葉 靖

(中國(guó)水利水電第八工程局有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410004)

1 工程概況

貴州省安順市“人和苑”項(xiàng)目南鄰黃果樹(shù)大道，西鄰安順市人民醫(yī)院，東臨“家運(yùn)天城”小區(qū)。該項(xiàng)目由1#～8#塔樓及S1、S2裙樓組成，建設(shè)用地總面積36591.0 m2，總建筑面積198740.40 m2。本工程主體結(jié)構(gòu)為框剪結(jié)構(gòu)，建筑統(tǒng)一設(shè)置-2F地下室，設(shè)計(jì)±0.00標(biāo)高為1358.10 m，地下室底板標(biāo)高劃分為1349.30 m和1348.80 m兩個(gè)區(qū)域。

本工程重要性及場(chǎng)地復(fù)雜等級(jí)都比較高，巖土工程勘察等級(jí)為甲級(jí)?；娱_(kāi)挖深度為9～10 m，石方開(kāi)挖量23萬(wàn)m3，周邊有重要構(gòu)筑物，如果破壞后果較嚴(yán)重。

2 氣體致裂原理

二氧化碳?xì)怏w裂巖原理，就是利用二氧化碳3種形態(tài)轉(zhuǎn)化，通過(guò)溫度控制，二氧化碳在一定的高壓下可轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)，通過(guò)高壓泵將液態(tài)的二氧化碳?jí)嚎s至儲(chǔ)液管內(nèi)，裝入定壓剪切片、發(fā)熱裝置及密封裝置，并擰緊合金帽等裝置，完成了爆破前的所有準(zhǔn)備工作。工程現(xiàn)場(chǎng)將致裂管和起爆裝置器及足夠長(zhǎng)電源線攜至致裂現(xiàn)場(chǎng)，由于致裂管較重且較長(zhǎng)，借助現(xiàn)場(chǎng)挖掘機(jī)破碎頭吊入鉆孔中固定好，然后用瓜米石填充，振搗器振動(dòng)輔助，將其密實(shí)。各項(xiàng)準(zhǔn)備后連接起爆裝置電源。當(dāng)電流通過(guò)高導(dǎo)熱裝置時(shí)，短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生高溫并立馬擊穿安全膜，瞬間將液態(tài)二氧化碳變成氣體，氣體過(guò)程急劇膨脹，并產(chǎn)生高壓沖擊波致定壓剪切片自動(dòng)打開(kāi)，巖石被瞬間沖擊波向外迅猛推進(jìn)，導(dǎo)致基巖破裂，從起爆至整個(gè)結(jié)束過(guò)程時(shí)間極短，只需0.4ms，且受周?chē)h(huán)境影響較小，二氧化碳屬于惰性氣體非易燃易爆物質(zhì)，與周?chē)h(huán)境的空氣不相融合，爆破過(guò)程就是體積膨的過(guò)程，不產(chǎn)生任何有害氣體。

3 致裂器的基本結(jié)構(gòu)

二氧化碳?xì)怏w致裂管如圖1 所示。

圖1 二氧化碳?xì)怏w致裂管示意

(1)充裝閥。注入儲(chǔ)液管液態(tài)二氧化碳的開(kāi)關(guān)，充裝放置帶有計(jì)量裝置，待注入至規(guī)定重量時(shí)關(guān)閉，要求有良好的密封性能，采取面接觸式密封。

(2)發(fā)熱裝置。由啟動(dòng)器、發(fā)熱材料、保護(hù)罩或支架組成，為儲(chǔ)液管內(nèi)液態(tài)二氧化碳?xì)饣峁崮艿难b置。

(3)儲(chǔ)液管。采用高強(qiáng)度合金鋼材制作的耐高壓(≥300 MPa)、耐高溫(≥1800 ℃)管式容器，用于儲(chǔ)存規(guī)定重量二氧化碳。

(4)定壓剪切片。定壓剪切片是指儲(chǔ)液管氣體壓力超過(guò)材料剪切壓力時(shí)迅速破裂的預(yù)設(shè)壓力原件，也是控制卸能壓力的零件，可通過(guò)使用不同規(guī)格的剪切片得到不同的釋放壓力。

