CO2爆破致裂技術在密集建筑區域硬巖基坑開挖工程中的應用

廖建東

(中鐵隆工程集團有限公司， 四川成都 610045)

CO2爆破致裂技術，起源于美國，最初主要是用于高瓦斯礦井，使之代替炸藥，避免引起瓦斯爆炸。該技術20世紀90年代引入我國，經過若干年實踐，已趨于成熟。近年來，CO2爆破致裂效果得到了越來越多民爆企業的認可，推廣速度較快，目前已開始應用于巖石爆破領域。

城市軌道交通工程車站建設項目，絕大多數地處城市人群集中區域，周邊環境相當復雜，車站附近建(構)筑物密集、各類管線縱橫交錯、人民群眾對噪聲和粉塵污染防治要求嚴格等。對處于硬巖區域的車站基坑開挖，既要滿足基坑開挖施工要求，又要確保周邊地下管線、建(構)筑物的安全，還要將噪聲和粉塵濃度控制在可接受范圍之內，這是施工單位普遍面臨的難題。針對上述問題，傳統的開挖方式有大型機械破碎、靜態爆破及液壓擴張器致裂等方法，但這些方法普遍存在施工效率低、作業成本高、文明施工難以保證等缺點。

本文以大連地鐵5號線山花街站為例，對CO2爆破致裂技術應用于密集建筑區域硬巖基坑開挖工程進行研究分析，總結出相應成果，希望為類似工程提供參考借鑒。

1 工程概況

大連地鐵5號線山花街站，位于大連市甘井子區甘北路與甘井子路交叉口東北側光明健康廣場下方，為單柱雙跨框架結構(局部為雙柱三跨)，采用明挖法施工。車站為地下2層島式車站，站臺寬度11m，車站長度203.4m，標準段寬度19.7m，基坑開挖深度最大達22.6m，車站設置4個出入口、2組風亭。

車站站位地質情況主要以中風化白云巖為主，單軸飽和抗壓強度55～75MPa，屬中硬巖石，開挖難度大。周邊分布9棟地上2～7層磚混住宅，距基坑邊緣3.4～17.5m。車站四周有9類管線共計64根，多為老管線，歷史久遠且錯綜復雜。

2 CO2爆破致裂技術

2.1 CO2爆破致裂器工作原理

二氧化碳相變致裂屬于物理致裂過程，氣態的CO2在一定的高壓下會轉變為液態，通過高壓灌裝設備將液態CO2灌裝在特定管狀容器內，同時在容器下部安裝定壓剪切片，上部安裝發熱裝置及密封圈形成致裂器。

現場作業時，采用低壓起爆器產生的微電流激發致裂器內部的發熱裝置，致裂器內高壓液態CO2通過加熱，使其壓力急劇增至20～60MPa，高壓液態CO2沖破下部定壓剪切片后迅速轉變為氣態，體積瞬間增大到原體積的600多倍。體積膨脹后瞬間產生的膨脹力使致裂器周邊硬巖開裂，達到巖石致裂的目的。CO2相變致裂器工作結構見圖1。

圖1 CO2相變致裂器結構示意

2.2 基坑開挖工作原理及工藝流程

首先，在基坑內開挖出具備臨空面的工作區，利用潛孔鉆機在工作區內按設計孔間距成孔；其次，人工安裝CO2致裂器，起爆后利用CO2物理特性將工作面巖石沖擊開裂；最后，采用大型破碎錘將開裂的巖石破碎并取出致裂器。將基坑劃分為多個工作面，采取流水施工以提高施工進度，致裂器取出后送至加工車間進行修復和填充液態CO2后繼續多次使用。施工工藝流程見圖2。

圖2 CO2相變致裂器結構示意

3 CO2爆破致裂開挖操作要點

3.1 施工前準備

3.1.1 致裂器準備

基坑開挖前，在后臺車間將致裂器配件及各類設備進行保養檢查，根據施工方案要求配備足夠數量的致裂器及配件，達到在施工現場具備致裂條件后能立即將致裂器運輸至現場并形成回收、維修、灌裝、運輸的能力(致裂器維修、灌裝、運輸，一般由專業爆破公司負責)。

3.1.2 現場施工準備

車站圍護結構和支撐體系施作完成并達到開挖條件后，按照“豎向分層、縱向分段”的開挖原則將基坑劃分成若干個工作面，一般豎向每層開挖深度2.5m，縱向每段長度25m，寬度與基坑寬度相同，形成爆破致裂所需的臨空面，同時也保證了每個作業面有足夠空間放置致裂設備、破碎設備，便于形成流水施工，提高作業效率。

