計)。

R為距離破巖點最近處需要保護的建筑物的距離。

3.2 二氧化碳干冰致裂破巖沖擊波安全允許距離

二氧化碳干冰致裂破巖是同樣會產生空氣沖擊波。在露天破巖中，空氣沖擊波容易衰減，波強較弱。人員一般都在警戒區外，它對人員的傷害主要表現在視覺上。對于破巖施工，應合理優化干冰致裂破巖設計參數，避免采用過大的最小抵抗線，防止產生沖天炮；選擇合理的微差起爆方案和微差間隔時間，保證巖石能充分松動；保證填塞質量，防止高壓氣體從孔口沖出。

3.3 破巖飛散物安全距離

二氧化碳干冰致裂破巖時只要最小抵抗線正確，按設計要求保證堵塞長度和質量，一般不會產生飛石現象，為防止意外的地質小構造造成飛石，其安全距離估算見式(5)。

Rf=20n2wkf

(5)

式中：Rf為個別飛散物的安全允許距離，m；n為破巖作用系數(可通過實驗得到)；W為最小抵抗線，m;kf為安全系數，取1.5。

若是不滿足安全距離，設計可采用了以下幾種措施，能有效地控制破巖飛石。

表3 安全距離與抵抗線關系 m

(1)破巖抵抗線朝向空地方向。

(2)選擇合理單位耗藥量是控制飛石的關鍵，單孔裝二氧化碳干冰量過大，必然造成大量飛石過遠等現象，必須選擇合理的單位耗藥量。

(3)處理好有水孔，加強堵塞，保證良好的堵塞質量。堵塞長度不夠或堵塞質量不好，特別是有水炮孔，勢必造成沖炮，出現大量飛石。

(4)覆蓋保護是有效的防護措施，破巖前采用沙袋+膠簾+沙袋對破巖區域進行覆蓋防護，樁井口嚴格按防護設計采用鋼板、沙袋和鐵絲網進行覆蓋。

(5)每次破巖的前排均采用分層裝二氧化碳干冰方式(根據現場臺階實際情況也可采取連續裝二氧化碳干冰)。

4 結束語

(1)在城市環境下利用二氧化碳干冰破巖，應重點分析地質條件和周邊的建筑環境，在破巖前進行爆破參數的選取，根據明捷利公式確定單耗和總藥量，并明確炮眼個數，在設計階段進行安全控制，保證二氧化碳干冰破巖的施工安全和破巖質量。

(2)破巖施工前要對二氧化碳干冰致裂進行安全校核，對振動安全允許距離、二氧化碳干冰破巖致裂沖擊波安全允許距離和破巖飛散物安全距離進行計算校核，并采用一系列措施，保證工程的安全和質量。