CO2膨脹破巖技術(shù)在拆除工程中的應(yīng)用

龔 政

(廣東省水利電力勘測設(shè)計(jì)研究院，廣東 廣州 510635)

1 研究現(xiàn)狀

CO2膨脹破巖技術(shù)，也稱液態(tài)CO2相變致裂技術(shù)、CO2液—?dú)庀嘧兣蛎浧茙r技術(shù)、液態(tài)CO2爆破技術(shù)，其技術(shù)原理基本一致。最初是由英國Cardox公司于1914年研制，主要用于富含瓦斯的煤礦開采工程中，由于其做工過程不產(chǎn)生火花，且在地下有限空間環(huán)境下不產(chǎn)生有毒氣體，因此被廣泛推廣。我國于20世紀(jì)90年代開始引進(jìn)該技術(shù)，進(jìn)入21世紀(jì)后，國內(nèi)才開始出現(xiàn)CO2破巖器材生產(chǎn)企業(yè)，2014年以來，CO2膨脹破巖技術(shù)應(yīng)用案例日漸增多，國內(nèi)研究及相關(guān)規(guī)范也在逐步豐富與完善。夏軍，陶良云[1]等研究了該技術(shù)在臺(tái)階破巖、塊體破巖、孤石破巖、隧道掘進(jìn)等環(huán)境下的應(yīng)用，得出其破巖引起的振動(dòng)、飛石、噪聲等危害較炸藥爆破破巖的危害小。謝曉峰，李夕兵[2]等研究了液態(tài)CO2相變破巖技術(shù)在硬巖樁井開挖中的可應(yīng)用性，得出單位質(zhì)量CO2的能量釋放為TNT的12.8%，并通過實(shí)驗(yàn)得出單根CO2致裂器，壓碎區(qū)直徑為管徑的3～4倍，破裂區(qū)直徑為管徑的10～15倍。陶明，趙華濤[3]等通過計(jì)算比較了CO2與炸藥破碎單位體積巖石的氣體生成量、成分及其對環(huán)境的影響，得出CO2相變致裂技術(shù)能有效提高能量的利用率，且能有效降低爆破震動(dòng)。

2 基本原理

2.1 CO2性質(zhì)及相變過程

CO2在常溫常壓下是一種無色、無味的無毒氣體化合物，其化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，為惰性氣體，可阻燃。在特定溫度及壓力條件下，該氣體可以液態(tài)、固態(tài)和超臨界態(tài)存在。其部分物理參數(shù)見表1所示。

表1 CO2部分物理常數(shù)

CO2在不同溫度及壓力條件下，相變過程如圖1所示。

由圖1可知，在低溫高壓條件下，CO2以固體形態(tài)存在，俗稱干冰，隨著溫度及壓力的變化，CO2可以多種狀態(tài)存在，當(dāng)壓力高于7.38 MPa，溫度高于31.4℃時(shí)，CO2進(jìn)入超臨界態(tài)，該狀態(tài)是一種不同于其它3種相態(tài)的特殊狀態(tài)，其分子擴(kuò)散系數(shù)高，接近于氣體的擴(kuò)散系數(shù)，同時(shí)密度高，接近于液體的密度，可由常溫常壓下的常態(tài)連續(xù)變化到超臨界相態(tài)，沒有邊際效應(yīng)。當(dāng)受熱后，液態(tài)CO2快速轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)，體積膨脹約600倍[1]，實(shí)際工程中正是利用CO2這個(gè)快速膨脹過程對巖石做功。

圖1 二氧化碳相變示意

2.2 CO2致裂器構(gòu)造

在了解上述有關(guān)CO2相變特征后，制造出一種特殊的裝置，即CO2致裂器來控制該氣體膨脹做功。其大致構(gòu)造如圖2所示。

圖2 二氧化碳致裂器構(gòu)造示意

致裂器主要由灌注端、激發(fā)管、主管體、破裂片、密封件及噴射段組成。

目前市場上主要有一次性致裂器與可回收管材的致裂器，兩者在構(gòu)造形式上有較大區(qū)別。

一次性致裂器：由灌注端、激發(fā)管、主管體、密封件組成，主管體材料為PVC管。當(dāng)管體灌注液態(tài)CO2后，在激發(fā)管作用下，CO2迅速轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)，管體內(nèi)壓力迅速增大，破碎管體，氣體直接作用于炮孔做工。

可回收致裂器：由灌注端、激發(fā)管、主管體、破裂片、密封件及噴射段組成，主管體材料一般為鋼管。破裂片也稱定壓剪切片，可根據(jù)要求設(shè)置該剪切片強(qiáng)度。當(dāng)管體內(nèi)壓力超過剪切片強(qiáng)度時(shí)，剪切片破裂，高壓氣體從噴射端噴出后作用于炮孔做功，鋼管可回收重復(fù)利用。

