廖建東

(中鐵隆工程集團(tuán)有限公司， 四川成都 610045)

CO2爆破致裂技術(shù)，起源于美國，最初主要是用于高瓦斯礦井，使之代替炸藥，避免引起瓦斯爆炸。該技術(shù)20世紀(jì)90年代引入我國，經(jīng)過若干年實(shí)踐，已趨于成熟。近年來，CO2爆破致裂效果得到了越來越多民爆企業(yè)的認(rèn)可，推廣速度較快，目前已開始應(yīng)用于巖石爆破領(lǐng)域。

城市軌道交通工程車站建設(shè)項(xiàng)目，絕大多數(shù)地處城市人群集中區(qū)域，周邊環(huán)境相當(dāng)復(fù)雜，車站附近建(構(gòu))筑物密集、各類管線縱橫交錯(cuò)、人民群眾對(duì)噪聲和粉塵污染防治要求嚴(yán)格等。對(duì)處于硬巖區(qū)域的車站基坑開挖，既要滿足基坑開挖施工要求，又要確保周邊地下管線、建(構(gòu))筑物的安全，還要將噪聲和粉塵濃度控制在可接受范圍之內(nèi)，這是施工單位普遍面臨的難題。針對(duì)上述問題，傳統(tǒng)的開挖方式有大型機(jī)械破碎、靜態(tài)爆破及液壓擴(kuò)張器致裂等方法，但這些方法普遍存在施工效率低、作業(yè)成本高、文明施工難以保證等缺點(diǎn)。

本文以大連地鐵5號(hào)線山花街站為例，對(duì)CO2爆破致裂技術(shù)應(yīng)用于密集建筑區(qū)域硬巖基坑開挖工程進(jìn)行研究分析，總結(jié)出相應(yīng)成果，希望為類似工程提供參考借鑒。

1 工程概況

大連地鐵5號(hào)線山花街站，位于大連市甘井子區(qū)甘北路與甘井子路交叉口東北側(cè)光明健康廣場(chǎng)下方，為單柱雙跨框架結(jié)構(gòu)(局部為雙柱三跨)，采用明挖法施工。車站為地下2層島式車站，站臺(tái)寬度11m，車站長(zhǎng)度203.4m，標(biāo)準(zhǔn)段寬度19.7m，基坑開挖深度最大達(dá)22.6m，車站設(shè)置4個(gè)出入口、2組風(fēng)亭。

車站站位地質(zhì)情況主要以中風(fēng)化白云巖為主，單軸飽和抗壓強(qiáng)度55～75MPa，屬中硬巖石，開挖難度大。周邊分布9棟地上2～7層磚混住宅，距基坑邊緣3.4～17.5m。車站四周有9類管線共計(jì)64根，多為老管線，歷史久遠(yuǎn)且錯(cuò)綜復(fù)雜。

2 CO2爆破致裂技術(shù)

2.1 CO2爆破致裂器工作原理

二氧化碳相變致裂屬于物理致裂過程，氣態(tài)的CO2在一定的高壓下會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)，通過高壓灌裝設(shè)備將液態(tài)CO2灌裝在特定管狀容器內(nèi)，同時(shí)在容器下部安裝定壓剪切片，上部安裝發(fā)熱裝置及密封圈形成致裂器。

現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)時(shí)，采用低壓起爆器產(chǎn)生的微電流激發(fā)致裂器內(nèi)部的發(fā)熱裝置，致裂器內(nèi)高壓液態(tài)CO2通過加熱，使其壓力急劇增至20～60MPa，高壓液態(tài)CO2沖破下部定壓剪切片后迅速轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)，體積瞬間增大到原體積的600多倍。體積膨脹后瞬間產(chǎn)生的膨脹力使致裂器周邊硬巖開裂，達(dá)到巖石致裂的目的。CO2相變致裂器工作結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 CO2相變致裂器結(jié)構(gòu)示意

