高海拔地區(qū)工程項目應(yīng)用二氧化碳致裂技術(shù)淺析

丁海龍，劉典忠，婁旭峰，王樹生

(中國水電基礎(chǔ)局有限公司西藏分公司，拉薩，850000)

1 引言

二氧化碳致裂技術(shù)可廣泛應(yīng)用于高邊坡、隧道、基坑開挖及礦山、采石等具有特殊環(huán)境要求或空間受限的諸多工程領(lǐng)域，是利用液態(tài)二氧化碳吸熱氣化時，體積急劇膨脹而產(chǎn)生高壓，致使巖體破碎或開裂的石方爆破技術(shù)。二氧化碳致裂器設(shè)備所用的催化劑由液態(tài)二氧化碳及電化學(xué)原料配制而成，在空氣中不易燃燒，不爆炸，穩(wěn)定性高，釋放后的二氧化碳氣體為零度左右，爆破不產(chǎn)生沖擊波、無明火，無有毒害氣體，是一種物理膨脹性能致裂技術(shù)，不存在負(fù)面作用，安全性能高、操作性強、產(chǎn)生振動小、噪音弱，對周邊環(huán)境影響甚微，不屬于民爆領(lǐng)域，有別于傳統(tǒng)的乳化炸藥爆破。與其他常規(guī)靜態(tài)爆破材料相比，效果僅次于應(yīng)用乳化炸藥爆破，且功效更高，綜合成本相對較低，在石方明挖應(yīng)用中對巖石強度要求較小，不受周邊環(huán)境和有限空間的限制。在一些民居密集場所、有限空間范圍、環(huán)境條件受限以及火工產(chǎn)品應(yīng)用困難等的特殊情況下，采用二氧化碳致裂新型技術(shù)，是目前最為迫切和最為合適的施工方法，具有廣闊的應(yīng)用前景。

2 應(yīng)用背景

某水庫工程位于西藏4000m的高海拔寒冷地區(qū)，石方開挖主要包含放空輸水洞、改線路、溢洪道等項目，洞挖長度130m，為2.8m×5.0m的城門洞形，石方開挖總量約35萬m3，地層為宋熱組第二段(T3s2)中薄層長石石英砂巖夾粉砂質(zhì)板巖，表層為強～弱風(fēng)化巖體，為Ⅲ～Ⅴ類圍巖，其中Ⅲ類圍巖較為完整，巖體堅硬，Ⅳ、Ⅴ類裂隙發(fā)育，巖體較破碎。由于工程地理位置特殊，距機場較近，屬于重點安全管理區(qū)域，施工現(xiàn)場周邊不具備修建火工產(chǎn)品庫的條件，導(dǎo)致火工產(chǎn)品在采購、運輸以及批準(zhǔn)使用等方面極為困難，對工期影響大，花費成本高，加上庫區(qū)移民還未搬遷，工程區(qū)大壩上下游范圍均有當(dāng)?shù)鼐用窬幼?，采用民爆方式進行石方開挖，施工安全保障難度大。

通過多方調(diào)研，二氧化碳致裂技術(shù)在國內(nèi)外已有較多的應(yīng)用，但主要在高邊坡、溝槽和煤礦等開挖方面應(yīng)用較多，在隧洞工程方面應(yīng)用較少，且并無3000m以上高海拔寒冷地區(qū)應(yīng)用先例。在此特殊背景下，經(jīng)與有關(guān)專業(yè)人員咨詢，針對在高海拔寒冷地區(qū)應(yīng)用二氧化碳致裂技術(shù)進行邊坡和隧洞石方開挖，組織開展了現(xiàn)場生產(chǎn)性試驗，進一步驗證了開挖效果和適用于高海拔地區(qū)的開挖參數(shù)，最終確定采用該項技術(shù)來完成本工程邊坡和隧洞石方開挖，更有利于促進工程順利實施，保障施工安全，降低工程成本。

3 二氧化碳致裂施工

3.1 致裂器組成及參數(shù)選擇

3.1.1 施工設(shè)備及致裂器組成

二氧化碳致裂施工主要設(shè)備為灌裝機、旋緊機、空壓機、致裂器、低溫儲氣罐及啟動器。致裂器由泄能器、安全片、儲液罐、發(fā)熱裝置、充裝閥組成，在生產(chǎn)廠家購買成品致裂爆破管到現(xiàn)場后充裝使用，致裂器見圖1。

