二氧化碳氣體致裂配合機械法進行路基石方施工技術應用研究

李達欽

摘 要：采用二氧化碳氣體致裂配合機械法施工技術對路基石方進行開挖作業，能夠有效地避免對周圍特殊設施造成影響，滿足對特殊設施的保護要求，且受政策影響的因素更小。文章結合東莞至番禺高速公路橋頭至沙田段工程施工第1合同段厚街南互通立交K55+315～K55+855段路基工程石方開挖的施工實例，介紹二氧化碳氣體致裂配合機械法進行路基石方施工技術應用，可為類似工程提供借鑒參考。

關鍵詞：二氧化碳;氣體致裂;機械法;路基石方

0 前言

本文以東莞市莞番高速一期工程東莞至番禺高速公路橋頭至沙田段工程施工第1合同段為依托，研究了二氧化碳氣體致裂配合機械法進行路基石方施工技術應用。路基石方施工，常規的做法是采用炸藥爆破配合機械鑿除進行施工，但是如果受施工場地周邊環境和屬地政策因素的影響，將無法使用炸藥爆破施工。莞番高速施工第一合同段厚街南互通立交K55+315～K55+855段為路基工程，位于山地，約有20萬方石方挖方。因該路段上方高壓電力線路密集，為確保電力設施的安全，供電部門不允許施工單位使用炸藥進行爆破施工。但由于該項目工期較緊，且施工單位擬在該段路基施工完成后，建設一座預制梁場，因此該段路基施工工期將嚴重影響到項目總工期，然而上跨高壓線遷改等級高，需要省級部門審批，遷改進度緩慢，等待遷改完成后再進行石方開挖不能滿足工期要求，故如何在保證不影響項目工期和高壓線安全的前提下，安全順利快速地完成該段路基石方施工成為了技術難題。

施工單位在根據施工現場周邊環境、現有國內施工技術條件和方案比選，采用了在煤礦中使用的二氧化碳無炸藥氣體致裂法、配合機械鑿除的工藝進行施工，最終在保證安全和進度的前提下，圓滿順利地完成了相關施工任務。

1 工藝原理

液態二氧化碳相變致裂技術是一種理念先進、方法安全、效果顯著的爆破技術，屬于物理爆破技術，具有爆破過程無火花外露、威力大、無需驗炮、操作簡便、不屬于民爆產品，其運輸、儲存和使用獲豁免審批等優點，被廣泛應用于巖體爆破、采煤、清堵、建筑物拆除等。

二氧化碳致裂器的原理：二氧化碳氣體在一定的高壓下可轉變為液態，通過高壓泵將液態的二氧化碳壓縮至圓柱體容器（致裂管）內，裝入破裂片、導熱棒和密封圈，擰緊合金帽即完成了致裂前的準備工作。將致裂管和安全云毫差起爆器及電源線攜至致裂現場，把致裂管插入鉆孔中固定好，連接起爆器電源。當微電流通過高導熱棒時，產生高溫擊穿安全膜，瞬間將液態二氧化碳氣化，急劇膨脹產生高壓沖擊波致泄壓閥自動打開，被爆破物品或堆積物受幾何級當量沖擊波向外迅猛推進，從起爆至結束整個過程只需0.4毫秒，且是低溫下運行，與周圍環境的液體，氣體不相融合，不產生任何有害氣體，不產生電弧和電火花，不受高溫、高熱、高濕、高寒影響，無震蕩。二氧化碳屬于惰性氣體非易燃易爆物質，致裂過程就是體積膨脹的過程，物理做功而非化學反應。

經過二氧化碳氣體致裂后，確認無盲炮及其他安全隱患即可解除警戒，繼續進行致裂或機械法解小工作。

2 工藝優勢

二氧化碳氣體致裂配合機械法進行施工的優勢體現在安全性能、環保效益等方面，主要優勢有：

（1）二氧化碳具有本質的安全特性，從儲存、運輸、攜帶、使用等方面均十分安全。主機與致裂器材分離，從灌裝至致裂結束時間較短;液態二氧化碳灌注僅需1～3分鐘，起爆至結束僅需4毫秒;實施過程無啞炮，無需驗炮;安全警戒距離短，無安全隱患;致裂管回收方便，可連續使用。

