熊宏武

(中國鐵建港航局集團有限公司 廣東珠海 519070)

1 引言

綜合管廊又被稱為共同溝，是可將電力、燃氣、通信、供熱、給排水等多種工程管線集中設(shè)置于同一地下隧道空間，并設(shè)置監(jiān)測裝置、吊裝口和檢修口，方便進行統(tǒng)一管理的現(xiàn)代化城市基礎(chǔ)設(shè)施[1－2]。綜合管廊基坑開挖易受到周圍環(huán)境、地質(zhì)情況等諸多因素制約，選擇合適的開挖方式是綜合管廊基坑設(shè)計的關(guān)鍵[3]。CO2相變爆破法是一種可以安全高效代替炸藥爆破的物理破巖方式。在20世紀90年代，徐穎[4]等首次將此技術(shù)應(yīng)用于煤礦開采領(lǐng)域，隨后CO2相變爆破法逐漸被應(yīng)用于煤層增透[5－6]、瓦斯抽取[7－8]等煤礦工程。崔玉明[9]等將 CO2爆破法應(yīng)用于隧道施工中，取得了不錯的效果。李啟月[10]等也應(yīng)用此技術(shù)解決了硬巖地質(zhì)地鐵基坑開挖的難題。但目前液態(tài)CO2爆破法應(yīng)用在綜合管廊開挖的研究較少，工程實踐不足。因此，本文將CO2相變爆破法應(yīng)用于綜合管廊開挖中，并對爆破效果進行綜合評價，為類似工程提供參考。

2 液態(tài)CO2相變爆破技術(shù)

CO2在常溫常壓下是一種無色、無味、不助燃、無毒性的氣體，密度比空氣大。CO2除了固、液、氣三種狀態(tài)外，當溫度和壓力升高到一定程度時CO2可進入一種高密度、高擴散性的超臨界狀態(tài)。液態(tài)CO2相變爆破實質(zhì)為致裂管內(nèi)呈液態(tài)的CO2受熱后迅速進入超臨界狀態(tài)，管內(nèi)壓力驟升，瞬間產(chǎn)生巨大壓力以致周邊巖體發(fā)生破裂。工作時，將CO2高壓液化后裝入儲液管并埋入鉆孔中，對孔口進行密封。在觸發(fā)起爆器后發(fā)熱器迅速升溫，導(dǎo)致液態(tài)CO2汽化并產(chǎn)生高壓；當管內(nèi)壓力達到定壓剪切片的強度時，高壓氣體從泄能頭放出，直接作用在巖體上產(chǎn)生沖擊波；在沖擊波的作用下，巖體產(chǎn)生初級裂隙，同時大量氣體進入裂隙，通過氣漲作用導(dǎo)致裂隙進一步擴展，從而達到爆破的目的[11]。工作原理見圖1。

圖1 液態(tài)CO2相變爆破工作原理

3 綜合管廊開挖應(yīng)用

3.1 工程背景及技術(shù)難點

某綜合管廊工程項目全長超過4 000 m。工程所處地層主要為人工填土、黏土、云母巖、花崗巖等。具體地質(zhì)分布特征見表1。

表1 地層分布特征

管廊工程周邊環(huán)境復(fù)雜，開挖區(qū)域有堅硬花崗巖分布，不宜使用機械開挖；基坑最深開挖處達7 m，且周邊存在民用住房，爆破振速安全允許標準僅為1.5 cm/s，在開挖過程中應(yīng)當避免飛石等安全隱患；鄰近有下穿道路的箱涵及西氣東輸燃氣管道，對生產(chǎn)安全性要求較高。傳統(tǒng)的炸藥爆破，存在安全隱患和振動損害，從安全高效的角度綜合考慮，最終決定采用CO2相變爆破進行基坑開挖。

3.2 爆破方案設(shè)計

基坑開挖首先通過機械破碎的方式開出一定寬度和深度的溝槽，為后續(xù)CO2爆破創(chuàng)造自由面。使用的D95型CO2致裂管，具體參數(shù)見表2。由于基坑結(jié)構(gòu)呈倒梯形，因此布孔方式采用垂直孔與傾斜孔相結(jié)合法方式。兩側(cè)傾斜孔各裝1支致裂管，孔口堵塞長度1 m；中部垂直孔裝2支致裂管，孔口堵塞長度2 m，確保爆破后形成倒梯形截面?？拙W(wǎng)參數(shù)見表3?；尤珨嗝嬖O(shè)計為一個爆破臺階面，臺階高度4～5 m，寬度為10～12 m。爆破臺階橫斷面見圖2。