圖1 二氧化碳致裂器結(jié)構(gòu)

3.1.2 施工參數(shù)選擇

根據(jù)致裂器外徑和爆破巖體需求，有多種型號可選擇，本工程施工中主要選用108型，鉆孔直徑130mm，二氧化碳充裝量為6.5kg，單套致裂器質(zhì)量達90kg，充裝最大壓力為10MPa。邊坡石方開挖布孔間距為3m，深度根據(jù)爆破需求不同進行選擇，一般為3m～6m；隧洞開挖根據(jù)圍巖類別、開挖斷面不同而進行布孔，主要包含周邊孔、崩落孔和掏槽孔，孔深一般為1.0m～1.5m，具體施工參數(shù)應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場生產(chǎn)性試驗確定，且應(yīng)根據(jù)圍巖類別進行調(diào)整。

3.2 二氧化碳致裂原理

二氧化碳氣體在一定的高壓下可轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)，通過高壓泵將液態(tài)的二氧化碳壓縮至圓柱體容器(致裂破碎筒)內(nèi)，裝入安全膜、破裂片、導(dǎo)熱棒和密封圈，擰緊合金帽即完成了致裂破碎前的準(zhǔn)備工作。

將致裂破碎筒和點火器及電源線攜至致裂破碎現(xiàn)場，把致裂破碎筒插入鉆孔中固定好，連接點火器電源。當(dāng)微電流通過高導(dǎo)熱棒時，產(chǎn)生800℃～1000℃高溫，擊穿安全膜，瞬間將液態(tài)二氧化碳氣化，急劇膨脹產(chǎn)生高壓，液態(tài)的二氧化碳膨脹為600倍氣態(tài)二氧化碳，產(chǎn)生300MPa以上的膨脹壓力，沖擊波致泄壓閥自動打開，被致裂破碎物品或堆積物受幾何級當(dāng)量沖擊波向外迅猛推進，從點火至結(jié)束整個過程只需0.4ms，瞬間釋放高壓氣體斷裂和松動巖石。由于是低溫下運行，與周圍環(huán)境的液體，氣體不相融合，不產(chǎn)生任何有害氣體，不產(chǎn)生電弧和電火花，不受高溫、高熱、高濕、高寒影響。在井下致裂破碎時對瓦斯具有稀釋作用，無震蕩，無粉塵。二氧化碳屬于惰性氣體，是非易燃易爆物質(zhì)，致裂破碎過程就是體積膨脹的過程，物理做功而非化學(xué)反應(yīng)。

3.3 施工工藝流程及施工步驟

3.3.1 施工工藝

根據(jù)二氧化碳致裂器工作原理及施工特性，施工工藝流程主要包括：鉆孔→氣體充裝→裝致裂爆破管→填塞→連線→安全警戒→點火→檢查→拔管。

3.3.2 施工步驟

3.3.2.1 鉆孔

鉆孔可采用潛孔鉆機、哈邁鉆機等設(shè)備進行，必須做到“準(zhǔn)、平、直、齊”四要素。各致裂孔底部誤差均不得大于致裂孔深度的5%。致裂孔出現(xiàn)深度不夠，少孔或間距出入太大時一律按規(guī)定進行補鉆。

(1)操作手應(yīng)掌握鉆機的操作要領(lǐng)，熟悉和掌握設(shè)備的性能、構(gòu)造原理及使用注意事項，具有熟練的操作技術(shù)，并能掌握不同性質(zhì)巖石的鉆鑿規(guī)律。

(2)開口時對于完整的巖面，給小風(fēng)不加壓，應(yīng)先吹凈浮渣，慢慢沖擊巖面，鉆出空窩后，旋轉(zhuǎn)鉆具下鉆開孔。當(dāng)鉆頭進孔后，逐漸加大風(fēng)量至全風(fēng)全壓快速鑿巖狀態(tài)。對于硬巖，應(yīng)選用高質(zhì)量高硬度的鉆頭，送全風(fēng)全壓，但轉(zhuǎn)速不能過高，防止損壞鉆頭，對于軟巖，應(yīng)送全風(fēng)加半壓，每進尺1.0m～1.5m提鉆吹孔一次，防止孔底積渣過多而卡孔。