（2）既可定向又可延時控制，特別是在特殊環境下，如居民區、隧道、地鐵、高壓線下及需特別保護的設施等環境，實施過程中無破壞性震動和短波，對周圍環境無破壞性影響。

（3）無需火工庫，管理簡便，操作易學，操作人員少，無需專業人員值守。

（4）材料來源豐富，可就地取材，化工廠、充氣站都有液態二氧化碳。使用二氧化碳致裂技術能增加效益，降低成本，減少繁雜的報批審核程序和管理限制。

（5）定向泄能對周圍環境不產生破壞，不產生一氧化碳及氮氧化物等有害氣體。

由于本項目路基施工對高壓線的保護要求高，采用二氧化碳致裂效果突出。

3 二氧化碳氣體致裂配合機械法施工在本案中的具體應用

主要流程圖如圖1所示。

3.1 二氧化碳氣體致裂配合機械法工藝操作流程

3.1.1 施工準備

（1）致裂準備與測量同步，在放線的同時，準備導線，組裝致裂器，并對組裝好的致裂器進行試驗。

（2）致裂器裝管采用直徑102 mm的二氧化碳致裂器，直徑120 mm潛孔鉆頭鉆致裂器孔，孔深3 m，每孔裝1根致裂器。致裂器使用前，需嚴格對其進行外觀和結構檢查。主要檢查內容有：

①有無明顯劃痕、銹蝕及肉眼可見裂痕;

②泄能器結構應能使儲液管內高壓二氧化碳在達到泄放壓力后充分泄放;

③試驗密封性：將組裝好的致裂器置于水中，觀測2 min，所有連接處有無氣泡溢出，無氣泡溢出，則說明致裂器密封性良好;

④檢查液體二氧化碳、致裂器產品合格證;

⑤檢查發熱裝置：腳線、電阻、抗震性能、安全電流、最小發火電流、靜電感度等技術指標。具體構造見圖2。

（3）致裂器組裝：

①將致裂器儲液管放在陳列架上，將鐵絲插入主管中，并使帶鉤的一端從主管刻字的一端伸出。然后把用鐵絲勾住加熱裝置的導線并拉動鐵絲使導線從儲液管的另一端伸出;

②將定壓剪切裝上密封墊，并與加熱裝置的導線連接在一起（注意定壓剪切片凸起的一端朝里）。然后拉出加熱裝置，使定壓剪切片完全進入儲液管內;

③先擰緊釋放管，再擰緊充裝閥，均擰到手無法擰動為止;

④將擰好的致裂器放在拆裝機鉗口上，并將充裝閥一頭插入拆裝頭里。然后順時針旋轉急停按鈕，按下啟動按鈕以啟動拆裝機;

⑤按住夾緊按鈕壓力上升到 10 MPa 以上后放開。然后按住緊固按鈕當壓力上升至 10 MPa 時，放開緊固按鈕;

⑥按住松開按鈕，然后將致裂器掉頭;

⑦重復步驟⑤;

⑧測量電阻，電阻在1～2歐姆為正常。

（4）致裂器充氣：

①致裂器放在充裝臺上對好充裝孔，擰緊夾緊桿并用內六角扳手打開充裝閥。然后打開致裂器所對應的球閥，關閉沒有致裂器的球閥;

②按下充裝機上的清零鍵，將稱重儀表清零;

③放氣：每天首次工作前，需要放氣，將整個管道排空。先打開充裝臺上的進口球閥和出口球閥。然后按下放氣按鈕，直到出口球閥噴出連續不斷的白色氣體后，關閉出口球閥;

④洗管：按下放氣按鈕后，關閉進口球閥然后打開出口球閥，將致裂器內的二氧化碳放出，放出一大部分后關閉出口球閥。本項操作重復兩到三次;

⑤充裝：關閉出口球閥后，按下增壓按鈕，待致裂器充滿后機器會自動停止。機器停止后，用內六角扳手將致裂器的充裝閥關閉，然后關閉進口球閥，再打開出口球閥將多余氣體放出;

⑥測試密封性：將致裂器的充裝閥和釋放管分別放入水中，確保沒有大量氣泡。

3.1.2 布孔設計

根據工程特點、巖石性質、臨空面間距、邊坡坡率等分別布置，本工程因存在大量花崗巖孤石，根據現場實際情況進行布孔設計：鉆孔直徑為120 mm，孔深3 m，孔距1 m～1.5 m，每次放20炮，每天放4～5次，可出料600～800方。