3 工程概況

韶關(guān)南水水庫供水工程[4]是從主電站輸水管道上開岔管引水，將原水通過管道輸送至韶關(guān)市區(qū)的調(diào)水工程?，F(xiàn)有南源電站φ1.8 m輸水鋼管即是從主電站輸水管上接入，該管從原修建南水電站輸水隧洞的4#施工支洞鋪設(shè)進(jìn)去，在與主電站輸水管接頭處澆筑了長約40 m的外包混凝土。本工程須將現(xiàn)有φ1.8 m輸水鋼管拆除，同時(shí)將4#施工支洞擴(kuò)挖，然后鋪設(shè)φ2.4 m輸水鋼管。

4#施工支洞長約165 m，洞軸線方向S52°E，斷面呈城門拱形，寬5.8 m，高3～4 m。附近地層巖性主要為泥盆系中下統(tǒng)桂頭群(D1-2gtb)石英砂巖夾粉細(xì)砂巖，巖層產(chǎn)狀為N60°～70°E/SE∠60°～80°。隧洞沿線地表多為第四系坡積層(Qdl)或全風(fēng)化帶(Ⅴ)所覆蓋，覆蓋層厚度一般為2～3 m，局部(如洞口處)可見弱風(fēng)化基巖裸露。隧洞在弱風(fēng)化石英砂巖中進(jìn)洞，洞口處上覆弱～微風(fēng)化巖石厚度約3 m。洞身圍巖以弱～微風(fēng)化灰褐色中粒石英砂巖為主，層厚一般為20～30 cm，局部夾薄層粉砂巖或細(xì)砂巖，巖質(zhì)堅(jiān)硬，巖體完整。洞頂以上弱～微風(fēng)化巖石厚度3～75 m，大部分(約90%)洞段上覆弱～微風(fēng)化巖石厚度大于3倍洞徑(17.4 m)

主電站停水檢修時(shí)間定在2017年10月—2018年3月。本次拆除工程是在主電站停水期間施工，由于工期與安保的要求，排除了常規(guī)炸藥爆破拆除方案。拆除點(diǎn)緊靠主洞，要求拆除過程中不能對主洞造成破壞。拆除點(diǎn)位于半山腰，山腳下方為南水電站管理區(qū)，廠內(nèi)人員及來往車輛較多，需嚴(yán)格控制飛石。后經(jīng)綜合比較，選用CO2膨脹破巖方案。

4 CO2膨脹破巖技術(shù)拆除包封混凝土

包封砼拆除前，先采用機(jī)械切割方法將鋼管拆除，拆除后可作為臨空面。目前常用致裂器型號主要有51#，73#，95#，108#，分類主要以管體直徑劃分，本拆除工程選擇51#致裂器。手風(fēng)鉆鉆孔，孔徑51 mm，孔深1.5 m，堵塞長度0.5 m。拆除斷面周邊孔間距0.6 m，中間孔間距0.75～0.8 m(斷面布孔見圖3)。

圖3 包封砼CO2膨脹破巖孔布置示意

在破巖實(shí)施前，采用成都爆破研究所生產(chǎn)的Blast-UM型爆破測振儀對掌子面后方10 m處圍巖及掌子面前方10 m未拆除段圍巖進(jìn)行監(jiān)測，詳見圖4～5。

圖4 掌子面后方10 m處監(jiān)測點(diǎn)布置示意

以2017年12月23日破碎時(shí)，位于離掌子面后方10 m處隧洞圍巖測點(diǎn)測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，監(jiān)測波形如圖6所示。

圖6 質(zhì)點(diǎn)振速監(jiān)測示意

經(jīng)分析，得到本次破巖過程中各項(xiàng)監(jiān)測數(shù)據(jù)(見表2所示)。

圖5 掌子面前方10 m處監(jiān)測點(diǎn)布置示意

表2 監(jiān)測數(shù)據(jù)

與《爆破安全規(guī)程》(GB 6722—2014)[5]振動(dòng)安全標(biāo)準(zhǔn)對水工隧洞的規(guī)定進(jìn)行比較，本次破巖振速均小于規(guī)程要求的7～15 cm/s。

破碎后對現(xiàn)場散落塊體大小進(jìn)行初步分析，大部分塊度粒徑均在0.30 m以下，不用進(jìn)行二次破碎，滿足洞內(nèi)小型挖機(jī)裝車運(yùn)渣，說明破碎塊度滿足施工要求。

5 結(jié)論與建議

本引水工程采用CO2膨脹破巖技術(shù)，成功的實(shí)施了對包封混凝土的拆除，保證了工程的工期要求，同時(shí)較好的控制了拆除過程中振動(dòng)、飛石及有害氣體，保證了主電站輸水管道及電站管理區(qū)的安全，解決了特殊環(huán)境下不允許使用炸藥破巖的難題。但是該技術(shù)方案破巖單價(jià)成本較高，較常規(guī)乳化炸藥破巖單價(jià)高出許多，因此限制了該技術(shù)在南水工程其它部位的應(yīng)用。