丁海龍，劉典忠，婁旭峰，王樹(shù)生

(中國(guó)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(kāi)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(shí)，體積急劇膨脹而產(chǎn)生高壓，致使巖體破碎或開(kāi)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?xì)怏w為零度左右，爆破不產(chǎn)生沖擊波、無(wú)明火，無(wú)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(qiáng)、產(chǎn)生振動(dòng)小、噪音弱，對(duì)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(duì)較低，在石方明挖應(yīng)用中對(duì)巖石強(qiáng)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(chǎng)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(kù)工程位于西藏4000m的高海拔寒冷地區(qū)，石方開(kāi)挖主要包含放空輸水洞、改線路、溢洪道等項(xiàng)目，洞挖長(zhǎng)度130m，為2.8m×5.0m的城門(mén)洞形，石方開(kāi)挖總量約35萬(wàn)m3，地層為宋熱組第二段(T3s2)中薄層長(zhǎng)石石英砂巖夾粉砂質(zhì)板巖，表層為強(qiáng)～弱風(fēng)化巖體，為Ⅲ～Ⅴ類(lèi)圍巖，其中Ⅲ類(lèi)圍巖較為完整，巖體堅(jiān)硬，Ⅳ、Ⅴ類(lèi)裂隙發(fā)育，巖體較破碎。由于工程地理位置特殊，距機(jī)場(chǎng)較近，屬于重點(diǎn)安全管理區(qū)域，施工現(xiàn)場(chǎng)周邊不具備修建火工產(chǎn)品庫(kù)的條件，導(dǎo)致火工產(chǎn)品在采購(gòu)、運(yùn)輸以及批準(zhǔn)使用等方面極為困難，對(duì)工期影響大，花費(fèi)成本高，加上庫(kù)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(jìn)行石方開(kāi)挖，施工安全保障難度大。

通過(guò)多方調(diào)研，二氧化碳致裂技術(shù)在國(guó)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(kāi)挖方面應(yīng)用較多，在隧洞工程方面應(yīng)用較少，且并無(wú)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(zhuān)業(yè)人員咨詢，針對(duì)在高海拔寒冷地區(qū)應(yīng)用二氧化碳致裂技術(shù)進(jìn)行邊坡和隧洞石方開(kāi)挖，組織開(kāi)展了現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)性試驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證了開(kāi)挖效果和適用于高海拔地區(qū)的開(kāi)挖參數(shù)，最終確定采用該項(xiàng)技術(shù)來(lái)完成本工程邊坡和隧洞石方開(kāi)挖，更有利于促進(jìn)工程順利實(shí)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(jī)、旋緊機(jī)、空壓機(jī)、致裂器、低溫儲(chǔ)氣罐及啟動(dòng)器。致裂器由泄能器、安全片、儲(chǔ)液罐、發(fā)熱裝置、充裝閥組成，在生產(chǎn)廠家購(gòu)買(mǎi)成品致裂爆破管到現(xiàn)場(chǎng)后充裝使用，致裂器見(jiàn)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(hào)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(dá)90kg，充裝最大壓力為10MPa。邊坡石方開(kāi)挖布孔間距為3m，深度根據(jù)爆破需求不同進(jìn)行選擇，一般為3m～6m；隧洞開(kāi)挖根據(jù)圍巖類(lèi)別、開(kāi)挖斷面不同而進(jìn)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(chǎng)生產(chǎn)性試驗(yàn)確定，且應(yīng)根據(jù)圍巖類(lèi)別進(jìn)行調(diào)整。

3.2 二氧化碳致裂原理

二氧化碳?xì)怏w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(diǎn)火器及電源線攜至致裂破碎現(xiàn)場(chǎng)，把致裂破碎筒插入鉆孔中固定好，連接點(diǎn)火器電源。當(dāng)微電流通過(guò)高導(dǎo)熱棒時(shí)，產(chǎn)生800℃～1000℃高溫，擊穿安全膜，瞬間將液態(tài)二氧化碳?xì)饣?，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(dòng)打開(kāi)，被致裂破碎物品或堆積物受幾何級(jí)當(dāng)量沖擊波向外迅猛推進(jìn)，從點(diǎn)火至結(jié)束整個(gè)過(guò)程只需0.4ms，瞬間釋放高壓氣體斷裂和松動(dòng)巖石。由于是低溫下運(yùn)行，與周?chē)h(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(shí)對(duì)瓦斯具有稀釋作用，無(wú)震蕩，無(wú)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(guò)程就是體積膨脹的過(guò)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(diǎn)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(jī)、哈邁鉆機(jī)等設(shè)備進(jìn)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(shí)一律按規(guī)定進(jìn)行補(bǔ)鉆。