(5)釋放管。釋放管指儲(chǔ)液管氣體壓力造成定壓剪切片破裂，高壓氣體瞬間從管中噴射出來(lái)的原件。

4 致裂的比選

爆破法是最傳統(tǒng)、最主流的方法，具有快速、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)爆破易產(chǎn)生飛石、振動(dòng)、粉塵、噪音等，爆破飛石、噪音可通過(guò)控制單耗以及加強(qiáng)防護(hù)等措施控制，爆破振動(dòng)可通過(guò)采用數(shù)碼電子雷管控制單孔單段藥量進(jìn)行控制，爆破粉塵可采用噴霧進(jìn)行控制，這些措施的采用將使爆破成本增加。最主要的是目前爆破器材管理嚴(yán)格，單次爆破炸藥的運(yùn)輸成本至少2000元，且器材供應(yīng)時(shí)間不可控，對(duì)于小規(guī)模爆破已不具備經(jīng)濟(jì)、快速等優(yōu)點(diǎn)。

膨脹劑靜態(tài)破碎，具有無(wú)聲、無(wú)振動(dòng)等特點(diǎn)，然而施工效率低、施工條件惡劣、施工成本高，不利于大規(guī)模作業(yè)，特別是在巖土中，膨脹劑將沿孔壁裂縫流入巖體，導(dǎo)致保護(hù)區(qū)的破裂，僅適合振動(dòng)、飛石、粉塵控制要求極嚴(yán)的部位開(kāi)挖。

液壓錘機(jī)械破碎，具有作業(yè)人員勞動(dòng)強(qiáng)度低、基本無(wú)飛石等特點(diǎn)，但持續(xù)噪聲及粉塵對(duì)環(huán)境污染大，對(duì)工作面有一定要求，不適合小洞子等狹窄地段施工。

二氧化碳相變致裂破巖是近年引入國(guó)內(nèi)并推廣使用的破巖技術(shù)。該技術(shù)具有快速、安全等特點(diǎn)，由于二氧化碳相變致裂在孔內(nèi)產(chǎn)生的氣體壓力遠(yuǎn)低于同孔量常規(guī)爆炸在孔內(nèi)產(chǎn)生的壓力，因此，破巖過(guò)程中產(chǎn)生的飛石、粉塵及振動(dòng)遠(yuǎn)低于爆破所產(chǎn)生的飛石、粉塵及振動(dòng)，且不產(chǎn)生有毒有害氣體。適合環(huán)境復(fù)雜，對(duì)振動(dòng)、飛石、噪聲及粉塵控制要求嚴(yán)格的區(qū)域施工。

本項(xiàng)目周邊建筑全部建設(shè)完成，且距離較近，為確保施工安全，且工期要求緊。如采用鉆爆方式每次爆破流程較長(zhǎng)，而且離建筑物及鐵軌較近，很大可能無(wú)法完成，且鉆爆所產(chǎn)生的噪音、震動(dòng)、飛石、粉塵較大，會(huì)直接影響到電廠內(nèi)建筑物及職工的日常生活、辦公。根據(jù)類(lèi)似工程經(jīng)驗(yàn)，擬采用二氧化碳相變致裂破巖技術(shù)對(duì)巖石進(jìn)行施工。

5 致裂試驗(yàn)情況

經(jīng)實(shí)地勘查，該致裂區(qū)域的基巖為巖溶化原山地，屬典型的喀斯特峰叢、峰林，主要為溶蝕山間槽谷地貌，其間錐狀峰林與平坦開(kāi)闊的溶丘平地、溶蝕壩地廣布，總體地勢(shì)高差不大。巖石鈣質(zhì)膠結(jié)良好，巖石分布不勻，節(jié)理錯(cuò)亂，呈不規(guī)則形態(tài)產(chǎn)狀，部分區(qū)域有巖溶水溢出。巖體為中硬巖石，普氏巖石系數(shù)f=8～12。待致裂區(qū)出露地層有：第四系、二疊系上統(tǒng)、二疊系下統(tǒng)，石炭系下統(tǒng)；區(qū)內(nèi)構(gòu)造為斷裂，大都為隱伏斷層，受巖性和構(gòu)造影響，局部地段巖體破碎，巖石性質(zhì)為泥質(zhì)砂巖，出露基巖為石灰?guī)r，地表土覆蓋層一般厚度在1.5～4 m之間，分布不均勻。