表2 D95型致裂管參數(shù)

表3 孔網(wǎng)參數(shù)

圖2 爆破臺階斷面

3.3 爆破方案數(shù)值模擬驗證

(1)數(shù)值模型構(gòu)建

為了對爆破效果進行預(yù)估，選擇COMSOL數(shù)值模擬軟件作為數(shù)值模擬求解工具，通過對現(xiàn)場工程實際狀況進行合理簡化，建立二維爆破臺階斷面模型，見圖3。

圖3 爆破臺階斷面模型

平面模型尺寸為40 m(長)×20 m(高)，按施工方案設(shè)計布孔，垂直孔堵塞2 m，傾斜孔堵塞1 m。采用自由三角形單位，為提高計算精度在鉆孔處增加網(wǎng)格密度，共劃分單元數(shù)4 822個，節(jié)點數(shù)2 599個。底部為固定約束，兩側(cè)限制側(cè)向位移，首先施加重力載荷，計算得出初始地應(yīng)力場后再施加爆破荷載。CO2爆破過程中的氣體壓力變化由JWL狀態(tài)方程確定[12]:

式中，P為CO2的氣體壓力；ρ0為氣體初始密度；ρ1為變化后的密度；Em為初始比內(nèi)能，取 0.5；A1、B1、R1、R2和ω為材料常數(shù)，取值見表4。

表4 JWL狀態(tài)方程參數(shù)

巖體采用摩爾－庫倫破壞準則，巖體參數(shù)見表5。

表5 巖體物理力學(xué)參數(shù)

(2)數(shù)值模擬結(jié)果分析

對爆破后50 ms內(nèi)塑性區(qū)的變化情況進行模擬。爆破后CO2氣體體積迅速膨脹充滿致裂孔，并產(chǎn)生強大的推力和靜膨脹力。由圖4可以看出，2 ms后巖體在強大的膨脹力作用下，首先在致裂孔兩端發(fā)生應(yīng)力集中，然后裂隙開始發(fā)育；6 ms時致裂孔兩端的裂隙開始出現(xiàn)貫通，高壓氣體進入裂隙中，加快裂隙發(fā)育速度；11 ms時兩端裂隙完全貫通，在氣體的高壓作用下，垂直致裂孔間巖體也逐漸發(fā)生屈服，并在18 ms末完全發(fā)生破碎。

圖4 爆破模擬塑性區(qū)范圍

爆破40 ms后塑性區(qū)范圍穩(wěn)定，基坑范圍呈現(xiàn)倒梯形結(jié)構(gòu)，塑性區(qū)深度約6.5 m，寬度約10 m，爆破成形效果基本滿足要求。但傾斜孔頂端裂隙發(fā)育至地表，可能會造成飛石和增加大塊率現(xiàn)象，增加搬運難度。為了增強爆破效果和提高巖石破碎率，施工時應(yīng)將傾斜孔堵塞長度增加至1.5 m，使巖石破碎更加充分。

3.4 爆破施工流程

基坑爆破具體施工流程見圖5。若開挖基坑無現(xiàn)成的臨空面，則需要采用機械破除開設(shè)溝槽形成臨空面，然后根據(jù)孔網(wǎng)參數(shù)采用潛孔鉆機進行鉆孔。對于硬巖應(yīng)選用高質(zhì)量、高硬度的鉆頭，送全風(fēng)全壓并控制轉(zhuǎn)速，以防止鉆頭損壞和鉆孔發(fā)生偏斜；鉆孔后應(yīng)及時用塑料或編織袋將孔口堵塞，防止巖石、雜物或雨水進入致裂孔；對致裂管進行檢查后按照設(shè)計在致裂孔中裝入致裂管和提拉桿，將預(yù)先準備的鉆屑和干燥細石粉緩慢放入致裂孔中，同時敲擊外部的提升桿部位以便壓實填塞材料。

圖5 施工流程

為防止出現(xiàn)爆破飛石的危害[13]，通過式(2)對飛石距離進行預(yù)測:

式中，s為飛石的最遠距離(m)；v為飛石的初始速度，根據(jù)現(xiàn)場試驗取10 m/s；g為重力加速度；α為飛石的初始角度。

當飛石的初始角度α＝45°時，飛石的最遠距離為10.2 m。為安全起見，爆破前可在孔口覆蓋砂袋或竹夾板再覆蓋一層鋼板防止飛石的危害。

連接網(wǎng)絡(luò)過程中，由于一次致裂孔較多，必須進行合理分區(qū)連接，保證每排內(nèi)的所有致裂器獲得相同的電流同時起爆。經(jīng)計算，每排共放置8個致裂器，每個致裂器電阻約3～4 Ω，若測得每排電路電阻為24～32 Ω，說明電路連接正確。

最終爆破前，應(yīng)先確認人員撤離，以口哨為信號，先警戒然后點火。爆破后由技術(shù)人員進行檢查，確認無安全隱患后解除警戒；清理現(xiàn)場碎石后，使用輔助工具取出致裂管，運輸回廠進行重復(fù)使用；使用鏟運機械將巖石運出，進行下一次循環(huán)。

4 液態(tài)CO2爆破綜合效果評價

根據(jù)《爆破安全規(guī)程》及相關(guān)生產(chǎn)要求，主要通過爆破質(zhì)量、爆破成本及爆破安全三大指標對CO2爆破效果進行綜合評價。爆破質(zhì)量主要包括巖石大塊率、平均塊度、根底率、爆堆形態(tài)等；爆破成本主要為單位巖體的CO2消耗量、單位方量作業(yè)工時等；爆破安全主要考慮飛石距離、爆破振動對附近民房和天然氣管道的影響、噪聲污染、氣體污染等。

爆破質(zhì)量與爆破成本方面，采用塊度圖像分析法，對爆破現(xiàn)場大塊率和平均塊度進行分析，根據(jù)現(xiàn)場鏟裝設(shè)備，將尺寸大于80 cm的塊石定義為大塊；通過測量爆堆前沖、后沖距離及爆堆隆起高度來評估爆堆形態(tài)；對CO2的單耗、單段巖石開挖方量等進行統(tǒng)計和計算。

爆破安全方面除了對飛石距離、噪聲大小、氣體污染進行測量外，還需通過布置監(jiān)測點對爆破振動情況進行檢測，沿致裂孔周邊水平方向布置3個測點，垂直方向布置5個測點。布置方式見圖6。

圖6 監(jiān)測點布置

CO2爆破綜合效果評價統(tǒng)計結(jié)果見表6。CO2爆破后破巖效果明顯，大塊率和根底率低，塊度滿足現(xiàn)場鏟運裝備的運輸，無需二次破碎。單段破巖方量達70 m3，共消耗CO2量為12.5 kg。由于致裂管可以重復(fù)使用且操作簡單，大大降低了爆破的材料成本和工人成本。和常規(guī)巖石乳化炸藥產(chǎn)生的CO、NO、NO2等毒害氣體相比CO2爆破法僅產(chǎn)生CO2氣體，無氣體污染。據(jù)爆破距離15 m處實測聲音強度較低，約70 dB，噪聲污染小。爆破振動監(jiān)測結(jié)果見圖7。距離振源4 m處的質(zhì)點振動速度已經(jīng)低于2.5 cm/s，符合爆破安全規(guī)程規(guī)定，且爆破現(xiàn)場無飛石現(xiàn)象發(fā)生。

表6 液態(tài)CO2爆破綜合效果評價

圖7 振動監(jiān)測結(jié)果

5 結(jié)束語

(1)本文介紹了液態(tài)CO2相變爆破技術(shù)的作用機理，并將液態(tài)CO2相變爆破技術(shù)成功應(yīng)用于地下綜合管廊基坑的開挖中，為巖質(zhì)堅硬和周邊環(huán)境復(fù)雜條件下的基坑開挖提供了新方法和新思路。

(2)對CO2相變爆破技術(shù)施工過程進行詳細闡述，其中包括孔網(wǎng)參數(shù)選取、鉆孔方式、爆破網(wǎng)絡(luò)連接、起爆順序、飛石控制、安全檢查、致裂管重復(fù)使用等重要過程，并通過數(shù)值模擬驗證了施工方案的可行性。

(3)對CO2相變爆破結(jié)果進行綜合評價，結(jié)果表明現(xiàn)場無飛石危害、揚塵小、無氣體污染物產(chǎn)生、噪聲污染小、爆破塊度適中，方便運輸，爆破振動符合爆破安全規(guī)程規(guī)定，爆破成本低?？梢奀O2相變爆破技術(shù)在一定程度上可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)炸藥，適合推廣應(yīng)用。