吳應(yīng)明

(中鐵二十局集團(tuán)有限公司，陜西西安 710016)

當(dāng)前，城市地鐵車站的開挖主要還是運(yùn)用露天爆破的方法進(jìn)行基坑開挖，以此保證施工的進(jìn)度，施工效率非?？捎^。但是，隨著地鐵工程的發(fā)展，地鐵必須穿越城市的人口密集帶以及城市的老城區(qū)才能解決城市嚴(yán)重的交通擁堵問題，然而，這必然給地鐵施工造成一定程度上的困難，尤其是在密集城區(qū)進(jìn)行時(shí)地鐵車站基坑開挖時(shí)，由于傳統(tǒng)的露天爆破開挖技術(shù)的振動(dòng)太大，對(duì)地鐵基坑周邊的老式建筑物以及周邊的交通帶來巨大的影響，甚至?xí)o人們的生活造成嚴(yán)重的影響。在城市密集老城區(qū)施工更是如此，尤其是城市老建筑地基不深，主要采取的是傳統(tǒng)的磚墻結(jié)構(gòu)修建的，在進(jìn)行城市地鐵車站開挖的時(shí)候很容易引起地基的不均勻沉降從而導(dǎo)致城市密集老城區(qū)建筑的嚴(yán)重?fù)p壞，造成嚴(yán)重的后果。在不采用傳統(tǒng)的露天爆破開挖情況下，地鐵車站基坑施工就只能采用靜態(tài)破碎以及人工機(jī)械的方式進(jìn)行開挖，這樣一來雖然減小了對(duì)周邊建筑的影響，但是嚴(yán)重影響施工的工期，施工效率低下，不能保障正常的施工進(jìn)度。

為解決此問題，對(duì)施工工藝、施工方法以及施工方法進(jìn)行優(yōu)化，共同引進(jìn)了二氧化碳干冰致裂破巖技術(shù)，并對(duì)二氧化碳干冰致裂破巖技術(shù)如何運(yùn)用到城市密集老城區(qū)地鐵車站基坑開挖的施工程序和工藝進(jìn)行了科研攻關(guān)，形成了一套較為成熟的城市密集老城區(qū)地鐵車站基坑開挖二氧化碳干冰致裂破巖技術(shù)的施工方法，從而解決了傳統(tǒng)露天爆破技術(shù)難以運(yùn)用到城市老城區(qū)地鐵基坑開挖而延誤工期的難題。

1 二氧化碳干冰破巖技術(shù)

1.1 技術(shù)特點(diǎn)

(1)通過對(duì)二氧化碳干冰升華體積劇烈膨脹原理的研究，將二氧化碳干冰致裂破巖技術(shù)運(yùn)用到城市密集老城區(qū)地鐵車站基坑開挖，突破了常規(guī)施工中只能利用傳統(tǒng)炸藥施工、靜態(tài)破碎以及人工機(jī)械開挖的局限性，并成功的降低了對(duì)基坑周圍建筑的影響，保障了施工進(jìn)度，降低安全風(fēng)險(xiǎn)。

(2)二氧化碳干冰是二氧化碳的固態(tài)形式，經(jīng)過處理后能夠在常溫保存3 h，完全可以滿足施工時(shí)間上的要求。

(3)二氧化碳干冰在短時(shí)間內(nèi)在炮孔內(nèi)升華，具有很大的膨脹力，能夠滿足致裂破巖要求。

(4)通過對(duì)二氧化碳干冰用量的控制，以及炮眼間距的合理布置，能夠控制由于二氧化碳干冰升華所導(dǎo)致的振動(dòng)，通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)二氧化碳干冰致裂破巖試驗(yàn)研究，基坑周圍的振動(dòng)速度在0.7～1.5 cm/s之間，其主振頻率在60～150 Hz之間，完全在《爆破安全規(guī)程》中所規(guī)定的安全振動(dòng)速度的控制標(biāo)準(zhǔn)以內(nèi)。