3.1.3 鉆孔

鉆孔采用潛孔鉆，各致裂孔底部誤差不得大于設計深度的5%，致裂孔出現深度不夠，少孔或間距出入太大時一律按規定進行補鉆。邊坡致裂孔施工時，根據邊坡坡率，最外一排孔設置成與坡比一致的斜孔。

3.1.4 計算二氧化碳與充裝

根據工程特點，巖石性質，臺階高度及臨空面間距，致裂管孔徑以及直列順序分別計算每孔致裂管二氧化碳充裝數量，并在致裂管上標注直列順序。常規采用致裂管直徑102 mm，每根致裂管二氧化碳灌裝量控制在6 kg左右。

3.1.5 清孔

致裂孔成型后，裝管前要對致裂孔進行檢查，一是檢查致裂孔內雜質是否清理干凈，二是檢查致裂孔是否符合致裂參數設計要求的深度、孔距、排距等。

3.1.6 填塞

致裂孔填塞時要選用理想的填塞物，采用小石子或砂礫，致裂孔有水時要排水后方可作業。填塞時要邊填塞邊用炮桿將填塞物搗實，絕對避免在填塞時造成致裂孔卡堵，填塞不實的現象，一旦出現致裂孔卡堵填塞不實的情況，操作員必須做好標記，并報告作業班長，致裂前要做好充分的覆蓋措施，嚴防引發飛石事故。禁止裝管后無填塞致裂。

3.1.7 致裂管連接固定

用尼龍繩對所有致裂管進行第一道連接固定，然后再用鋼絲繩進行第二道連接固定，采用雙保險，確保致裂管處于整體狀態，在受到強勁沖力后不會單個飛出，造成安全事故。

3.1.8 網路聯結

網路聯結由有經驗的技術員操作，采取串聯方式。網路聯結完成后，由專人逐個檢查每根致裂管的電阻，確保網路的連通性良好。

3.1.9 覆蓋

為保證施工區域上方高壓線的絕對安全，致裂前對致裂區域進行全覆蓋，防止飛石對高壓線的破壞，是整個施工過程的關鍵。

根據以往的施工經驗以及對高壓線特殊保護的要求，采取三道覆蓋保護，所需材料有：膠桶、廢舊輸送帶、蓬布、繩網等。通過試驗，以下兩種覆蓋方法效果較為理想。

（1）覆蓋層組合：膠桶+蓬布+繩網。將容量200 L的膠油桶中間切斷做兩半，每半的高度50 cm，并在桶無蓋端刻U型槽，致裂管第一道尼龍繩連接固定時，盡量貼地，第二道鋼絲繩連接固定時，不要繃緊，然后每根致裂管上套一個膠桶，尼龍繩和鋼絲繩置于膠桶的U型槽內，用尼龍繩連接膠桶;在膠桶連接完成后，在上面覆蓋蓬布（帆布），要求致裂區域全部覆蓋;蓋好蓬布后，在蓬布上再蓋一張尼龍繩網，尼龍繩網用拉繩固定在四周的大石上，用尼龍繩網的好處是防止蓬布被致裂時產生的氣浪掀翻，另外，因尼龍繩的彈性，致裂瞬間巖體裂開體積膨脹時，繩網不致于繃斷，并起到緩沖作用。

（2）覆蓋層組合：膠皮+蓬布+繩網。此種方法是利用寬度1 m左右的廢舊輸送帶，切割成四方形，然后在其中央部位割一個約105 mm的圓孔（致裂管直徑102 mm），在裝管前套在致裂管上，蓬布和尼龍繩網的覆蓋同上。

3.1.10 警戒

以致裂作業區為中心，50 m范圍內區域為致裂警戒范圍，作業時無關人員禁止進入，致裂警戒范圍再向外輻射至附近的進山口，均須設警戒點，致裂時，人員和機械均需撤至警戒區以外，致裂后經檢查，確認安全并經致裂負責人準許方可撤除警戒。

3.1.11 致裂

致裂由有經驗的致裂施工員操作，前面各項工作做完之后，派有經驗的致裂施工員檢查網絡，清理施工現場，一切機械和人員撤至安全地點，由致裂負責人發布起爆指令后方可致裂。

3.1.12 機械法解小

路基石質路塹經過二氧化碳氣體致裂后，巖體被分為適當厚度的石塊。可以采用PC360炮機進行機械法解小作業，然后采用汽車將解小的石塊運出施工現場。

3.2 二氧化碳氣體致裂配合機械法工藝操作要點

（1）精確布孔是首要的關鍵，必須保證路基邊坡不受破壞，鉆孔工人應嚴格按設計施工，并接受現場技術人員的指導監督。所有的致裂孔均應經過檢查驗收后才能裝管。鉆孔時，必須注意各級邊坡的坡率，根據設計坡比布設斜孔，防止掏空邊坡，破壞邊坡的穩定性。