2.2 基坑開挖工作原理及工藝流程

首先，在基坑內(nèi)開挖出具備臨空面的工作區(qū)，利用潛孔鉆機(jī)在工作區(qū)內(nèi)按設(shè)計(jì)孔間距成孔；其次，人工安裝CO2致裂器，起爆后利用CO2物理特性將工作面巖石沖擊開裂；最后，采用大型破碎錘將開裂的巖石破碎并取出致裂器。將基坑劃分為多個(gè)工作面，采取流水施工以提高施工進(jìn)度，致裂器取出后送至加工車間進(jìn)行修復(fù)和填充液態(tài)CO2后繼續(xù)多次使用。施工工藝流程見圖2。

圖2 CO2相變致裂器結(jié)構(gòu)示意

3 CO2爆破致裂開挖操作要點(diǎn)

3.1 施工前準(zhǔn)備

3.1.1 致裂器準(zhǔn)備

基坑開挖前，在后臺(tái)車間將致裂器配件及各類設(shè)備進(jìn)行保養(yǎng)檢查，根據(jù)施工方案要求配備足夠數(shù)量的致裂器及配件，達(dá)到在施工現(xiàn)場(chǎng)具備致裂條件后能立即將致裂器運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)并形成回收、維修、灌裝、運(yùn)輸?shù)哪芰?致裂器維修、灌裝、運(yùn)輸，一般由專業(yè)爆破公司負(fù)責(zé))。

3.1.2 現(xiàn)場(chǎng)施工準(zhǔn)備

車站圍護(hù)結(jié)構(gòu)和支撐體系施作完成并達(dá)到開挖條件后，按照“豎向分層、縱向分段”的開挖原則將基坑劃分成若干個(gè)工作面，一般豎向每層開挖深度2.5m，縱向每段長(zhǎng)度25m，寬度與基坑寬度相同，形成爆破致裂所需的臨空面，同時(shí)也保證了每個(gè)作業(yè)面有足夠空間放置致裂設(shè)備、破碎設(shè)備，便于形成流水施工，提高作業(yè)效率。

3.2 機(jī)械鉆孔

采用自行式履帶潛孔鉆機(jī)鉆孔，孔徑φ115mm?？组g距1.5m×1.2m，梅花形布置?？咨畋戎铝哑魃?.2m(可根據(jù)基坑巖層本身特性和致裂器長(zhǎng)度進(jìn)行參數(shù)調(diào)整)，基坑最外圈的孔距離兩側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)0.3m，各個(gè)鉆孔應(yīng)保證適當(dāng)?shù)拇怪倍?。鉆孔過程中，遇到巖石內(nèi)部裂縫節(jié)理發(fā)育而引起個(gè)別鉆孔串孔的情況時(shí)，須正確記錄孔位編號(hào)，采用碎石及粘性材料對(duì)串孔鉆孔進(jìn)行封堵，封堵完成后在原鉆孔附近重新鉆孔。

3.3 安裝CO2致裂器

采用帶鉛錘的測(cè)繩測(cè)量孔深，務(wù)必保證孔口至孔底深度比致裂器短20cm左右，使致裂器頂端外露，便于爆破后拔出。致裂器由后臺(tái)加工廠灌裝后運(yùn)輸至施工現(xiàn)場(chǎng)，用龍門吊或汽車吊將致裂器吊裝至爆破作業(yè)區(qū)域，再采用人工搬運(yùn)并將致裂器逐根安放在鉆好后的鉆孔內(nèi)。致裂器安裝見圖3。

圖3 人工安裝CO2致裂器

3.4 瓜子石填塞封孔

為保證致裂效果，防止爆破時(shí)飛管，需用直徑小于5mm的瓜子石填塞致裂器與孔壁間空隙。在填塞瓜子石的同時(shí)，采用振搗器不斷振動(dòng)致裂器鋼管，以增大致裂器鋼管與孔壁摩擦力，達(dá)到填塞密實(shí)的目的。填塞封孔見圖4、圖5。

圖4 致裂器與孔壁空隙填塞瓜子石

圖5 振搗器振動(dòng)致裂器

3.5 連線、鎖管

用導(dǎo)線將致裂器逐一連接，確認(rèn)回路通暢后接入起爆器。為防止個(gè)別致裂器因安裝不牢而于爆破后飛出，采用φ28mm鋼絲繩將所有致裂器串聯(lián)起來，并在鋼絲繩與致裂器交點(diǎn)處安放橡膠護(hù)墊，避免鋼絲繩斷裂。致裂器連線、鎖管見圖6、圖7。