(1)操作手應(yīng)掌握鉆機(jī)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(xiàng)，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(kāi)口時(shí)對(duì)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(kāi)孔。當(dāng)鉆頭進(jìn)孔后，逐漸加大風(fēng)量至全風(fēng)全壓快速鑿巖狀態(tài)。對(duì)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(guò)高，防止損壞鉆頭，對(duì)于軟巖，應(yīng)送全風(fēng)加半壓，每進(jìn)尺1.0m～1.5m提鉆吹孔一次，防止孔底積渣過(guò)多而卡孔。

(3)對(duì)于孔口巖石不穩(wěn)固狀態(tài)，應(yīng)在鉆孔過(guò)程中，采用泥漿護(hù)壁。泥漿護(hù)壁的操作程序?yàn)椋褐铝芽足@鑿2m～3m，在孔口堆放一定量的含水粘黃泥，用鉆桿上下移動(dòng)，將黃泥代入孔內(nèi)并浸入破碎巖縫內(nèi)。

當(dāng)不考慮對(duì)邊坡的影響、且邊孔無(wú)側(cè)向臨空時(shí)，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(yàn)收與保護(hù)

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(shí)不能施工；

④在驗(yàn)收過(guò)程中發(fā)現(xiàn)堵孔、深度不夠，應(yīng)及時(shí)補(bǔ)鉆；

⑤每個(gè)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(jìn)入致裂孔；

⑥孔口的巖石清理干凈，防止掉入孔內(nèi)；

⑦一個(gè)致裂區(qū)鉆孔完成后盡快實(shí)施致裂。

3.3.2.2 二氧化碳充裝

(1)根據(jù)二氧化碳?xì)怏w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(jìn)行，室內(nèi)充裝應(yīng)保持通風(fēng)良好，檢查連接管有無(wú)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(jìn)新鮮空氣降低CO2濃度，直到達(dá)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(chǔ)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(jìn)氣球閥、卸荷球閥、進(jìn)管球閥、充氣閥都是打開(kāi)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(gè)致裂器的充氣閥、進(jìn)氣球閥。打開(kāi)卸荷球閥，將管路的壓力卸到5MPa以內(nèi)，關(guān)閉總進(jìn)氣球閥。打開(kāi)每路的進(jìn)氣球閥保證路管內(nèi)沒(méi)有壓力后，再松開(kāi)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(zhǎng)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(xì)石粉，并將其堆放在致裂孔周?chē)?。將填塞材料慢慢放入致裂孔?nèi)，同時(shí)敲擊外露提升桿部位，便于填塞材料下沉壓實(shí)。亦可采用手持振動(dòng)棒振動(dòng)，提高填塞效率。

(3)填塞作業(yè)注意事項(xiàng)

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(shí)，在填塞過(guò)程中容易形成泥漿或懸空，使致裂器周?chē)鸁o(wú)法填塞密實(shí)，致裂效果不好，甚至造成致裂器從空中飛出；

③填塞過(guò)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(lái)，控制個(gè)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(gè)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(gè)導(dǎo)電網(wǎng)路的電阻值，分區(qū)時(shí)要注意各個(gè)支路的電阻平衡，保證每個(gè)致裂器獲得相同的電流值。在網(wǎng)路連接過(guò)程中，應(yīng)利用電工用萬(wàn)用表檢測(cè)網(wǎng)路電阻，網(wǎng)路連接完畢后，必須對(duì)網(wǎng)絡(luò)所測(cè)電阻值與計(jì)算值進(jìn)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(diǎn)火

