韓永貴

摘 要：隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城市化進(jìn)程加快，高速鐵路對(duì)城市發(fā)展的制約逐步顯現(xiàn)出來，對(duì)既有高速鐵路的擴(kuò)建及改建工程勢(shì)在必行。本文結(jié)合京滬高鐵泰安站地下通道改擴(kuò)建施工，對(duì)高速鐵路旅客地道接長(zhǎng)安全爆破技術(shù)進(jìn)行總結(jié)歸納。

關(guān)鍵詞：高速鐵路;旅客地道;沉降觀測(cè);液態(tài)二氧化碳

中圖分類號(hào)：TD712.6文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2020）25-0067-04

Abstract： As China's economic development and urbanization accelerate， the constraints of high-speed railways on urban development have gradually emerged. It is imperative for the expansion and reconstruction of existing high-speed railways. This paper summarized the safe blasting technology of the passenger tunnel connection of the high-speed railway in conjunction with the reconstruction and expansion of the Beijing-Shanghai high-speed railway Tai'an station.

Keywords： high-speed railway;passenger tunnel;settlement observation;liquid carbon dioxide

1 工程概況

京滬高鐵泰安站既有西外環(huán)路向西改移至站前平臺(tái)下部，并下穿接長(zhǎng)出站通道和進(jìn)站地下通道。新建西外環(huán)路下穿站前平臺(tái)結(jié)構(gòu)形式為2～13 m鋼筋混凝土連體框架，共401.14 m。設(shè)計(jì)框架內(nèi)凈高有7、7.08、7.5、8、8.5、9.5、10.5 m共7種形式，頂板厚1 m，底板厚1 m，邊墻厚1.1 m，中墻厚1 m，基坑開挖深度10～16 m?？蚣軜騼啥藶閁形框架結(jié)構(gòu)形式，全長(zhǎng)278.4 m，結(jié)構(gòu)內(nèi)徑27 m，邊墻厚1.1 m，基坑開挖深度3～10 m。進(jìn)站換乘通道為1～5 m鋼筋混凝土框架，基坑開挖深度1.7～10.3 m。

2 工程特點(diǎn)、選用技術(shù)及施工難點(diǎn)

本工程西外環(huán)路框架橋基坑9#段向北地質(zhì)為I級(jí)堅(jiān)石，巖體完整，節(jié)理不發(fā)育，巖石強(qiáng)度高，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)取樣試驗(yàn)，巖石強(qiáng)度達(dá)到102 MPa。

京滬高鐵泰安站既有西外環(huán)路框架橋由于臨近泰安高鐵站，并且?guī)r石硬度高、整體性好、方量大，基坑開挖無法采用常規(guī)爆破開挖，單獨(dú)采用挖掘機(jī)破碎法施工進(jìn)度慢;加之本項(xiàng)目工期緊，用膨脹劑靜態(tài)爆破太慢且致裂巖石效果不好，故選用液態(tài)二氧化碳致裂巖石施工技術(shù)。該技術(shù)能有效解決框架橋離既有建筑物近、基坑巖石硬度大、難開挖的難題。

西外環(huán)路和旅客進(jìn)站換乘通道基坑開挖距離既有建筑物較近，基坑巖石強(qiáng)度高，市區(qū)內(nèi)臨近營(yíng)業(yè)線基坑開挖采用液態(tài)二氧化碳致裂巖石施工，在國(guó)內(nèi)無工程實(shí)例可以借鑒，因此，液態(tài)二氧化碳致裂巖石施工技術(shù)、既有建筑物安全防護(hù)、環(huán)境保護(hù)等方面都存在需要研究解決的技術(shù)難題。

3 研究方法及技術(shù)路線

3.1 技術(shù)路線

第一，根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)情況及中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司濟(jì)南設(shè)計(jì)院提供的地質(zhì)資料進(jìn)行詳細(xì)調(diào)查。

第二，通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定液態(tài)二氧化碳致裂巖石采用的致裂管規(guī)格、型號(hào)，確保基坑兩側(cè)既有建筑物基礎(chǔ)穩(wěn)定安全。