(5)二氧化碳干冰就是二氧化碳，在運(yùn)用二氧化碳干冰致裂破巖技術(shù)進(jìn)行基坑開挖后不會(huì)對(duì)周圍環(huán)境造成不良影響。

1.2 適用范圍

適用于城市密集區(qū)地鐵車站基坑開挖、禁止采用炸藥包破區(qū)基坑開挖、城市建筑基坑開挖等，尤其適用于城市密集老城區(qū)的地鐵車站開挖。

1.3 工藝原理

采用理論分析、現(xiàn)場(chǎng)工藝性試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)實(shí)踐相結(jié)合，借鑒相關(guān)工程的施工經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合依托工程特點(diǎn)，通過二氧化碳干冰升華產(chǎn)生大量氣態(tài)二氧化碳的原理研究總結(jié)出新型固氣相變二氧化碳干冰城市地鐵開挖施工技術(shù)。

2 二氧化碳干冰破巖技術(shù)設(shè)計(jì)

2.1 二氧化碳干冰致裂破巖設(shè)計(jì)的基本原則

(1)為控制二氧化碳干冰致裂破巖振動(dòng)和飛石，采用布密集孔、控制單孔藥量和單段二氧化碳干冰用量等方式進(jìn)行干冰致裂破巖。

(2)根據(jù)周邊建筑物及地形情況，致裂區(qū)抵抗線方向朝向空曠地帶，不得朝向高壓線、公路、居民房和其他可能造成安全隱患的方向。

(3)每次二氧化碳干冰致裂破巖的布孔形式，都需要根據(jù)地形靈活掌控。

(4)對(duì)復(fù)雜環(huán)境地段采取間接或直接防護(hù)措施。

2.2 二氧化碳干冰致裂破巖設(shè)計(jì)要點(diǎn)

(1)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的工程地質(zhì)條件及以往的施工經(jīng)驗(yàn)，選擇合適的二氧化碳干冰致裂破巖技術(shù)方案，進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)炮孔布置參數(shù)。

(2)制造一定傾角和高度的臨空面，為二氧化碳干冰致裂破巖創(chuàng)造較好的破巖條件，提高破巖效率。

(3)根據(jù)設(shè)計(jì)的炮眼大小選擇相應(yīng)直徑的鉆頭以及相關(guān)的設(shè)備。

(4)在鉆孔完成后對(duì)炮孔按照順序裝入二氧化碳干冰、催化劑、填塞物，最后利用木塞對(duì)炮孔進(jìn)行堵塞。

(5)選擇合適的起爆方式，并對(duì)炮孔進(jìn)行連線，連線之前必須用監(jiān)測(cè)儀對(duì)催化劑上的導(dǎo)線進(jìn)行檢查其是否形成回路。

(6)根據(jù)設(shè)計(jì)要求選用相應(yīng)的起爆器材。

(7)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)警戒，警戒完成后進(jìn)行起爆作業(yè)。

(8)破巖后對(duì)炮孔進(jìn)行檢查是否存在盲炮，檢查完成后再取消警戒。

2.3 二氧化碳干冰致裂破巖參數(shù)設(shè)計(jì)

2.3.1 循環(huán)開挖L0和孔深L

本階段可根據(jù)循環(huán)開挖的地質(zhì)條件或者按照設(shè)計(jì)要求一次性開挖深度進(jìn)行設(shè)計(jì)L0的大小，從而確定孔深L，孔深為循環(huán)進(jìn)尺長(zhǎng)度加上炮孔超深長(zhǎng)度，其中一般炮孔超深長(zhǎng)度定為0.2 m，若有設(shè)計(jì)掏槽眼，則掏槽孔的超深長(zhǎng)度一般情況下可定為0.4 m(垂直深度，掏槽孔實(shí)際孔深根據(jù)設(shè)計(jì)圖確定)。

