二氧化碳預裂爆破技術研究

徐曉玲 XU Xiao-ling

（中鐵十四局集團有限公司市政工程分公司，青島 266061）

0 引言

淮河西路（科大五號路至珠宋路）道路工程線路K2+000～K2+180段南側緊靠2016年完工的居民區，北側為舍埠林村。K2+640～K3+642段南側為黃埠嶺社區，北側為正友駕校及建筑物。周邊居民區密集，采取常規火工爆破工藝，對周邊居民影響較大，施工工藝由傳統的火藥爆破變更為二氧化碳致裂施工，可以減少施工引起的風險因素，減少對環境的污染，降低施工成本，對周邊社會的影響大大降低。

1 工程背景

道路里程K2+640～K3+642段存在大量石方路基，巖層主要為堅硬的中風化、低風化花崗巖，最大挖方深度43.72m，該處挖方段距離小區（黃埠嶺社區）高層建筑物等距離最大為83m，最小為30m。

圖1 陰影處為二氧化碳預裂區域

2 二氧化碳預裂施工工藝

2.1 主要施工方案

通過充裝機將液態的二氧化碳充裝到致裂管內，充裝速度1kg-4kg/分鐘，再放入激發管、破裂片、組合密封圈，把充氣頭和泄能頭擰緊，完成相關準備工作。將致裂觸發器、致裂筒、電源線等設備運輸到作業場地，將致裂管插入已經檢驗合格的致裂鉆孔中，用砂石將致裂管周邊填埋密實，連接整個致裂網絡和起爆器電源。當微電流通過激發管加熱，使液態的二氧化碳瞬間氣化，產生了大量的二氧化碳氣體，釋放出高壓氣體能量，急劇膨脹產生能量將泄壓閥沖擊開，二氧化碳氣體滲入巖石孔隙和縫隙中，巖石受到能量沖擊形成破裂面，達到破裂巖石的目的。

2.2 工藝流程

圖2 致裂施工工藝流程圖

2.3 布孔設計

根據巖體特性、巖石機理分部走向、施工范圍、臨空面距離等因素布置孔位，本工程選用直列并排布孔方式。

圖3 直列并排布孔方式示意圖

臨空面臺階高度：H=6m；

①超深：h=0.2m；

②孔深：L=6m。

2.4 鉆孔

本工程采用一臺雙動力液壓挖改鉆機鉆孔，鉆孔前為修建鉆孔平臺，鉆機平臺大于6-8m，鉆孔孔徑為135mm，鉆孔深度6m。鉆孔前按照設計的孔位進行放線，確保鉆孔位置準確，鉆進過程中保證孔位的垂直度，誤差小于致裂孔深度的5%。如出現致裂孔孔深不足、鉆孔間距差距太大時，要對相應的孔位進行補鉆，保證爆破效果。

2.5 二氧化碳計算與充裝

2.5.1 系統主要結構

二氧化碳氣體致裂系統設備由二氧化碳致裂器、液態二氧化碳儲液罐、灌裝機、氣動旋緊設備、5工位充裝身等構成。每次致裂爆破后，更換激發管泄能器件和充裝二氧化碳氣體便可以循環重復使用。

2.5.2 充裝過程中注意事項

在充裝二氧化碳液體時，先提前觀察充裝罐的壓力表，當壓力值超過0.8MPa時，可以直接充裝二氧化碳液體。否則，要先充裝二氧化碳氣體進行增壓，使得壓力超過0.8MPa后才可以進行二氧化碳液體充裝。

2.5.3 現場充裝操作說明

充裝作業開始前對設備進行全面檢查，確保設備性能滿足使用要求，尤其要保證設備接地性能良好，各設備及周邊要保證干凈、整潔，充裝過程中停止周邊挖掘機破碎作業和鉆孔作業，防止作業過程中震動影響液態二氧化碳充裝，造成液態二氧化碳泄漏造成作業人員出現傷亡事故。