第三，形成液態(tài)二氧化碳致裂巖石施工技術(shù)和施工工藝[1]。

3.2 研究方法方案選比

新建西外環(huán)路和高鐵泰安站旅客進(jìn)站換乘通道基坑距離高鐵泰安站站房與既有西外環(huán)路橋臺(tái)較近，基坑下部巖石體積大、強(qiáng)度高、整體性好，施工期間基坑邊坡外側(cè)進(jìn)站、出站道路正常通行，人流量大，作業(yè)空間有限。根據(jù)《鐵路運(yùn)輸安全保護(hù)條例》規(guī)定：在鐵路線路兩側(cè)路堤坡腳、路塹坡頂、鐵路橋梁外側(cè)起各1 000 m范圍內(nèi)，以及在鐵路隧道上方中心線兩側(cè)各1 000 m范圍內(nèi)，禁止從事采礦、采石及爆破作業(yè)。

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，并根據(jù)濟(jì)南鐵路局要求，對(duì)于液壓破碎錘施工、劈裂機(jī)劈裂巖石、可循環(huán)二氧化碳致裂巖石、一次性二氧化碳致裂巖石等施工技術(shù)方案從技術(shù)、進(jìn)度、成本、環(huán)保等方面進(jìn)行了對(duì)比分析，情況如表1所示。

經(jīng)方案比選，確定液態(tài)二氧化碳致裂巖石施工技術(shù)為最終劈裂方案。其優(yōu)勢(shì)主要表現(xiàn)在安全性與環(huán)保方面。一方面，在整個(gè)致裂過程中，只是從液態(tài)二氧化碳到氣態(tài)二氧化碳，沒有有害物質(zhì)產(chǎn)生;生產(chǎn)、儲(chǔ)存、運(yùn)輸過程中，絕對(duì)不會(huì)發(fā)生爆炸。另一方面，在致裂過程中，不會(huì)像炸藥爆炸一樣產(chǎn)生大量一氧化碳等有毒有害的氣體，以及大量粉塵。

4 二氧化碳致裂原理及計(jì)算

4.1 液態(tài)二氧化碳致裂巖石原理

二氧化碳致裂巖石的原理是利用液態(tài)二氧化碳在突然快速加熱的條件下，急劇快速氣化膨脹，產(chǎn)生強(qiáng)大沖擊力，通過適當(dāng)?shù)目刂?，造成致裂破巖的效果。

具體來講，首先，將活化器裝入致裂管內(nèi)，對(duì)致裂管進(jìn)行嚴(yán)密封閉，采用自動(dòng)充裝機(jī)將液態(tài)二氧化碳裝入致裂管內(nèi);其次，采用高能脈沖起爆器激活致裂管中的活化器，使液態(tài)二氧化碳在快速加熱的條件下，體積急速膨脹600倍以上，產(chǎn)生強(qiáng)大的沖擊力（200～400 MPa），沖破致裂管，從而對(duì)周圍巖石產(chǎn)生沖擊力，產(chǎn)生破壞作用，形成破巖效果。

4.2 液態(tài)二氧化碳致裂巖石計(jì)算

根據(jù)計(jì)算，二氧化碳致裂管致裂巖石遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于炸藥的能量。根據(jù)廠家提供的數(shù)據(jù)以及相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，致裂孔周圍2～3 m沒有破壞作用了，故選取一段試驗(yàn)段分別進(jìn)行試驗(yàn)，確定致裂管的型號(hào)及致裂孔布置。

4.2.1 試驗(yàn)段選擇。針對(duì)本工程地質(zhì)巖石強(qiáng)度高，基坑兩側(cè)距離泰安站站房和既有西外環(huán)路橋梁基礎(chǔ)較近，為保證既有建筑物穩(wěn)定安全，確定合理技術(shù)方案，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，選擇13#框架橋基坑中一段作為試驗(yàn)段。該段距離泰安站站房較遠(yuǎn)，外側(cè)無旅客進(jìn)站人員，確保施工安全。

4.2.2 材料設(shè)備準(zhǔn)備。根據(jù)廠家提供，致裂管直徑大小有三種型號(hào)，分別為76、89、108 mm。潛孔鉆、自動(dòng)充裝機(jī)、加壓泵各一臺(tái)，儲(chǔ)液罐一個(gè)以及相關(guān)配套用具。

