二氧化碳裂巖技術及經濟性分析

高飛GAO Fei

（中交一公局集團有限公司海外事業部，北京 100024）

0 引言

剛果金戈馬機場跑道項目位于剛果金東北部北基武省戈馬市，與盧旺達接壤，該地區地勢起伏，北部靠近尼拉貢戈火山，南部面臨基伍湖。該項目距市中心2km，周邊人口稠密，周邊居民較多，因火山吸引了大量旅游愛好者前來參觀，交通較便捷。該項目工期16 個月，巖石開挖方量大，按照破碎錘施工方案，石方開挖時間將超過10 個月，嚴重影響后續施工。在此情況下，為高效快速地完成巖石開挖任務，項目引進二氧化碳裂巖技術和設備，加快現場施工速度。

1 二氧化碳裂巖技術

1.1 二氧化碳裂巖基本原理

二氧化碳裂巖原理是，在突然迅速加熱的條件下，液態二氧化碳快速氣化，急劇膨脹，產生強大沖擊力，通過裂巖設備進行定向定量控制，形成破巖的目的。

首先，液態二氧化碳、釋能片、發熱管等通過充裝機裝入裂巖管內，鉆機鉆孔，裂巖管放進鉆孔內，并對鉆孔封閉，檢查嚴密性；其次，使用電流觸發器，促發裂巖管內的發熱管工作，導致液態二氧化碳在快速加熱的條件下迅速膨脹，達到原體積的1000-2000 倍以上，從而產生強大的沖擊力（可達200-400MPa）；第三，氣化后的二氧化碳沖破釋能片，沿裂巖管中預定的出氣孔急速沖出（如圖1 所示），受到密封鉆孔影響，氣體無法泄出，從而沖擊周圍的巖石，破壞巖石結構，致使裂巖。

1.2 二氧化碳裂巖特點

①安全性好。液態二氧化碳相對穩定（如表1 所示），運輸存儲安全便捷；充裝機與裂巖管是分離的，不管是充裝還是裂巖，時間都比較短；施工時安全隱患小，安全警戒距離短。二氧化碳裂巖設備，從儲存、運輸、攜帶、使用、回收等方面都具有良好的安全性。

