二氧化碳致裂技術(shù)在地鐵基坑開(kāi)挖中的應(yīng)用

馬艷衛(wèi) 張德忠

(中鐵隧道集團(tuán)一處有限公司，重慶 401123)

0 引言

目前，國(guó)內(nèi)地鐵硬巖基坑開(kāi)挖采用的開(kāi)挖方式主要有控制爆破、機(jī)械破碎、靜態(tài)致裂、劈裂、切割等。機(jī)械破碎在巖石強(qiáng)度高的情況下開(kāi)挖難度大、施工效率低；爆破作業(yè)產(chǎn)生的振動(dòng)、飛石對(duì)周邊環(huán)境影響大，且火工品危險(xiǎn)性高、市政工程中審批及使用難度大；靜態(tài)致裂作業(yè)循環(huán)時(shí)間長(zhǎng)，施工效率低、成本高；劈裂開(kāi)挖和切割對(duì)巖體及作業(yè)面要求高，適用范圍有限且效率不高。在爆破作業(yè)受限的環(huán)境中，低強(qiáng)度巖體可采用液壓破碎錘、鉤機(jī)等開(kāi)挖，少量硬巖可采用靜態(tài)致裂及劈裂等方法，大體量高強(qiáng)度巖體開(kāi)挖采用上述方法工效太低。在周邊環(huán)境復(fù)雜的基坑開(kāi)挖中爆破方法會(huì)極大受限，其余幾種開(kāi)挖方法在施工條件及施工效率方面均存在很大的局限性。

二氧化碳致裂技術(shù)最早為國(guó)外研究發(fā)現(xiàn)，英國(guó)的CARDOX公司開(kāi)發(fā)研制了二氧化碳致裂器，稱為Cardox Tube System，該技術(shù)被用于高瓦斯礦井采煤。20世紀(jì)80年代，該技術(shù)迅速發(fā)展，逐步應(yīng)用到爆破震源、金屬制品成型、地下礦山、露天礦山開(kāi)采等領(lǐng)域，成為一種有潛力的新型爆破器材。20世紀(jì)90年代，我國(guó)煤礦開(kāi)始引進(jìn)該項(xiàng)技術(shù)，也主要在采礦領(lǐng)域，21世紀(jì)隨著煤礦對(duì)該技術(shù)的淘汰，慢慢移植到露天巖石破碎領(lǐng)域。

1 二氧化碳致裂技術(shù)原理

二氧化碳致裂技術(shù)是利用液態(tài)二氧化碳吸熱體積瞬間膨脹的原理，將液態(tài)二氧化碳通過(guò)高壓低溫充裝設(shè)備注入到二氧化碳儲(chǔ)液鋼管(也稱致裂主管)內(nèi)，并保持儲(chǔ)液管內(nèi)液態(tài)二氧化碳?jí)毫υ? MPa～9 MPa。將致裂管和起爆器通過(guò)電源線連接，把致裂管插入鉆孔中固定好，啟動(dòng)起爆器，觸發(fā)加熱裝置產(chǎn)生大量熱量，使管內(nèi)液態(tài)二氧化碳瞬間氣化(二氧化碳液、氣變化臨界溫度：31.06 ℃，臨界壓力：7.383 MPa，當(dāng)溫度高于31 ℃時(shí)液態(tài)二氧化碳會(huì)迅速氣化)體積膨脹600倍，當(dāng)管內(nèi)氣體壓力超過(guò)泄壓釋能片極限強(qiáng)度(可設(shè)定)時(shí)，氣體沖破泄壓釋能片，從泄能孔釋放出來(lái)，瞬間產(chǎn)生強(qiáng)大的氣團(tuán)沖擊力，沿著目標(biāo)體自然裂隙沖開(kāi)物料并將其推離主體，從而達(dá)到預(yù)裂松動(dòng)的目的。致裂棒構(gòu)造詳見(jiàn)圖1。