4.2.3 現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)地布置。采用破碎錘提前做好臨空面，潛孔鉆鉆孔。根據(jù)廠家的以往經(jīng)驗(yàn)及巖石的強(qiáng)度，孔距按1.5、2、2.5 m，孔深為3 m和4 m，排數(shù)按1排、2排、3排，分別對(duì)每種型號(hào)致裂管進(jìn)行試驗(yàn)，觀察其效果。

4.2.4 致裂效果。致裂效果具體如表3所示。

通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)比，選用108 mm型號(hào)致裂管，致裂孔布置按孔距2 m，深度4 m，排數(shù)2排，能夠達(dá)到理想的效果，致裂巖石效果好，噪聲、揚(yáng)塵控制效果佳，對(duì)兩側(cè)建筑物無影響。

5 施工方案

5.1 施工準(zhǔn)備

第一，對(duì)施工人員進(jìn)行有針對(duì)性施工組織、施工方案技術(shù)交底;第二，做好臨空面、致裂孔定位工作;第三，提前將基坑兩側(cè)巖石采用潛孔鉆機(jī)鉆孔將巖石切割，防止致裂時(shí)擠壓巖石，影響站房及既有橋臺(tái)基礎(chǔ)穩(wěn)定。

5.2 施工工藝及方案

5.2.1 施工流程。施工流程具體如圖1所示。

5.2.2 沉降觀測(cè)。沉降觀測(cè)主要包括站房側(cè)沉降觀測(cè)和既有西外環(huán)路橋梁沉降觀測(cè)兩方面。

第一，站房側(cè)沉降觀測(cè)。站房側(cè)沉降觀測(cè)主要采用以壓差式靜力水準(zhǔn)儀為核心組成的24 h自動(dòng)化在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。監(jiān)測(cè)范圍主要包括高鐵路基、泰安站站房基礎(chǔ)。對(duì)監(jiān)控項(xiàng)目中的監(jiān)測(cè)點(diǎn)采用遠(yuǎn)距離自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，配備計(jì)算機(jī)及相關(guān)軟件，以便及時(shí)處理監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并在數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中采用設(shè)置預(yù)警值系統(tǒng)，以保證對(duì)監(jiān)測(cè)對(duì)象實(shí)施24 h實(shí)時(shí)監(jiān)控。

第二，既有西外環(huán)路橋梁沉降觀測(cè)。在橋梁頂每隔10 m設(shè)置一個(gè)沉降觀測(cè)點(diǎn)，采用電子水準(zhǔn)儀進(jìn)行測(cè)量，致裂前與致裂后進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比，確保基礎(chǔ)穩(wěn)定安全。

5.2.3 破碎錘施工。巖石致裂完畢后，由致裂人員確認(rèn)致裂管致裂情況，通過電阻測(cè)試法確認(rèn)是否有未破裂儲(chǔ)液管的情況。利用萬用表測(cè)量致裂后每根致裂管兩端的電阻，當(dāng)電阻為0時(shí)為已破裂;當(dāng)致裂管顯示電阻不為0時(shí)為未破裂。未致裂排除方法，對(duì)儲(chǔ)液管重新連線起爆。

由致裂人員確認(rèn)完畢后，通知現(xiàn)場(chǎng)負(fù)責(zé)人可以進(jìn)行下一步施工。采用450型破碎錘對(duì)致裂后巖石進(jìn)行破碎，巖石已產(chǎn)生裂紋，需破碎成小塊后裝車外運(yùn)，通過二氧化碳致裂后，大大提高了破碎錘施工工效，加快了施工進(jìn)度。

6 安全控制措施

嚴(yán)格按照《操作手冊(cè)》執(zhí)行。確保施工程序、流程科學(xué)、安全。

第一，新建西外環(huán)路框架橋距離既有西外環(huán)橋臺(tái)基礎(chǔ)較近，為避免二氧化碳致裂時(shí)擾動(dòng)基礎(chǔ)地基，利用潛孔鉆機(jī)順橋臺(tái)基坑開挖邊界進(jìn)行南北向打孔切割巖石層，風(fēng)鉆鉆孔直徑為10 cm，間距為20 cm，隨每層致裂深度逐層向下切割。

第二，液態(tài)二氧化碳致裂巖石前，認(rèn)真檢查致裂孔封堵情況，并控制好時(shí)間，采用橡膠炮被對(duì)致裂孔2 m范圍內(nèi)進(jìn)行覆蓋。