5.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

由于基坑周邊建筑物密集，特別是市人民醫(yī)院建筑物距施工邊線最小距離十幾米，經(jīng)幾種常規(guī)爆破施工工藝，不能滿足現(xiàn)場(chǎng)安全需要，通過(guò)二氧化碳?xì)怏w致裂關(guān)鍵技術(shù)改進(jìn)的試驗(yàn)，調(diào)整各項(xiàng)參數(shù)，是否能解決硬巖開(kāi)挖難題。通過(guò)試驗(yàn)確定臨空面、鉆孔孔深、孔距、裝管長(zhǎng)度和堵塞長(zhǎng)度等相關(guān)參數(shù)，為分析和提高二氧化碳?xì)怏w致裂工效提供各項(xiàng)數(shù)據(jù)。通過(guò)試驗(yàn)檢測(cè)該致裂各項(xiàng)參數(shù)對(duì)周邊震動(dòng)、飛石、污染、噪音等的影響。

5.2 試驗(yàn)參數(shù)

本次試驗(yàn)塊選取人工預(yù)先鑿好臨空面且具有代表性，本工程采用致裂管參數(shù)為：選用122型致裂管，充裝的二氧化碳重量為9.9 kg，以及配選108型致裂管，充裝的二氧化碳重量為6.8 kg，本項(xiàng)目單耗二氧化碳量為0.3～0.45 kg，本工程綜合致裂方量約為35 m3/管。致裂工作面及鉆孔等參數(shù)擬采用以下參數(shù)：①預(yù)造臺(tái)階深度：H=4.5 m；②超孔孔深：h=0.5 m；③鉆孔總深度：L=H+h=5.0 m；④孔間距：a=(0.4～0.6)L，在此取2.5 m;⑤排距：b=2～2.5 m;⑥最小抵抗線：Wm=2.5～3 m;⑦堵塞長(zhǎng)度：ho=2.1 m;⑧裝管長(zhǎng)度：h1=2.5 m(圖2)。

圖2 鉆孔布置平面示意及臺(tái)階鉆孔布置剖面

5.3 致裂振動(dòng)安全振速的計(jì)算、校核

此項(xiàng)目施工現(xiàn)場(chǎng)區(qū)域，綜合考慮周邊建筑物的重要性，對(duì)致裂作業(yè)環(huán)境相求較為嚴(yán)格，主要對(duì)破碎后產(chǎn)生飛石的控制要求極高，每次致裂的震源與需保護(hù)目標(biāo)之間的距離是已知的，施工時(shí)必須采取切實(shí)可行的安全防范措施，本項(xiàng)目主要保護(hù)對(duì)象所在地兩個(gè)指標(biāo)即：基礎(chǔ)質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度和主振動(dòng)頻率，在致裂前專(zhuān)業(yè)人員計(jì)算出致裂時(shí)致裂最大單段致裂量及允許的最大致裂量，其公式結(jié)合二氧化碳致烈的測(cè)量結(jié)果，結(jié)合此數(shù)據(jù)(第一個(gè)點(diǎn)距離40 m，測(cè)震0.2，第二個(gè)點(diǎn)距離17.5 m，測(cè)震0.2，第三個(gè)點(diǎn)的距離22 m。測(cè)震0.3)

在本工程中，分別對(duì)周?chē)ㄖ锖凸芫€進(jìn)行單段允許藥量核算如下：V=1.5 cm/s(圖3)。

5.4 致裂效果

本次二氧化碳?xì)怏w致裂試驗(yàn)效果非常明顯，試驗(yàn)區(qū)域巖層全部破除，致裂效果圖片如圖4 所示。

5.5 試驗(yàn)總結(jié)

(1)試驗(yàn)結(jié)果表明氣體致裂能力基本滿足中風(fēng)化巖層施工要求，可操作性強(qiáng)，工藝簡(jiǎn)單。本次試驗(yàn)通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)該裂巖方法對(duì)基坑周邊震動(dòng)、飛石、污染、噪音等的影響等較小，二氧化碳致裂可控性比普通爆破好很多。

(2)采用二氧化碳?xì)怏w致裂施工關(guān)鍵技術(shù)改進(jìn)，工藝簡(jiǎn)單，對(duì)中風(fēng)化巖層致裂效果總體受控，達(dá)到預(yù)先效果且對(duì)周邊環(huán)境影響較小。滿足本工程石方總體開(kāi)挖進(jìn)度，同時(shí)也能滿足周邊建筑物安全性要求，同時(shí)對(duì)推廣市政建筑及無(wú)法使用爆破施工的石方開(kāi)挖起到了一定借鑒作用。