表1 相關氣體液化特性

②定向裂巖。在建筑物、橋梁、地鐵、隧道等特殊環境下，施工時不會產生沖擊波和破壞性震動，不會對周圍環境產生破壞性影響。

③材料安全，來源豐富。可根據需要就地取材，材料管理簡便，使用操作簡單易學。

④審批程序簡單，周期短。無需使用炸藥、雷管等管制材料，減少復雜的報批審批程序和管理要求限制；可根據需要隨時進行分裂作業，自由度高，更能滿足工程建設需求。

⑤使用范圍廣。除在地上使用外，在礦井下使用，更能表現其突出的性能，瓦斯礦井、沖擊地壓礦井、易自燃礦井等水文地質條件復雜的礦井均可使用。

⑥有助于促進良好的社會安定。二氧化碳裂巖技術的使用，可有效減少不法分子獲取炸藥、雷管等管制物品的機會，促進社會安定和人民生命安全。

⑦可重復使用。裂巖后裂巖管可回收重復使用，操作簡單方便，具有良好的經濟性。

⑧若使用在石材開采，裂巖不會破壞石材紋理結構，成材率較高，便于二次加工。

1.3 二氧化碳裂巖設備組成

二氧化碳裂巖設備主要由裂巖管、杜瓦罐、充裝機、旋緊系統等組成。裂巖管在裂巖后可回收，重新加入發熱管、泄能組件和二氧化碳后再次使用。

裂巖管包括充氣頭、熱化器、主管、泄氣頭、密封圈及致裂片，主管兩頭均需要密封圈。

1.4 二氧化碳裂巖施工流程

二氧化碳裂巖施工主要流程有：施工前準備、鉆孔、裝管、填塞、裂巖網路連接、裂巖、裂后檢查、提管回收、二次巖石破碎。具體施工流程如圖2 所示。

圖2 二氧化碳裂巖施工流程圖

1.5 二氧化碳裂巖施工技術要點

1.5.1 施工前準備工作

包括液態二氧化碳供應、裂巖管組裝、充裝液態二氧化碳及設備運輸，使用前應對設備進行調試。

1.5.2 鉆孔

①剝離覆蓋層，避免表土、風化層等污染孔洞，為裂巖施工提供作業面。

②布孔，根據施工經驗及巖石厚度（平均厚度約3m），每次施工采用15 根管、密集式布孔進行裂巖工作，孔距排距均為1m，第一排孔至臨空面2-3m，如圖3 所示，詳細數據可參考表2；該布孔方案能使氣體集中起來，形成一個短暫的高壓空間，到達對巖石劈裂、松動的效果。

表2 布孔參照表

圖3 布孔示意圖

③管孔深度2.5-3m 不等，管孔剛剛穿透巖石，氣體做功位置處于巖石和沙土之間，從而能夠劈裂、松動巖石。

④確定鉆孔位置后進行鉆孔，鉆孔盡量采用垂直孔，操作容易，方便裝管；鉆孔完成后做好孔洞的保護，防止雨水、碎石等雜物掉落。

1.5.3 裝管

①裝管前對鉆孔進行清理，以免影響裂巖管放置深度。②連接裂巖管和連接桿，使用挖掘機將裂巖管放至鉆孔中，連接桿漏出地面。

1.5.4 填塞

使用干燥細石粉或者小粒徑碎石，慢慢放置鉆孔中，盡量使石粉或者碎石壓實；鉆孔中不得有水，并且填充材料中不得含有石塊或者含水量大的石粉，防止裂巖管在裂巖過程中飛出，影響裂巖效果。

1.5.5 裂巖網路連接

①致裂孔數較多時，必須進行網路設計，合理分區連接，減少電阻值。首先使用1.5mm2的雙根平行線作為導線，從裂巖管中引出導線，然后將所有裂巖管導線串聯起來。②導線連接完畢，引至100m 外安全區域，進行接通測試，電阻應在60-80Ω；若發現串聯不通，逐步進行排查，重新連接。測試通過后，將導線與起爆裝置連接。

1.5.6 裂巖

①檢查起爆裝置正常，將起爆裝置打開充電按鈕，起爆裝置進行充電。②約兩分鐘即可充電完畢，電壓達到2400V；接到起爆指令后，進行起爆，起爆時間為2 毫秒。③起爆完成后，及時切斷電源，將導線與起爆裝置分離。

1.5.7 裂后檢查

裂巖完成五分鐘后，由專業技術員先進入現場進行檢查，檢查是否裂巖堆是否穩定，是否存在危險邊坡、危石等；檢查完畢確定無危險后，解除警戒，允許其他工作人員進入現場。

1.5.8 提管

巖石經過裂巖后，石層遭到破壞，裂巖管位置發生改變，部分裂巖管被埋置巖石下方，對于漏出巖石的裂巖管，使用挖掘機延連接桿一致方向提出，切勿暴力提拉。對于無法一次提出的或者埋置壓實下方的裂巖管，經過破碎錘二次破碎后取出，再次使用。

1.5.9 巖石二次破碎

裂巖過程中，不可避免地產生大塊巖石，無法直接裝車運輸，因此使用破碎錘進行二次破碎，將大塊松動巖石破碎成小塊巖石，再使用挖掘機（或裝載機）將巖石裝載到自卸車中，運輸至指定地點。

1.6 安全、環境保護措施

本文案例中提及的項目為世界銀行出資，對安全環保要求嚴格，在施工中做好相關措施：①除正常勞保服、勞保鞋、手套、安全帽等用品外，鉆孔施工時還需配備護目鏡、防塵口罩。②現場施工前，對周圍居民進行宣傳教育，講解施工順序以及可能產生的異響，避免造成不必要的影響。③裂巖管安裝后，使用草簾或者苫布，對裂巖孔進行覆蓋，避免裂巖片飛出，并減少粉塵量，等。④安全警戒。根據施工現場情況，安全警戒范圍為50-100m。警戒人員穿戴有明顯標志的衣服，在交通路口用警示帶攔住過往的車輛和行人，確保無人闖入施工區。