第三，確保致裂孔填塞質(zhì)量，致裂孔內(nèi)有水要做排水處理，致裂前采用自吸泵先將孔內(nèi)水抽干。

第四，施工前收集好基坑周邊沉降觀測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)，實(shí)施后對(duì)沉降觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行復(fù)核并做好記錄，確?；又苓叿€(wěn)定。

第五，致裂時(shí)由現(xiàn)場(chǎng)負(fù)責(zé)人統(tǒng)一指揮，防護(hù)人員對(duì)四周環(huán)境進(jìn)行確認(rèn)，確認(rèn)后由現(xiàn)場(chǎng)負(fù)責(zé)人下達(dá)致裂命令。

第六，致裂后由現(xiàn)場(chǎng)負(fù)責(zé)人對(duì)基坑周邊做好檢查，檢查無問題后結(jié)束本次致裂巖石施工。

7 勞力組織及機(jī)械設(shè)備

7.1 勞動(dòng)力組織

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，投入本工程1個(gè)作業(yè)班組，作業(yè)人員20人，分為3個(gè)部分，即致裂管組裝、致裂孔施工、致裂管安裝和致裂。其中，致裂管組裝人員主要負(fù)責(zé)致裂管前期各構(gòu)件檢查、安裝、運(yùn)輸，共有作業(yè)人員10人;致裂孔施工人員主要負(fù)責(zé)致裂管孔洞鉆孔、清孔，防護(hù)施工，共有作業(yè)人員5人;致裂管安裝和致裂人員負(fù)責(zé)運(yùn)送至現(xiàn)場(chǎng)的致裂管安裝、孔洞封堵及致裂管致裂，共有作業(yè)人員5人。

7.2 主要機(jī)械設(shè)備

主要機(jī)械設(shè)備詳見表4。

8 經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益分析

8.1 經(jīng)濟(jì)效益

通過本課題的研究，將研究成果應(yīng)用到京滬高鐵泰安站西外環(huán)路改造工程中，破碎巖石采用破碎錘施工，需要5個(gè)半月，全部費(fèi)用為687萬元;采用本技術(shù)，提高破碎錘施工工效，3個(gè)月施工完畢，總價(jià)節(jié)約費(fèi)用328萬元。

8.2 社會(huì)效益

第一，液態(tài)二氧化碳致裂巖石加快了巖石破碎效率，縮短了施工工期。

第二，為臨近既有建筑物基坑巖石破碎施工探索出一條全新思路，液態(tài)二氧化碳致裂巖石振動(dòng)小，振動(dòng)力向臨空面?zhèn)柔尫?，保證了既有建筑物的牢固穩(wěn)定。同時(shí)，為類似工程提供了新的經(jīng)驗(yàn)。

第三，通過項(xiàng)目部的共同努力，安全、順利地完成了西外環(huán)路基坑的開挖施工。二氧化碳致裂巖石工藝、施工安全保證措施受到監(jiān)理、業(yè)主等單位的高度評(píng)價(jià)，為企業(yè)樹立了良好的形象。

9 結(jié)語(yǔ)

本課題研究的液態(tài)二氧化碳致裂巖石施工技術(shù)可對(duì)整體巖石進(jìn)行致裂產(chǎn)生裂紋，提高破碎錘施工工效，解決了本工程地下巖石硬度大、整體性好、方量大、工期緊及僅用破碎錘施工無法克服的難題，加快了基坑開挖進(jìn)度，縮短施工周期，降低了施工成本。同時(shí)，液態(tài)二氧化碳致裂巖石產(chǎn)生的振動(dòng)微弱，破壞力很小，對(duì)周圍建筑物、鐵路線安全運(yùn)營(yíng)不會(huì)產(chǎn)生影響。與炸藥爆炸相比，不會(huì)產(chǎn)生大量粉塵以及大量一氧化碳等有毒有害的氣體，而且產(chǎn)生的噪聲低，致裂孔口采用炮被進(jìn)行封堵，降低了施工粉塵，保護(hù)了環(huán)境。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙海洋，二氧化碳爆破技術(shù)在高速公路施工中的應(yīng)用[J].交通世界，2016（12）：15.