2.3.2 單耗q與總裝二氧化碳干冰量Q

單位巖體二氧化碳干冰消耗量不僅影響巖石破碎塊度、巖石飛散距離和爆堆形狀，而其影響炮眼利用率、鉆眼工作量、勞動(dòng)生產(chǎn)率、材料消耗、掘進(jìn)成本、斷面輪廓質(zhì)量、開挖基坑的平整度以及圍巖的穩(wěn)定性。合理的單耗決定于多種因素，其中有巖石的物流力學(xué)性質(zhì)、斷面、干冰的純度、炮眼直徑和深度等。由于二氧化碳干冰致裂破巖技術(shù)還不成熟，研究不夠深入，故暫時(shí)可以采用明捷利公式進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)可以參考原煤炭工業(yè)局制定的斜井掘進(jìn)經(jīng)驗(yàn)值和預(yù)算定額，根據(jù)兩者綜合分析確定最終的單耗設(shè)計(jì)值。

2.3.3 孔徑、孔距和排距

在露天進(jìn)行破巖施工時(shí)最小抵抗線一般為25～30倍孔徑，孔距a一般為1～1.5倍的最小抵抗線；排距一般為0.75～1.0倍的炮孔間距。

2.3.4 炮孔數(shù)目

炮眼數(shù)目可根據(jù)進(jìn)行計(jì)算。

(1)

N為計(jì)算炮眼數(shù)目，不包括未裝干冰二氧化碳的空眼數(shù)；q為單位二氧化碳干冰消耗量(kg/m3)；s為開挖面積(m2)；η為炮眼裝填系數(shù)；γ為藥卷單位長(zhǎng)度的二氧化碳干冰重量(kg/m)。

繪制炮孔布置圖、二氧化碳干冰致裂破巖參數(shù)表以及起爆網(wǎng)絡(luò)圖。

2.3.5 確定炮孔堵塞長(zhǎng)度

在巖層內(nèi)破巖，炮眼深度不足0.9 m時(shí)，裝二氧化碳干冰長(zhǎng)度不得大于炮眼深度的1/2；炮眼深度為0.9 m以上時(shí)，裝二氧化碳干冰長(zhǎng)度不得大于炮眼深度的2/3。在煤層中破巖，裝二氧化碳干冰長(zhǎng)度不得大于炮眼深度的1/2。所有炮眼的剩余部分應(yīng)用炮泥封堵，炮眼封泥不足或不嚴(yán)不應(yīng)進(jìn)行破巖。炮泥應(yīng)用水炮泥和黏土泡泥。水炮泥外剩余的炮眼部分應(yīng)用黏土炮泥填滿封實(shí)。嚴(yán)禁用煤粉、塊狀材料或其他可燃性材料作炮泥。

2.3.6 防飛石措施

為了防止個(gè)別飛石濺出造成傷害，二氧化碳干冰致裂破巖時(shí)除了對(duì)每個(gè)炮孔進(jìn)行密實(shí)填塞外，還可對(duì)破巖區(qū)域采用擋式覆蓋，覆蓋面積大于破巖可能的飛石區(qū)域?；蛘呙總€(gè)炮孔部位，臨空面采用沙袋、橡膠鏈或竹排(鋼板)等覆蓋。

2.3.7 二氧化碳干冰致裂破巖安全校核

二氧化碳干冰致裂破巖技術(shù)雖然比起破巖工程的風(fēng)險(xiǎn)較低，但是也需要對(duì)其安全進(jìn)行校核。施工作業(yè)過程，施爆過程中有可能對(duì)周邊建(構(gòu))筑物、人員及其他重要設(shè)施等構(gòu)成危害必須做到預(yù)防為主、方法合理、措施得當(dāng)，將各種有害效應(yīng)降低到最小程度的范圍內(nèi)，可參考《爆破安全規(guī)程》主要做到保證振動(dòng)安全允許距離、二氧化碳干冰致裂破巖沖擊波安全允許距離、破巖飛散物安全距離。