6 致裂參數(shù)優(yōu)化研究

6.1 致裂影響因素

①鉆孔內(nèi)有積水：容易導(dǎo)致致裂管飛管；②致裂巖層有裂隙：導(dǎo)致漏氣，致裂效果不佳，易產(chǎn)生大體積塊石；③致裂延時(shí)問(wèn)題：目前采取單排或雙排致裂施工，效率不高；④致裂臨空面及爆破方向：目前是垂直方向致裂施工，水平致裂易產(chǎn)生飛石，無(wú)足夠臨空面會(huì)導(dǎo)致致裂效果不佳。

圖3 致裂振動(dòng)速率現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集

圖4 二氧化碳?xì)怏w致裂試驗(yàn)效果

6.2 致裂工作面的現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)改進(jìn)優(yōu)化

液態(tài)二氧化碳相變致裂技術(shù)通過(guò)在本項(xiàng)目的實(shí)施應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)了影響或制約致裂效果的因素，如孔內(nèi)積水、巖層存在裂隙、致裂延時(shí)問(wèn)題及致裂臨空面和致裂方向等因素。前期在方案實(shí)施過(guò)程中，因受以上因素影響，導(dǎo)致致裂效果不理想。為使該致裂技術(shù)能更好地發(fā)揮致裂效果，達(dá)到降低成本、增強(qiáng)功效、提高效率的目的，在方案實(shí)施的后期要不斷對(duì)參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)調(diào)整。

(1)根據(jù)地勘資料顯示，本項(xiàng)目巖層地下水位較高、巖層裂隙發(fā)育，針對(duì)孔內(nèi)積水的鉆孔，在臨空面底部設(shè)置排水溝，采用高壓風(fēng)對(duì)鉆孔進(jìn)行沖洗，確保孔內(nèi)無(wú)積水；通過(guò)調(diào)整鉆孔間距或排距，在裂隙區(qū)域加密鉆孔布置，以保證達(dá)到致裂效果；

(2)針對(duì)致裂延時(shí)問(wèn)題，根據(jù)巖層結(jié)構(gòu)分布結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)工作面實(shí)際，調(diào)整鉆孔間距、排距及增加鉆孔深度(調(diào)整致裂管的長(zhǎng)度及管徑)，采用多排延時(shí)致裂(排間設(shè)置延時(shí)器起爆)，以提高爆破質(zhì)量和工作效率；

參照文獻(xiàn)[7]中的實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，利用防火墻將典型企業(yè)網(wǎng)絡(luò)隔離為允許外網(wǎng)直接訪問(wèn)的DMZ區(qū)和不允許外網(wǎng)直接訪問(wèn)的內(nèi)網(wǎng)辦公區(qū)，其中DMZ區(qū)部署1臺(tái)Web服務(wù)器，內(nèi)網(wǎng)辦公區(qū)部署1臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器和3臺(tái)辦公主機(jī)，允許Web服務(wù)器訪問(wèn)內(nèi)網(wǎng)辦公區(qū)的數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù).下面通過(guò)MATLAB仿真分析單、多脆弱性變換下，脆弱性數(shù)量、變換周期及變換空間與NDD有效性的關(guān)系.

(3)針對(duì)致裂臨空面及爆破方向問(wèn)題，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件適時(shí)調(diào)整鉆孔傾斜角度、鉆孔深度、間距等，以提高爆破質(zhì)量效果。

7 二氧化碳?xì)怏w致裂實(shí)施工藝

7.1 鉆孔布置

根據(jù)本項(xiàng)目地勘提供巖石性質(zhì)，致裂管長(zhǎng)度及裝約量，臨空面間距、臺(tái)階高度等分別布置，根據(jù)本工程裂隙分布特點(diǎn)，不同的巖石性質(zhì)，臺(tái)階布置不同，本項(xiàng)目選用的布孔方式為直列布孔方式。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際進(jìn)行局部調(diào)整。

7.2 鉆孔

鉆孔設(shè)備采用KY130型露天潛孔鉆機(jī)進(jìn)行施工，鉆孔深度4.5 m，各致裂孔底部誤差均，不得大于致裂孔深度的5%。巖面一般布設(shè)兩排孔，且呈梅花型布置，鉆孔孔徑為140 mm，致裂孔深度必須滿足技術(shù)及規(guī)范要求，對(duì)不合格的孔按規(guī)一律定進(jìn)行補(bǔ)鉆，直至達(dá)到要求。