二氧化碳致裂法開(kāi)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(diǎn)火器點(diǎn)火。點(diǎn)火前，首先檢查點(diǎn)火器是否完好正常，點(diǎn)火器應(yīng)及時(shí)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(duì)網(wǎng)路電阻進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)警戒完成后，再次測(cè)量網(wǎng)路電阻值，確定正常后，才能將主線與點(diǎn)火器連接，然后等待點(diǎn)火命令；巖石致裂破碎后，及時(shí)切斷電源，將主線與點(diǎn)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(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)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(hào)和允許其他人員進(jìn)入施工現(xiàn)場(chǎng)。致裂破碎后檢查內(nèi)容包括：

(1)破碎堆是否穩(wěn)定，有無(wú)危坡、危石；

(2)有無(wú)危險(xiǎn)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(hù)對(duì)象是否安全；

(4)隧洞施工中，爆破后應(yīng)進(jìn)行有害氣體檢測(cè)。

3.3.2.8 提管

(1)提管過(guò)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(duì)巖石進(jìn)行二次破碎。

(3)將致裂管收回，進(jìn)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(huì)產(chǎn)生一定數(shù)量的大塊巖石，可采用機(jī)械破碎法對(duì)存在的大塊巖石進(jìn)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(jī)、液壓破碎錘等進(jìn)行沖擊開(kāi)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(xiàng)

(1)二氧化碳致裂破碎必須創(chuàng)造一個(gè)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(kāi)挖，制造一個(gè)倒懸臨空面，有利于增強(qiáng)致裂效果和延長(zhǎng)開(kāi)挖進(jìn)尺，且在不同圍巖段應(yīng)通過(guò)試驗(yàn)選擇匹配的參數(shù)進(jìn)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(guò)致裂破碎效果檢驗(yàn)，實(shí)時(shí)調(diào)整炮孔參數(shù)。

(5)禁止在雷雨天氣實(shí)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(shí)一定要派出警戒人員，防止個(gè)別飛石對(duì)人員及車(chē)輛造成傷害。

(8)邊坡開(kāi)挖為防止飛石，可在開(kāi)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(diǎn)，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(chǎng)開(kāi)展了針對(duì)高海拔地區(qū)邊坡和隧洞石方開(kāi)挖的生產(chǎn)性試驗(yàn)，選擇了適宜的施工參數(shù)，分別進(jìn)行了邊坡石方開(kāi)挖和隧洞石方洞挖施工。根據(jù)開(kāi)挖效果分析，在高海拔地區(qū)采用二氧化碳致裂法石方開(kāi)挖，邊坡石方開(kāi)挖、石方槽挖應(yīng)用效果明顯，隧洞開(kāi)挖受空間限制，不同圍巖類(lèi)別爆破效果不同，圍巖越硬致裂效果越差，Ⅴ類(lèi)圍巖開(kāi)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(gè)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(jī)將液體二氧化碳以高壓充入致裂器內(nèi)，以達(dá)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(dá)到致裂效果和能量，而高海拔地區(qū)氣體充裝壓力要達(dá)到10MPa，且致裂效果和能量比內(nèi)地要小得多，分析只能達(dá)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(yuǎn)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(dá)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(dá)到10MPa后，壓力較大，滲漏也就較大，甚至出現(xiàn)因充裝時(shí)間長(zhǎng)氣體泄漏大，同樣出現(xiàn)啞炮的問(wèn)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(duì)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(wèn)題。

鑒于上述差異問(wèn)題，實(shí)施中及時(shí)與廠家溝通，通過(guò)提高二氧化碳爆破管加工焊制質(zhì)量，現(xiàn)場(chǎng)不能爆破的管子返廠維修，現(xiàn)場(chǎng)即充即用以及針對(duì)不同圍巖類(lèi)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(dá)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(yuǎn)比應(yīng)用靜態(tài)膨脹破碎劑和用破碎錘開(kāi)挖法的效果明顯。

5 社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益

高海拔地區(qū)石方開(kāi)挖采用二氧化碳致裂技術(shù)在本水庫(kù)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(dòng)工程總工期提前了5個(gè)月之久，產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益達(dá)到了260余萬(wàn)元。同時(shí)該項(xiàng)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(wèn)題，提高成墻效率和施工質(zhì)量，施工效果良好。

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)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(dá)到內(nèi)地施工效率的85%，但相對(duì)其他爆破法開(kāi)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(yùn)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(kāi)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(jià)值，值得類(lèi)似工程借鑒。