3 二氧化碳干冰破巖技術(shù)施工

3.1 施工工藝流程

二氧化碳干冰致裂破巖技術(shù)主要施工工藝流程見圖1。

圖1 干冰致裂破巖技術(shù)施工工藝流程

制造臨空面→打孔(孔徑為45 mm)→清孔→放干冰(50 g)→裝土(細(xì)沙)→搗實(shí)→放袋裝催化劑(帶引爆線)→放散裝催化劑(640 g)→填土.壓實(shí)→塞木楔，封口(穿引線)→測(cè)每個(gè)孔的引線是否導(dǎo)通→串聯(lián)引線→測(cè)主線引線是否導(dǎo)通→疏散人群致安全距離警戒→蓋防爆被→接主線→開始致裂→清理防爆被→炮機(jī)清理巖石。

3.2 施工方法

3.2.1 準(zhǔn)備工作

(1)道路：通過施工道路支線進(jìn)入石料場(chǎng)，其道路布置及參數(shù)要有具體的說明。

(2)施工用風(fēng)、水、電系統(tǒng)：由于基坑施工的深度較小故施工用風(fēng)主要為自然風(fēng)；施工用水采用自來水管供水；施工用電采用工業(yè)用電。

3.2.2 場(chǎng)地清理

利用TY320推土機(jī)剝離干冰致裂試驗(yàn)區(qū)范圍內(nèi)風(fēng)化層以上全部覆蓋，并進(jìn)行集中堆積，最后由反鏟裝32 t自卸汽車運(yùn)走；局部覆蓋層較厚部位采用液壓反鏟直接下挖，用大型吊機(jī)直接吊至碴場(chǎng)或指定地點(diǎn)。

場(chǎng)面清理經(jīng)施工技術(shù)人員驗(yàn)收后，利用推土機(jī)進(jìn)行平整，以便于鉆機(jī)就位和鉆孔作業(yè)。

3.2.3 測(cè)量放線

(1)場(chǎng)面平整后，測(cè)量人員根據(jù)二氧化碳干冰致裂試驗(yàn)方案對(duì)二氧化碳干冰致裂試驗(yàn)區(qū)工作面進(jìn)行平面、高程測(cè)量，并做記錄。

(2)測(cè)量技術(shù)人員根據(jù)二氧化碳干冰致裂試驗(yàn)方案對(duì)炮孔開口孔位放線，并用紅油漆對(duì)每個(gè)孔位進(jìn)行標(biāo)識(shí)。同時(shí)提供各相應(yīng)孔位的地面高程,形成記錄。

3.2.4 鉆孔

(1)二氧化碳干冰致裂試驗(yàn)主炮孔采用手風(fēng)鉆Y0-20；二氧化碳干冰致裂試驗(yàn)預(yù)裂孔采用液壓鉆機(jī)進(jìn)行鉆孔。鉆頭直徑為45 mm。

(2)鉆機(jī)進(jìn)入工作面后進(jìn)行就位、調(diào)整。鉆機(jī)調(diào)整包括鉆機(jī)整機(jī)水平調(diào)整和鉆孔方向角度調(diào)整。開鉆前，施工技術(shù)人員用水平儀和刻度羅盤對(duì)其調(diào)整進(jìn)行復(fù)核，并形成記錄。

(3)開鉆時(shí)，鉆機(jī)開孔孔位與設(shè)計(jì)孔位誤差不能超過一個(gè)鉆頭直徑。在鉆進(jìn)過程中，每隔2 m則應(yīng)對(duì)鉆孔角度進(jìn)行一次復(fù)核，及時(shí)進(jìn)行調(diào)整。由于地質(zhì)原因不宜鉆進(jìn)、卡鉆或不易成孔時(shí)，及時(shí)通知施工技術(shù)人員，提出修改或替代方案，并形成記錄。

(4)施工技術(shù)人員根據(jù)鉆機(jī)鉆進(jìn)過程中難易程度和巖粉性狀，提出可能存在的地質(zhì)情況沿孔深變化的初步評(píng)價(jià)并形成記錄，以利于二氧化碳干冰致裂試驗(yàn)參數(shù)的調(diào)整和二氧化碳干冰致裂效果的分析。