7.3 氣體量控制

根據(jù)本項(xiàng)目特點(diǎn)，根據(jù)地勘資料查出不同巖石性質(zhì)，也根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)裂隙走向設(shè)置臺(tái)階高度，根據(jù)不同巖石硬度及致裂管孔徑及致裂管二氧化碳充裝數(shù)量布置臨空面間距、沿裂隙方向布置一條線，項(xiàng)目技術(shù)負(fù)責(zé)人與致裂廠家專(zhuān)業(yè)人員檢查。

7.4 成孔檢查

鉆孔成型后，裝致裂管前要對(duì)鉆孔進(jìn)行檢查，主要進(jìn)行二方面檢查：一是檢查鉆孔平面布置是否符合設(shè)計(jì)要求間排距等參數(shù)，二是檢查鉆孔深度、成孔質(zhì)量及完成后雜質(zhì)是否清理干凈。

7.5 致裂管吊裝及填充

成孔后現(xiàn)場(chǎng)采用挖掘機(jī)破碎頭吊裝入孔，然后向孔填內(nèi)填選好中粗砂作為填充物；致裂孔有水時(shí)要做排水后方可作業(yè)，如果孔內(nèi)水排不盡時(shí)采用水泥等膠凝材料參合物進(jìn)行固化?？變?nèi)填塞時(shí)要邊填塞邊用炮桿搗實(shí)，為了保證每個(gè)孔內(nèi)都填實(shí)要求，還輔助振動(dòng)器振動(dòng)致裂管。對(duì)填孔時(shí)造成致裂孔卡堵、填孔不實(shí)的現(xiàn)象，一旦出現(xiàn)致裂孔卡堵填塞不實(shí)的情況，采用挖掘機(jī)將其吊出，然后處理孔，再次吊裝，直至全部達(dá)到要求。

7.6 致裂管連接及防護(hù)

本項(xiàng)目巖石分布情況，采用2根φ30 mm鋼絲繩對(duì)所有致裂管進(jìn)行連接，確保致裂管處于整體狀態(tài)，每個(gè)致裂管端頭吊鉤用繩卡固定法與鋼絲繩連接，在啟爆時(shí)不會(huì)單個(gè)飛出，為了絕對(duì)安全，額外還用一條布帶(10T)把每個(gè)致裂管頭部再次連接起雙層保護(hù)作用，最后防啟爆飛石采用廢舊車(chē)胎編制而成炮被(規(guī)格2 m×2 m)對(duì)每一個(gè)孔覆蓋且用鐵絲與鋼絲繩綁扎，從而達(dá)到三層防護(hù)。

7.7 網(wǎng)絡(luò)聯(lián)結(jié)

網(wǎng)絡(luò)聯(lián)結(jié)由有經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)員操作，采取串聯(lián)方式(圖5)。

圖5 串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)示意

7.8 激發(fā)

將現(xiàn)場(chǎng)裝好所有致裂器用導(dǎo)線聯(lián)好，依次連接到激發(fā)器上，由專(zhuān)業(yè)人員將激發(fā)器移至安全位置，現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行警戒的，待人員全部撤離警戒區(qū)域即方可激發(fā)裂巖。

7.9 回收

將現(xiàn)場(chǎng)致裂完成后的致裂器運(yùn)到操作間，把致裂器放在拆裝臺(tái)；由專(zhuān)業(yè)人員按流程處理致裂器，首先將外形損傷的及時(shí)進(jìn)行修理，達(dá)到要求；由專(zhuān)業(yè)人員對(duì)致裂器進(jìn)行拆卸，將其內(nèi)部的殘?jiān)M(jìn)行清理，達(dá)到下次使用要求，最后全部放置陳列架上。

8 結(jié)語(yǔ)

本工程成功應(yīng)用二氧化碳致裂關(guān)鍵技術(shù)改進(jìn)相關(guān)參數(shù)，通過(guò)預(yù)先人為制造臨空面，然后在巖體上進(jìn)行鉆孔裂巖施工，使巖體致裂后通過(guò)機(jī)械輔助將其滑動(dòng)，運(yùn)出后再次形成臨空界面，繼續(xù)沿著裂巖后的臨空面方向鉆孔，進(jìn)行二氧化碳?xì)怏w致裂施工，逐漸循環(huán)直至開(kāi)挖邊線。這樣能高效快速地完成深基坑石方的開(kāi)挖。對(duì)類(lèi)似明挖基坑施工起到一定借鑒作用，同時(shí)也可促進(jìn)城市建設(shè)石方施工技術(shù)的安全，并滿足城市建設(shè)的綠色施工要求。