1.7 二氧化碳裂巖效果及影響因素

巖石裂巖后，裂巖效果明顯，整體裂縫長15m 左右，寬度7-9m，特別是裂巖管放置區域（長7m，寬5m），尤為顯著，裂縫縱橫交錯，巖石層全部被破壞，只需使用破碎錘簡單二次破碎即可。

經過多次施工及分析，影響裂巖效果的因素主要有以下幾點：①石質要求，該項目巖石均為火山巖，巖石孔隙多，巖層厚2-3m，巖層底部與舊地面有斷層，密封性較差，不利于二氧化碳氣體做功，降低裂巖效果。②鉆孔孔距，該機場跑道項目前后左右孔距均為1m，梅花狀密集分布，此分布方式不僅裂巖效果好，裂巖范圍大，達到高效、節約成本的目的。③裂巖管數量，隨著裂巖管數量增加，將提高裂巖效果和范圍，但不一定達到最高效。因此不同地點、不同材質，需多次試驗，調整裂巖管數量和孔距，提高裂巖效果。

2 二氧化碳裂巖技術的經濟性分析

根據現場施工測算，在該項目使用二氧化碳裂巖設備進行巖石開挖的施工成本約10.11 美元/方，詳情見表3；使用破碎錘進行巖石開挖的施工成本約9.84 美元/方，詳情見表4。此單價不包含其他直接費、間接費和管理費。

表3 二氧化碳裂巖設備巖石開挖施工成本明細 工程量：1000 方

表4 破碎錘巖石開挖施工成本明細 工程量：1000 方

經過表3 和表4 對比分析，得出以下結論：①在該機場項目，使用二氧化碳裂巖設備進行巖石開挖的施工方案較破碎錘施工方案，工序更復雜，需要投入更多的人員、設備和材料，施工成本約10.11美元/方，略高于使用破碎錘進行巖石開挖的施工成本（約9.84 美元/方）。②二氧化碳裂巖設備的使用，雖然增加了鉆孔、二氧化碳裂巖的時間，但是大大減少了破碎錘的使用時間，但是增加了準備工作時間，每完成1000 方巖石開挖，共需要約8 個工日；在相同設備配置條件下（同一臺破碎錘和一臺挖機），每完成1000 方巖石開挖，共需要約11.5 個工日。因此，在相同條件下，二氧化碳裂巖設備施工比破碎錘單獨施工速度更快，可以減少施工時間及相應的管理費用。③影響二氧化碳裂巖經濟性的因素：1）二氧化碳裂巖的效果，裂巖效果的好壞將直接影響二次破碎的工程量，裂巖效果越好，二次破碎的時間將會大大減少，從而降低石方開挖的總體成本；2）二氧化碳裂巖需要更多的人工成本，主要用于二氧化碳裂巖前的準備工作，如二氧化碳購買運輸、裂巖管充裝、鉆孔、裂巖管安裝，提高了二氧化碳裂巖的施工成本；3）液態二氧化碳的材料費用，當地市場是否根據施工需要及時提供充足的二氧化碳，充分考慮液態二氧化碳的采購和運輸成本；4）當地市場設備的供應和臺班價格，本案例中，由于當地缺少潛孔鉆和二氧化碳裂巖設備，需要充國內海運至非洲，增加了施工的準備時間，提高了設備的使用費用，是影響二氧化碳裂巖經濟性的重要因素之一。

本次經濟性比較基于項目石方特點、當地人材機單價及功效等條件而得出，其他項目在確定施工方案時，可根據項目的石料特點、現場調價、材料來源情況、機械設備配置，編制施工方案，再結合項目工期和成本計劃要求，進行分析比較，選擇最優石方開挖施工方案。

3 結束語

二氧化碳裂巖技術的引進，一方面大大減少管制材料和施工方案的審批程序，減少施工周期，提高現場施工效率，縮短施工時間，促進二氧化碳裂巖技術推廣；但其經濟性需要根據實際情況研究分析。同時，鼓勵中國企業不斷把新技術、新設備引進到非洲，加速非洲基礎設施建設，促進和諧發展。