(3)對于孔口巖石不穩(wěn)固狀態(tài)，應(yīng)在鉆孔過程中，采用泥漿護壁。泥漿護壁的操作程序為：致裂孔鉆鑿2m～3m，在孔口堆放一定量的含水粘黃泥，用鉆桿上下移動，將黃泥代入孔內(nèi)并浸入破碎巖縫內(nèi)。

當(dāng)不考慮對邊坡的影響、且邊孔無側(cè)向臨空時，為了克服巖體的夾制作用，邊孔距離臨空面尺寸應(yīng)縮短0.5m～0.8m。

(4)致裂孔驗收與保護

①檢查致裂孔深度與孔網(wǎng)參數(shù)；

②復(fù)核抵抗線；

③孔中有水時不能施工；

④在驗收過程中發(fā)現(xiàn)堵孔、深度不夠，應(yīng)及時補鉆；

⑤每個致裂孔鉆完后立即將孔口用塑料或編織袋等材料堵塞好，防止雨水或其他雜物進入致裂孔；

⑥孔口的巖石清理干凈，防止掉入孔內(nèi)；

⑦一個致裂區(qū)鉆孔完成后盡快實施致裂。

3.3.2.2 二氧化碳充裝

(1)根據(jù)二氧化碳氣體致裂設(shè)備數(shù)據(jù)采集表，采用108mm致裂管，最大充氣量為6.5kg，總重90kg/根，二氧化碳充裝宜室外進行，室內(nèi)充裝應(yīng)保持通風(fēng)良好，檢查連接管有無泄露。一旦發(fā)生頭暈、心慌、惡心等癥狀，應(yīng)立即停止工作，經(jīng)通風(fēng)排出污濁空氣，換進新鮮空氣降低CO2濃度，直到達標(biāo)后方可繼續(xù)充裝。

(2)充裝前檢查低溫罐的壓力與存量，如果儲氣量在紅色液位線以下，即便壓力再高，也要停止充裝，更換低溫罐。

(3)充裝前先排氣，保證總進氣球閥、卸荷球閥、進管球閥、充氣閥都是打開的，出現(xiàn)干冰和白色的濃煙即可。

(4)充裝到設(shè)定壓力后迅速關(guān)閉各個致裂器的充氣閥、進氣球閥。打開卸荷球閥，將管路的壓力卸到5MPa以內(nèi)，關(guān)閉總進氣球閥。打開每路的進氣球閥保證路管內(nèi)沒有壓力后，再松開壓緊螺栓，移出。

3.3.2.3 裝管

根據(jù)致裂孔深度將致裂器一節(jié)一節(jié)地裝入孔內(nèi)。根據(jù)臨空面高度H及孔深L調(diào)整致裂器節(jié)數(shù)，最上方連接提升桿。

3.3.2.4 填塞

(1)填塞后，提升桿外露長度A：0.3m≤A≤0.5m。

(2)填塞方法

填塞材料一般采用鉆屑、干燥細石粉，并將其堆放在致裂孔周圍。將填塞材料慢慢放入致裂孔內(nèi)，同時敲擊外露提升桿部位，便于填塞材料下沉壓實。亦可采用手持振動棒振動，提高填塞效率。

(3)填塞作業(yè)注意事項

①填塞材料中不得含有碎石塊或潮濕石屑；

②致裂孔內(nèi)有水時，在填塞過程中容易形成泥漿或懸空，使致裂器周圍無法填塞密實，致裂效果不好，甚至造成致裂器從空中飛出；

③填塞過程中要防止導(dǎo)線砸破；

④加固處理。填塞完畢后，將每組致裂器的提升管用鋼絲繩連接起來，控制個別致裂器飛散或滑落。

3.3.2.5 連接網(wǎng)路

導(dǎo)電網(wǎng)路的連接是一個關(guān)鍵工序，若一次致裂孔數(shù)較多，必須合理分區(qū)連接，以減少整個導(dǎo)電網(wǎng)路的電阻值，分區(qū)時要注意各個支路的電阻平衡，保證每個致裂器獲得相同的電流值。在網(wǎng)路連接過程中，應(yīng)利用電工用萬用表檢測網(wǎng)路電阻，網(wǎng)路連接完畢后，必須對網(wǎng)絡(luò)所測電阻值與計算值進行比較，如果差別較大，應(yīng)查明原因，排除故障，重新連接，網(wǎng)路連接的接頭應(yīng)用高質(zhì)量絕緣膠布纏緊，保證接頭質(zhì)量。