①開機前，進氣管端與液態氧化碳罐的[出液口]連接，另一端與二氧化碳充裝機的進氣口相連；充氣管的兩端與出氣口、閥門相連。最后，將連接好的管路按照要求全方位檢查后，接通380V/220V電源。

②打開電源開關，注意，電源的設備參數出廠前已經按照要求設置完畢，操作過程中嚴禁私自改動參數。

③慢慢松開儲液罐的出液閥，二氧化碳液體因為壓力釋放后變成氣體，緩慢的流出，當液態二氧化碳罐內壓力與二氧化碳充裝機壓力一致時，將液態二氧化碳罐出液閥門完全打開，開始充裝工作。

④將組裝完畢二氧化碳致裂器放到五工位充裝臺上，二氧化碳致裂器充氣頭的進氣孔與充裝臺臺的出氣嘴緊密連接，擰緊固定螺絲，每次最多可充5根二氧化碳致裂器。

⑤用六角扳手將二氧化碳致裂充氣頭上的進氣孔閥頂計松開，將稱重器歸零。

⑥松開排氣閥，使其噴出的液態二氧化碳呈白霧狀，通過排出其他試驗排氣閥的穩定性和使用性，確認適用性能后關閉排氣閥。

⑦洗管操作：松開五工位充裝臺上的3個閥門，1#閥門、2#閥門、3#閥門，使其持續噴出液態二氧化碳氣化后的霧狀氣體，開啟二氧化碳致裂充裝機上啟動鍵，將氣體二氧化碳灌入二氧化碳致裂器內，充注到額定壓力值后，停止充注。關上1#閥門，打開2#閥門，排出致裂器內的二氧化碳氣體，這樣就完成整個洗管過程，當室溫低于20℃時可不用洗管，直接充裝。

⑧灌裝操作：松開五工位充裝臺上3個閥門，1#閥門、2#閥門、3#閥門，持續噴出二氧化碳液體氣化后霧狀氣體，然后關閉2#閥門，開始對二氧化碳致裂管進行充裝，達到設定的額定壓力值時停下充注氣體，立即關上1#閥門，隨后用把充氣頭的進氣閘閥關上并擰緊。打開2#閥，把多余的氣體排凈，擰開固定用的螺絲，拿下二氧化碳致裂管，完成了灌裝。

表1 依據致裂設備提供數據參數表

根據巖體特性、成孔深度、成孔孔徑等因素，分別計算每孔致裂管二氧化碳液體充裝重量，根據計算，每根108mm致裂管，最大充氣量為7kg，總重為98kg，充裝過程中額定壓力14MPa，最高壓力20MPa?，F場根據實際情況進行計算具體充裝重量，確保滿足爆破要求。

2.6 清孔

鉆孔成型后，使用提前準備好的標尺對孔深進行檢測，孔深達到要求后及時對鉆孔進行臨時封堵，防止周邊碎石等雜物落入孔內。對于已經落入孔中的石子，用長柄鉗子將石子夾出，以免造成致裂管卡堵，影響致裂效果。

2.7 填塞

致裂孔填塞物可以選用打孔的孔渣、細沙石作為填塞物；致裂孔內有積水時，要先排除積水再填塞作業。

填塞完成后現場負責人和工程技術人員對填塞效果進行檢查，驗收合格后才能開始致裂作業。

2.8 網絡連接

網絡連接采取串聯（并聯）方式。

合理分配導電網絡的連接區域，在減少導電網路電阻值的同時。盡可能保持各線路的電流值、電阻值平衡，在網路連接后再次檢測導電網絡的電阻值，把導電網絡實測電阻值和計算值電阻值進行比對，如果電阻值差距較大，應逐一排查線路，找出原因，排查故障后再次連接網絡，再次檢測電阻值，達到規定值后再進行致裂作業，保證起爆效果。

圖4 網絡連接示意圖

2.9 安全驗算

2.9.1 致裂振動計算

根據《爆破安全規程》（GB6722-2019）的要求，采取主振頻率和質點峰值振動速度指標作為致裂振動判定依據，按照規范理論上驗算振動。致裂振動安全允許標準范圍如表2所示。