3.2 機械鉆孔

采用自行式履帶潛孔鉆機鉆孔，孔徑φ115mm。孔間距1.5m×1.2m，梅花形布置。孔深比致裂器少0.2m(可根據基坑巖層本身特性和致裂器長度進行參數調整)，基坑最外圈的孔距離兩側圍護結構0.3m，各個鉆孔應保證適當的垂直度。鉆孔過程中，遇到巖石內部裂縫節理發育而引起個別鉆孔串孔的情況時，須正確記錄孔位編號，采用碎石及粘性材料對串孔鉆孔進行封堵，封堵完成后在原鉆孔附近重新鉆孔。

3.3 安裝CO2致裂器

采用帶鉛錘的測繩測量孔深，務必保證孔口至孔底深度比致裂器短20cm左右，使致裂器頂端外露，便于爆破后拔出。致裂器由后臺加工廠灌裝后運輸至施工現場，用龍門吊或汽車吊將致裂器吊裝至爆破作業區域，再采用人工搬運并將致裂器逐根安放在鉆好后的鉆孔內。致裂器安裝見圖3。

圖3 人工安裝CO2致裂器

3.4 瓜子石填塞封孔

為保證致裂效果，防止爆破時飛管，需用直徑小于5mm的瓜子石填塞致裂器與孔壁間空隙。在填塞瓜子石的同時，采用振搗器不斷振動致裂器鋼管，以增大致裂器鋼管與孔壁摩擦力，達到填塞密實的目的。填塞封孔見圖4、圖5。

圖4 致裂器與孔壁空隙填塞瓜子石

圖5 振搗器振動致裂器

3.5 連線、鎖管

用導線將致裂器逐一連接，確認回路通暢后接入起爆器。為防止個別致裂器因安裝不牢而于爆破后飛出，采用φ28mm鋼絲繩將所有致裂器串聯起來，并在鋼絲繩與致裂器交點處安放橡膠護墊，避免鋼絲繩斷裂。致裂器連線、鎖管見圖6、圖7。

圖6 致裂器連線

圖7 鋼絲繩鎖管

3.6 安全防護

CO2致裂器引爆后，雖能保證振動可控，但受CO2物理特性影響，個別孔內致裂器受各種因素影響會出現豎向反力，導致致裂器鋼管向上飛出。針對密集建筑區域硬巖基坑開挖，尤其是人員車輛密集之處，應特別注意飛管防護，做到百分之百安全。施工時采用帶支腿的鋼板罩遮住爆破區域，鋼板間隙及鋼板四周縫隙用膠皮炮被作覆蓋防護，必要時可在鋼板上增加配重防止飛石。安全防護見圖8。

圖8 鋼板罩安全防護

3.7 起爆

做好安全防護后，按照國家相關規定進行警戒，對工作面周邊50m范圍內的外部車輛、人員暫時禁行，基坑內所有人員設備疏散至安全地點后方可進行起爆作業。在確認所有致裂器連接導線通暢后，采用智能云安全起爆器對致裂器進行起爆。爆破效果見圖9。

圖9 CO2爆破致裂效果

3.8 機械破碎

爆破完成后，移開防護鋼板，觀察致裂效果。針對大塊巖石，用破碎錘進行破碎，破碎程度符合渣土運輸條件即可。同時將致裂器逐個拔出，需要注意的是，拔出致裂器鋼管時要垂直上拔，避免斜拔、野蠻操作，以免損壞致裂器。

3.9 致裂器回收

將現場拔出的致裂器送至維修灌裝車間，經過維修、灌裝液態CO2后重復使用。

3.10 分段、分層開挖

第一段爆破完成后，利用形成的新的臨空面，實施后續爆破開挖，按照“分段、分層，多工作面流水”的原則將基坑開挖完成。

4 工程應用

4.1 應用情況

該技術于2018年3月起應用于大連地鐵5號線山花街站，施工期間，通過連續監測，各類管線的沉降值均滿足規范要求，周邊建筑物未出現開裂破損情況，也未發生人員傷亡事故，受到了業主及監管單位的高度評價和廣泛贊譽。

4.2 技術經濟對比

與傳統機械開挖方式相比，采用CO2爆破致裂技術進行密集建筑區域硬巖基坑開挖，具有以下優勢：

(1)成本節約。機械開挖的單價約為165元/m3，CO2爆破致裂開挖的單價約為85元/m3，可節省80元/m3。

(2)工期縮短。機械開挖的工效約為100m3/d，CO2爆破致裂開挖的工效約為250m3/d，開挖速度可提高1.5倍。

(3)安全可控。CO2爆破振動較小，加之安全防護到位，對管線沉降、建筑物變形以及開挖本身安全，都能達到很好的控制效果。

5 結束語

本文針對大連地鐵5號線山花街站深基坑開挖所進行的工藝創新，不斷進行總結歸納，提煉出“密集建筑區域硬巖基坑CO2爆破致裂開挖”施工技術，可作為類似工程的參考。