2 二氧化碳致裂施工工藝

二氧化碳致裂施工工序主要為致裂管灌裝、鉆孔、致裂管安裝、填塞、連接覆蓋、起爆、拔管、破碎。

2.1 致裂管充裝

1)安裝起爆藥卷和泄能片。

將致裂管運(yùn)送至旋頭機(jī)，檢測(cè)充裝頭絕緣性良好后安裝充裝頭和泄能頭，旋頭機(jī)旋緊，運(yùn)送至充裝器。

2)充裝二氧化碳。

分兩次進(jìn)行，首次充裝少量液態(tài)二氧化碳，保證壓力不小于1.0 MPa，靜置等待致裂管冷卻后二次充裝，二次充裝時(shí)直接加壓至8 MPa，致裂管裝管完畢。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)準(zhǔn)備、布孔

1)清除巖層上覆土層及上部強(qiáng)風(fēng)化巖層，機(jī)械開(kāi)挖3 m高臨空面。

2)機(jī)械進(jìn)場(chǎng)及出渣馬道修整，合理安排鉆孔機(jī)械和出渣車(chē)輛的場(chǎng)位，考慮致裂管的吊裝凈空。

3)致裂孔的間距根據(jù)需要開(kāi)挖的巖石強(qiáng)度、裂隙發(fā)育情況、致裂器規(guī)格以及作業(yè)區(qū)域臨空面情況進(jìn)行設(shè)定。具體布孔原則如表1所示。

表1 二氧化碳致裂布孔參數(shù)表

2.3 鉆孔、清孔檢查

1)采用潛孔鉆機(jī)鉆孔，孔為垂直孔，孔底位移統(tǒng)一水平面上。鉆孔完成后采用高壓風(fēng)清孔，按照致裂管前確保孔口周邊清理干凈。

2)清孔完畢后對(duì)鉆孔進(jìn)行驗(yàn)收。主要是檢查孔深度、孔距和排距，另外是孔內(nèi)有水或石渣。

3)若孔內(nèi)含泥量過(guò)大則需要將孔廢棄在旁邊重新鉆孔。

2.4 安裝致裂管

1)裝管前在孔底填充50 cm厚米石作緩沖層，防止致裂管向上沖出。

2)下管后，將致裂器與孔壁之間的空隙用米石填塞，填筑時(shí)使用振動(dòng)棒振動(dòng)致裂管，保證填充密實(shí)。

3)致裂管安裝完畢后采用導(dǎo)線將所有致裂管串聯(lián)連接，連接完畢后使用萬(wàn)能電表檢測(cè)整個(gè)線路，確認(rèn)線路連接良好。

2.5 連接覆蓋

1)安裝完成后采用22 mm直徑鋼絲繩將所有致裂管串聯(lián)，每管來(lái)回串連兩次，將所有致裂管連接成整體。

2)采用橡膠制作的2.0 m×2.0 m規(guī)格的炮被將作業(yè)面及周邊3 m全部覆蓋，防止致裂產(chǎn)生飛石。

2.6 擊發(fā)

現(xiàn)場(chǎng)警戒，將起爆引線與起爆器連接，現(xiàn)場(chǎng)負(fù)責(zé)人確認(rèn)警戒范圍內(nèi)安全后下達(dá)充電命令，開(kāi)始充電，再次確認(rèn)周邊環(huán)境無(wú)影響后起爆。

2.7 提管、破碎

移除炮被，取掉連接的鋼絲繩，挖掘機(jī)進(jìn)場(chǎng)將致裂管拔出，若部分致裂管被巖石卡住無(wú)法拔出則需要先將周邊巖石破碎后再拔。

致裂后對(duì)裂開(kāi)的巖石采用液壓破碎錘進(jìn)行破碎，巖塊破碎至滿足裝渣運(yùn)輸要求。

3 二氧化碳致裂在基坑開(kāi)挖中的應(yīng)用

3.1 工程概況

大連地鐵后關(guān)村站為地下2層三柱四跨車(chē)站，長(zhǎng)度349 m，寬度42.9 m，采用明挖法施工，基坑深度約20 m，基坑范圍內(nèi)地層主要為中風(fēng)化石灰?guī)r，巖石開(kāi)挖方量約30萬(wàn)m3，巖石強(qiáng)度最高81.8 MPa，由于緊鄰哈大高鐵，主體基坑邊緣距離哈大高鐵最近距離為44 m，無(wú)法進(jìn)行爆破作業(yè)。