3.3.2.6 點火

二氧化碳致裂法開挖安全警戒距離為40m，在完成安全警戒和人員撤離后，采用高能點火器點火。點火前，首先檢查點火器是否完好正常，點火器應(yīng)及時充電，保證提供足夠電能，并能快速充到致裂破碎需求的電壓值；在連接主線前必須對網(wǎng)路電阻進行檢測，當(dāng)警戒完成后，再次測量網(wǎng)路電阻值，確定正常后，才能將主線與點火器連接，然后等待點火命令；巖石致裂破碎后，及時切斷電源，將主線與點火器分離。

3.3.2.7 致裂破碎后檢查

致裂破碎5min后由致裂破碎工程技術(shù)人員對現(xiàn)場進行檢查，只有在檢查完畢確認(rèn)安全后，才能發(fā)出解除警戒信號和允許其他人員進入施工現(xiàn)場。致裂破碎后檢查內(nèi)容包括：

(1)破碎堆是否穩(wěn)定，有無危坡、危石；

(2)有無危險邊坡、不穩(wěn)定破碎堆、滾石和超范圍塌陷；

(3)最敏感、最重要的保護對象是否安全；

(4)隧洞施工中，爆破后應(yīng)進行有害氣體檢測。

3.3.2.8 提管

(1)提管過程中，提拉方向應(yīng)與提升桿方向一致。

(2)嚴(yán)禁暴力操作，若提升桿不能提出，需對巖石進行二次破碎。

(3)將致裂管收回，進行二次充裝使用。

3.3.2.9 大塊巖石二次破碎

在致裂后，可能會產(chǎn)生一定數(shù)量的大塊巖石，可采用機械破碎法對存在的大塊巖石進行二次破碎。隧洞工程在破裂后，可能還穩(wěn)定在掌子面上，則可采用挖掘機、液壓破碎錘等進行沖擊開挖，直到具備下次鉆孔致裂爆破即可。

3.4 致裂破碎施工注意事項

(1)二氧化碳致裂破碎必須創(chuàng)造一個自由面，且自由面較為陡峭，坡度60°～75°為宜，其高度不應(yīng)小于3m，但不能大于8m，一般5m左右為宜。

(2)隧洞工程施工中宜在底板以上先行開挖，制造一個倒懸臨空面，有利于增強致裂效果和延長開挖進尺，且在不同圍巖段應(yīng)通過試驗選擇匹配的參數(shù)進行致裂。

(3)二氧化碳致裂破碎只能采用一排炮孔，若采用兩排炮孔，致裂破碎效果欠佳。

(4)根據(jù)不同的巖石性質(zhì)通過致裂破碎效果檢驗，實時調(diào)整炮孔參數(shù)。

(5)禁止在雷雨天氣實施致裂破碎作業(yè)。

(6)致裂破碎筒的規(guī)格大小不同，炮孔參數(shù)也不相同。

(7)致裂破碎時一定要派出警戒人員，防止個別飛石對人員及車輛造成傷害。

(8)邊坡開挖為防止飛石，可在開挖面上覆蓋鋼絲網(wǎng)和密目網(wǎng)等。

4 二氧化碳致裂效果分析

根據(jù)工程區(qū)海拔高、氣壓低的特點，結(jié)合二氧化碳致裂技術(shù)工藝原理，與二氧化碳致裂器生產(chǎn)廠家技術(shù)人員一起，在現(xiàn)場開展了針對高海拔地區(qū)邊坡和隧洞石方開挖的生產(chǎn)性試驗，選擇了適宜的施工參數(shù)，分別進行了邊坡石方開挖和隧洞石方洞挖施工。根據(jù)開挖效果分析，在高海拔地區(qū)采用二氧化碳致裂法石方開挖，邊坡石方開挖、石方槽挖應(yīng)用效果明顯，隧洞開挖受空間限制，不同圍巖類別爆破效果不同，圍巖越硬致裂效果越差，Ⅴ類圍巖開挖效果最佳，但總體受環(huán)境氣溫、海拔氣壓影響，應(yīng)用效果與內(nèi)地環(huán)境相比，還是存在一定的差異，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