（2）裝管前檢查孔位、孔深、孔距等參數，包括孔深、傾斜度是否滿足要求，孔內有無雜物積水，致裂孔間距等。

（3）堵塞應保證長度和密實度，不得堵入石塊，采用小石子和砂礫，注意保護起爆網路。采用串聯法時，聯結完后，必須逐根檢查電阻，保證網路連通良好。

（4）致裂前十五分鐘，開始警戒，致裂區周圍的人員及器具撤出危險區，警戒完畢后等待起爆令。致裂后進行安全檢查，確定無危險因素，解除警戒。覆蓋措施必須落實到位，杜絕飛石，保證高壓線的安全。

4 效益分析

該工法與常規土石方爆破工法相比，具有以下優勢和效益：

4.1 施工組織

由于二氧化碳不同于火藥，火藥的使用前需要報公安機關報批，并受公安機關嚴格監管，而二氧化碳為非爆炸物品，非危化品，無需報公安機關審批，省去繁瑣程序。二氧化碳供應極其便利，選取專業化隊伍，施工組織方便。施工環境要求不高，對周邊環境影響也小。相比于常規火藥爆破施工，氣體致裂更加安全、高效，且由于莞番一標項目工期緊、任務重，采用該施工方法，較高壓線遷改后爆破施工節約工期約7個月。

4.2 施工質量

由于氣體致裂可以根據孔眼布設以及致裂器選擇，可定向又可延時控制，減小因爆破對山體的影響，同時可以保質保量的完成施工任務，達到了預期的效果。

4.3 施工安全

二氧化碳的物理、化學特性優越，非常安全。二氧化碳的化學性質不活潑，熱穩定性很高，通常也不支持燃燒。因此，整個爆破過程中，只是液態二氧化碳到氣態二氧化碳的相變變化，不產生新的有害氣體和有害物質，與炸藥爆破產生大量的一氧化碳等有害氣體不同，二氧化碳致裂是物理反應過程，在地面爆破完全沒有危害，根據多個爆破工程的檢測，一米高度以上從來沒有超標的有害氣體。

4.4 施工節能、環保及社會經濟效益

二氧化碳獲得便利，且不消耗其他能源，不發生任何化學反應，制作僅為物理反應。從物理角度來看，由于二氧化碳臨界溫度很高，液化難度低，運輸儲存容易。二氧化碳不會污染大氣環境，從液態二氧化碳氣化成二氧化碳氣體，不產生其他有害氣體、有害物質以及大量粉塵，對周邊環境和住戶的日常生活沒有影響。二氧化碳采用的是化工廠或者是燃煤燃油等電廠的廢氣，是廢氣的再利用。它是已經存在的物品，不用再消耗能源去生產，因此，不像炸藥和其他氣體生產會造成新的污染。二氧化碳致裂的噪音很小，震動很小，基本沒有噪音污染，可以用于嚴禁使用炸藥的其他工程項目。

5 結語

綜上所述，二氧化碳氣體致裂配合機械法施工工藝成功應用于東莞至番禺高速公路橋頭至沙田段工程施工第1合同段K55+315～K55+880段路基石方施工，有效地促進了現場的施工安全、進度控制，確保了特殊設施（電力塔）的整體安全，減小了施工對山體的擾動影響，節約了工期，提高了項目的經濟效益、社會效益和環境效益。該方法安全性突出，特別適用于硬度較大的石方及受限于特殊環境的施工現場，具有著較高的可靠性和實用性，是促進社會可持續發展的有效技術性措施，值得在類似工程項目推廣應用。

參考文獻：

[1]陳偉仁.二氧化碳氣體裂巖的施工技術探析[J].工程技術研究，2017（11）：68-69.

[2]盧廣海.二氧化碳致裂器在土石方工程中的應用[J].鑿巖機械氣動工具，2018（2）：48-55.

[3]楊永梅，姜光忍，唐宇恒.二氧化碳氣體爆破技術發展及應用[J].設備管理與維修，2019（6）：85-86.