基坑于2017年10月1日開(kāi)始開(kāi)挖，首先采用了挖掘機(jī)+液壓破碎錘進(jìn)行開(kāi)挖，在中風(fēng)化巖層中開(kāi)挖進(jìn)度緩慢，后采取了膨脹劑及劈裂棒致裂等手段輔助挖掘機(jī)開(kāi)挖，但效率均較低，無(wú)法達(dá)到計(jì)劃的開(kāi)挖進(jìn)度，在通過(guò)充分調(diào)研后項(xiàng)目于2018年3月引進(jìn)二氧化碳致裂施工方法，開(kāi)挖效率明顯提升，至2018年4月底完成公路管理處基坑開(kāi)挖。

3.2 致裂技術(shù)方案

后關(guān)村站公路管理處基坑尺寸為54 m×48 m，基坑深度20 m，在基坑?xùn)|南角設(shè)置出渣坡道，因此基坑由西向東、由北向南分塊分層進(jìn)行開(kāi)挖，開(kāi)挖順序如圖2所示。

施工分別采用直徑122 mm長(zhǎng)度5 m和直徑95 mm長(zhǎng)度3 m兩種規(guī)格致裂管，為保護(hù)基坑邊坡在靠近邊坡3 m范圍內(nèi)使用φ95 mm致裂管，鉆孔深度3 m，孔距1.8 m，排距1.4 m；基坑中部采用φ122 mm致裂管，孔距2.5 m，排距2 m，每次根據(jù)作業(yè)面情況致裂20個(gè)～40個(gè)孔。

每天僅白天作業(yè)，晚上出渣，致裂管作業(yè)當(dāng)天在工廠根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需要灌裝，打孔完畢后運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)安裝致裂，每天作業(yè)2個(gè)循環(huán)，每循環(huán)致裂200 m3～500 m3。

3.3 資源配置

3.3.1人員配置

施工投入作業(yè)人員主要為設(shè)備司機(jī)、致裂管灌裝及安裝人員，具體人員配置見(jiàn)表2。

表2 作業(yè)人員配置表

3.3.2設(shè)備配置

施工投入設(shè)備為傳統(tǒng)土石方開(kāi)挖設(shè)備，具體設(shè)備配置見(jiàn)表3。

表3 主要設(shè)備配置表

3.4 工效情況

二氧化碳致裂開(kāi)始時(shí)間為2018.3.11，完成時(shí)間為2018.4.25，共計(jì)45 d，共開(kāi)挖巖石28 300 m3，除去未工作時(shí)間平均每天開(kāi)挖量約為747 m3；同樣使用3臺(tái)挖掘機(jī)單純液壓破碎錘開(kāi)挖平均每天開(kāi)挖量為260 m3，使用二氧化碳致裂后的開(kāi)挖工效提升到單純機(jī)械破碎的3倍。

4 結(jié)語(yǔ)

二氧化碳致裂過(guò)程中孔內(nèi)產(chǎn)生的氣體壓力遠(yuǎn)低于炸藥爆炸產(chǎn)生的壓力，過(guò)程中產(chǎn)生的振動(dòng)及飛石情況也遠(yuǎn)小于爆破作業(yè)，所需的材料主要為液態(tài)二氧化碳，獲取方便，運(yùn)輸及使用安全性高，不屬于爆破物品，使用靈活，施工效率較其他非爆開(kāi)挖方法高，在復(fù)雜環(huán)境下的巖石基坑開(kāi)挖中可以借鑒使用。