圖6 致裂器連線

圖7 鋼絲繩鎖管

3.6 安全防護(hù)

CO2致裂器引爆后，雖能保證振動(dòng)可控，但受CO2物理特性影響，個(gè)別孔內(nèi)致裂器受各種因素影響會(huì)出現(xiàn)豎向反力，導(dǎo)致致裂器鋼管向上飛出。針對(duì)密集建筑區(qū)域硬巖基坑開挖，尤其是人員車輛密集之處，應(yīng)特別注意飛管防護(hù)，做到百分之百安全。施工時(shí)采用帶支腿的鋼板罩遮住爆破區(qū)域，鋼板間隙及鋼板四周縫隙用膠皮炮被作覆蓋防護(hù)，必要時(shí)可在鋼板上增加配重防止飛石。安全防護(hù)見圖8。

圖8 鋼板罩安全防護(hù)

3.7 起爆

做好安全防護(hù)后，按照國家相關(guān)規(guī)定進(jìn)行警戒，對(duì)工作面周邊50m范圍內(nèi)的外部車輛、人員暫時(shí)禁行，基坑內(nèi)所有人員設(shè)備疏散至安全地點(diǎn)后方可進(jìn)行起爆作業(yè)。在確認(rèn)所有致裂器連接導(dǎo)線通暢后，采用智能云安全起爆器對(duì)致裂器進(jìn)行起爆。爆破效果見圖9。

圖9 CO2爆破致裂效果

3.8 機(jī)械破碎

爆破完成后，移開防護(hù)鋼板，觀察致裂效果。針對(duì)大塊巖石，用破碎錘進(jìn)行破碎，破碎程度符合渣土運(yùn)輸條件即可。同時(shí)將致裂器逐個(gè)拔出，需要注意的是，拔出致裂器鋼管時(shí)要垂直上拔，避免斜拔、野蠻操作，以免損壞致裂器。

3.9 致裂器回收

將現(xiàn)場(chǎng)拔出的致裂器送至維修灌裝車間，經(jīng)過維修、灌裝液態(tài)CO2后重復(fù)使用。

3.10 分段、分層開挖

第一段爆破完成后，利用形成的新的臨空面，實(shí)施后續(xù)爆破開挖，按照“分段、分層，多工作面流水”的原則將基坑開挖完成。

4 工程應(yīng)用

4.1 應(yīng)用情況

該技術(shù)于2018年3月起應(yīng)用于大連地鐵5號(hào)線山花街站，施工期間，通過連續(xù)監(jiān)測(cè)，各類管線的沉降值均滿足規(guī)范要求，周邊建筑物未出現(xiàn)開裂破損情況，也未發(fā)生人員傷亡事故，受到了業(yè)主及監(jiān)管單位的高度評(píng)價(jià)和廣泛贊譽(yù)。

4.2 技術(shù)經(jīng)濟(jì)對(duì)比

與傳統(tǒng)機(jī)械開挖方式相比，采用CO2爆破致裂技術(shù)進(jìn)行密集建筑區(qū)域硬巖基坑開挖，具有以下優(yōu)勢(shì)：

(1)成本節(jié)約。機(jī)械開挖的單價(jià)約為165元/m3，CO2爆破致裂開挖的單價(jià)約為85元/m3，可節(jié)省80元/m3。

(2)工期縮短。機(jī)械開挖的工效約為100m3/d，CO2爆破致裂開挖的工效約為250m3/d，開挖速度可提高1.5倍。

(3)安全可控。CO2爆破振動(dòng)較小，加之安全防護(hù)到位，對(duì)管線沉降、建筑物變形以及開挖本身安全，都能達(dá)到很好的控制效果。

5 結(jié)束語

本文針對(duì)大連地鐵5號(hào)線山花街站深基坑開挖所進(jìn)行的工藝創(chuàng)新，不斷進(jìn)行總結(jié)歸納，提煉出“密集建筑區(qū)域硬巖基坑CO2爆破致裂開挖”施工技術(shù)，可作為類似工程的參考。