(1)為滿足致裂器中二氧化碳在不同溫度環(huán)境的壓力要求，必須使用二氧化碳致裂器充裝機將液體二氧化碳以高壓充入致裂器內(nèi)，以達到致裂器的致裂能量。在內(nèi)地環(huán)境中，致裂器氣體充裝壓力在5MPa～8MPa就可達到致裂效果和能量，而高海拔地區(qū)氣體充裝壓力要達到10MPa，且致裂效果和能量比內(nèi)地要小得多，分析只能達到內(nèi)地的75%左右。

(2)二氧化碳爆破管的活塞環(huán)組采用泄漏很小的脹圈密封型式，活塞桿軸封采用組合式軸向預(yù)緊密封，且遠離冷端，始終處于熱的狀態(tài)而保持彈性。受高海拔地區(qū)低氣壓的影響，部分爆破管在充裝氣體后，密封圈產(chǎn)生膨脹變形，致使密封不嚴(yán)，出現(xiàn)漏氣現(xiàn)象，爆破管達不到預(yù)定的致裂效果，甚至出現(xiàn)啞炮現(xiàn)象。

(3)爆破管一般為廠家生產(chǎn)，由于加工焊制技術(shù)差異，部分爆破管存在焊制差，接縫漏氣現(xiàn)象，爆破管充裝達到10MPa后，壓力較大，滲漏也就較大，甚至出現(xiàn)因充裝時間長氣體泄漏大，同樣出現(xiàn)啞炮的問題。而在內(nèi)地一般充氣為5MPa～8MPa，氣體不需要滿充，管內(nèi)壓力相對較小，加上內(nèi)地環(huán)境壓差小，焊制稍差一些的爆破管也基本不存在啞炮的問題。

鑒于上述差異問題，實施中及時與廠家溝通，通過提高二氧化碳爆破管加工焊制質(zhì)量，現(xiàn)場不能爆破的管子返廠維修，現(xiàn)場即充即用以及針對不同圍巖類別，調(diào)整孔距和孔深等措施，提高了二氧化碳致裂技術(shù)在高海拔地區(qū)的應(yīng)用效果，達到內(nèi)地應(yīng)用效果的85%左右，在不具備應(yīng)用火工產(chǎn)品爆破的條件下，遠比應(yīng)用靜態(tài)膨脹破碎劑和用破碎錘開挖法的效果明顯。

5 社會經(jīng)濟效益

高海拔地區(qū)石方開挖采用二氧化碳致裂技術(shù)在本水庫工程成功應(yīng)用，促使放空輸水洞工程超前完工，提前具備截流條件，推動工程總工期提前了5個月之久，產(chǎn)生經(jīng)濟效益達到了260余萬元。同時該項技術(shù)的成功應(yīng)用，有效推廣應(yīng)用到了防滲墻工程水下大塊體鋼筋混凝土、墻下孤石的致裂施工中，解決了防滲墻遇大塊體孤石層造孔困難、容易產(chǎn)生孔斜的問題，提高成墻效率和施工質(zhì)量，施工效果良好。

6 結(jié)語

通過本工程首次將二氧化碳致裂技術(shù)應(yīng)用于高海拔地區(qū)的研究表明，二氧化碳致裂技術(shù)在高海拔地區(qū)的爆破效果和能量較內(nèi)地環(huán)境要差，能達到內(nèi)地施工效率的85%，但相對其他爆破法開挖，效果僅次于火工產(chǎn)品。一般在高海拔地區(qū)，很多區(qū)域受當(dāng)?shù)貧夂驐l件、交通運輸、民爆器材管理以及區(qū)域特殊環(huán)境等影響，火工產(chǎn)品極其缺乏，導(dǎo)致工程使用爆破器材受阻，從而影響工程施工。本工程將二氧化碳致裂技術(shù)應(yīng)用于隧洞石方開挖、邊坡及石方槽挖、防滲墻下孤塊石預(yù)裂的成功案例表明，二氧化碳致裂技術(shù)在高海拔地區(qū)具有較大的應(yīng)用和推廣價值，值得類似工程借鑒。