表2 致裂振動安全允許標準

致裂振動監測應同時測定質點振動相互垂直的三個分量。

注：表中質點振動速皮為三個分量中的最大值，振動頻率為主振率。

注2：頻率范圖根據現場實測波形確定成按如下數據選?。菏抑铝裦小于20z；露天深孔致裂f在10Hz-60Hz之間；露天淺孔致裂f在40Hz-100Hz之間；地下深孔致裂f在30Hz-100Hz之間；地下淺孔致裂f在60Hz-300Hz之間。

石方爆破作業周邊是居民小區，根據作業安全規程要求，一般民用建筑物a安全允許振速V=2.0cm/s-2.5cm/s，露天淺孔致裂f在40Hz-100Hz，擬選取V=2.2cm/s作為安全允許振速標準。

道路線路走向與社區方向不平行，按照震源最近點30m距離，與需社區間的間距作為計算依據，依據《爆破安全規程》計算公式，計算出致裂允許的最大起爆量。根據廠家提供108#二氧化碳的測量結果，按照致裂區域與社區之間的最短距離30m計算安全允許振速，具體驗算如下：

根據公式：

式中：V——振動速度cm/s；

K——CO2耗量系數，取10孔共計37；

R——現場最近的居民樓（R=30 m）；

Q——最大裝液量6.8kg；

a——與致裂點地質、地形等條件有關的衰減指數取1.4。

計算結果：V=k（Q1/3/R）a=0.77cm/s

根據計算結果，將震動速度控制在2.2cm/s之內，不會對30m以外的居民社區造成影響。

2.9.2 致裂飛石安全距離的確定

致裂后，拋擲的石子的距離與致裂位置、巖石的硬度等因素有關，依據以下公式計算：R=20Kn2W

R——飛石安全距離（m）；

K——與巖石性質、地形、地質、氣候有關的系數，一般取0.1-1.5；迎風向取最大值，背風向取最小值；

n——最大一個CO2的致裂作用指數，取0.83；

W——最大一個CO2的最小抵抗線，取1.5（m）。

按照迎風向最大值1.5得出的安全距離為R=20Kn2W=31m，按照背風向最大值0.1得出的安全距離為R=20Kn2W=2.1m。

現場實際致裂施工過程中，盡量避免在有風的天氣進行致裂作業。如確實需要作業，在作業過程中采取安全保護措施，防止飛石對社區及人員、設備造成影響?？梢栽谥铝芽醉敳咳陷^軟的毛氈，再覆蓋橡膠炮已加強防護，控制飛石的拋擲距離。

2.10 警戒

致裂準備工作全部完畢，人員、各類機械設備均撤至警戒區，對致裂作業區域進行安全警戒。以致裂作業區域為中心，在線路兩側、靠近居民區位置40m處范圍設置安全警戒，警戒人員要穿著明顯安全標志，防止致裂過程中周邊居民進入致裂現場。

2.11 致裂

采用高能脈沖式起爆。各項工作做完之后，派由現場負責人、技術人員和安全管理人員共同檢查網絡情況。起爆前，首先檢查起爆器、網絡電阻值、電壓值是否達到起爆要求，檢查合格后，將主線與起爆器連接，等待起爆命令?，F場致裂負責人組織作業人員、機械設備、相關物資撤離至警戒線意外，得到可以爆破的指令后再起爆。

2.12 解除警戒

致裂完成10分鐘后，由現場相關管理人員共同對現場進行核查，確認無危險后解除安全警戒，允許其他作業人員、設備進場開始后續作業。

3 結束語

采用二氧化碳預裂爆破技術對周圍環境不會產生破壞，不產生有毒有害氣體，降低了對環境的污染和對施工人員身體健康的影響。該爆破技術屬于物理膨脹技術，做工過程短暫、無明火、震動、煙塵、沖擊波，對周邊居民區和建筑物影響較少，利于市區內土石方作業。同時二氧化碳系統便于充灌、可重復使用，施工成本遠低于靜態爆破成本。