3.2.5 清孔

(1)鉆孔結(jié)束后，利用高壓風(fēng)進(jìn)行吹孔，直至巖屑和石碴全部清除出孔外。由施工技術(shù)人員對(duì)孔號(hào)、孔徑、孔深、鉆孔角度進(jìn)行編錄。

(2)清孔結(jié)束后，用塑料膜將孔口覆蓋對(duì)炮孔進(jìn)行保護(hù)。

3.2.6 裝藥、堵塞、起爆網(wǎng)絡(luò)連接、起爆、安檢

(1)二氧化碳干冰致裂材料進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)，在開始裝藥前對(duì)整個(gè)二氧化碳干冰致裂試驗(yàn)施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行警戒，同時(shí)在進(jìn)出炮區(qū)道路設(shè)置路障，嚴(yán)禁閑雜車輛、人員、動(dòng)物進(jìn)入。

(2)炮工在二氧化碳干冰致裂施工技術(shù)人員的指導(dǎo)下，根據(jù)二氧化碳干冰致裂試驗(yàn)方案進(jìn)行裝藥、堵塞、起爆網(wǎng)絡(luò)連接等的操作。

(3)二氧化碳干冰致裂施工技術(shù)人員對(duì)起爆網(wǎng)絡(luò)連接進(jìn)行最后一次檢查后，并確認(rèn)警戒有效、人員設(shè)備全部撤離、炮區(qū)無安全隱患后，發(fā)出準(zhǔn)許起爆指令。

(4)二氧化碳干冰致裂破巖結(jié)束20 min，二氧化碳干冰致裂工程師組織二氧化碳干冰致裂安全檢查人員進(jìn)入炮區(qū)進(jìn)行檢查。若存在盲炮、拒爆等意外情況時(shí)，宣布警戒繼續(xù)有效，同時(shí)通知前方施工生產(chǎn)指揮部門。及時(shí)提出應(yīng)對(duì)措施，通知并報(bào)送咨詢工程師批準(zhǔn)后進(jìn)行處理；若安全檢查確認(rèn)通過，則撤除警戒。

3.3 二氧化碳干冰致裂試驗(yàn)效果評(píng)價(jià)

(1)首先組織有關(guān)專業(yè)的技術(shù)人員對(duì)爆堆、二氧化碳干冰致裂試驗(yàn)對(duì)相鄰區(qū)巖體的影響進(jìn)行描述和初步評(píng)價(jià)；若爆碴有利用要求，為滿足其級(jí)配、塊度要求，可同時(shí)安排取樣進(jìn)行試驗(yàn)，其結(jié)果將作為調(diào)整二氧化碳干冰致裂參數(shù)的依據(jù)。

(2)外觀描述、評(píng)價(jià)結(jié)束后，巖碴由液壓反鏟裝大型吊機(jī)吊運(yùn)至碴場(chǎng)或指定地點(diǎn)。對(duì)邊坡、基礎(chǔ)面清理結(jié)束后，組織有關(guān)專業(yè)的技術(shù)人員對(duì)殘留炮根、開挖基礎(chǔ)面、開挖邊坡等進(jìn)行地質(zhì)效果描述。

4 結(jié)束語

(1)本文對(duì)城市復(fù)雜環(huán)境條件下二氧化碳干冰致裂破巖技術(shù)從理論分析，技術(shù)設(shè)計(jì)到具體施工技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)分析，對(duì)二氧化碳干冰致裂基本原理、參數(shù)設(shè)計(jì)、施工工藝流程和方法進(jìn)行討論和研究，在基坑開挖過程中產(chǎn)生的沉降變形，振動(dòng)控制、噪聲降解、消防和經(jīng)濟(jì)成本等方面二氧化碳干冰破巖技術(shù)與傳統(tǒng)的基坑爆破施工開挖方法均有很大的提升。

(2)在二氧化碳干冰致裂破巖過程中，設(shè)計(jì)參數(shù)合理的情況下，可以取得良好的破巖效果，大塊率很低，不需二次破碎即可裝車出渣。