徐曉玲 XU Xiao-ling

（中鐵十四局集團(tuán)有限公司市政工程分公司，青島 266061）

0 引言

淮河西路（科大五號(hào)路至珠宋路）道路工程線路K2+000～K2+180段南側(cè)緊靠2016年完工的居民區(qū)，北側(cè)為舍埠林村。K2+640～K3+642段南側(cè)為黃埠嶺社區(qū)，北側(cè)為正友駕校及建筑物。周邊居民區(qū)密集，采取常規(guī)火工爆破工藝，對(duì)周邊居民影響較大，施工工藝由傳統(tǒng)的火藥爆破變更為二氧化碳致裂施工，可以減少施工引起的風(fēng)險(xiǎn)因素，減少對(duì)環(huán)境的污染，降低施工成本，對(duì)周邊社會(huì)的影響大大降低。

1 工程背景

道路里程K2+640～K3+642段存在大量石方路基，巖層主要為堅(jiān)硬的中風(fēng)化、低風(fēng)化花崗巖，最大挖方深度43.72m，該處挖方段距離小區(qū)（黃埠嶺社區(qū)）高層建筑物等距離最大為83m，最小為30m。

圖1 陰影處為二氧化碳預(yù)裂區(qū)域

2 二氧化碳預(yù)裂施工工藝

2.1 主要施工方案

通過充裝機(jī)將液態(tài)的二氧化碳充裝到致裂管內(nèi)，充裝速度1kg-4kg/分鐘，再放入激發(fā)管、破裂片、組合密封圈，把充氣頭和泄能頭擰緊，完成相關(guān)準(zhǔn)備工作。將致裂觸發(fā)器、致裂筒、電源線等設(shè)備運(yùn)輸?shù)阶鳂I(yè)場(chǎng)地，將致裂管插入已經(jīng)檢驗(yàn)合格的致裂鉆孔中，用砂石將致裂管周邊填埋密實(shí)，連接整個(gè)致裂網(wǎng)絡(luò)和起爆器電源。當(dāng)微電流通過激發(fā)管加熱，使液態(tài)的二氧化碳瞬間氣化，產(chǎn)生了大量的二氧化碳?xì)怏w，釋放出高壓氣體能量，急劇膨脹產(chǎn)生能量將泄壓閥沖擊開，二氧化碳?xì)怏w滲入巖石孔隙和縫隙中，巖石受到能量沖擊形成破裂面，達(dá)到破裂巖石的目的。

2.2 工藝流程

圖2 致裂施工工藝流程圖

2.3 布孔設(shè)計(jì)

根據(jù)巖體特性、巖石機(jī)理分部走向、施工范圍、臨空面距離等因素布置孔位，本工程選用直列并排布孔方式。

圖3 直列并排布孔方式示意圖

臨空面臺(tái)階高度：H=6m；

①超深：h=0.2m；

②孔深：L=6m。

2.4 鉆孔

本工程采用一臺(tái)雙動(dòng)力液壓挖改鉆機(jī)鉆孔，鉆孔前為修建鉆孔平臺(tái)，鉆機(jī)平臺(tái)大于6-8m，鉆孔孔徑為135mm，鉆孔深度6m。鉆孔前按照設(shè)計(jì)的孔位進(jìn)行放線，確保鉆孔位置準(zhǔn)確，鉆進(jìn)過程中保證孔位的垂直度，誤差小于致裂孔深度的5%。如出現(xiàn)致裂孔孔深不足、鉆孔間距差距太大時(shí)，要對(duì)相應(yīng)的孔位進(jìn)行補(bǔ)鉆，保證爆破效果。

2.5 二氧化碳計(jì)算與充裝

2.5.1 系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)

二氧化碳?xì)怏w致裂系統(tǒng)設(shè)備由二氧化碳致裂器、液態(tài)二氧化碳儲(chǔ)液罐、灌裝機(jī)、氣動(dòng)旋緊設(shè)備、5工位充裝身等構(gòu)成。每次致裂爆破后，更換激發(fā)管泄能器件和充裝二氧化碳?xì)怏w便可以循環(huán)重復(fù)使用。

2.5.2 充裝過程中注意事項(xiàng)

在充裝二氧化碳液體時(shí)，先提前觀察充裝罐的壓力表，當(dāng)壓力值超過0.8MPa時(shí)，可以直接充裝二氧化碳液體。否則，要先充裝二氧化碳?xì)怏w進(jìn)行增壓，使得壓力超過0.8MPa后才可以進(jìn)行二氧化碳液體充裝。

2.5.3 現(xiàn)場(chǎng)充裝操作說明

充裝作業(yè)開始前對(duì)設(shè)備進(jìn)行全面檢查，確保設(shè)備性能滿足使用要求，尤其要保證設(shè)備接地性能良好，各設(shè)備及周邊要保證干凈、整潔，充裝過程中停止周邊挖掘機(jī)破碎作業(yè)和鉆孔作業(yè)，防止作業(yè)過程中震動(dòng)影響液態(tài)二氧化碳充裝，造成液態(tài)二氧化碳泄漏造成作業(yè)人員出現(xiàn)傷亡事故。

①開機(jī)前，進(jìn)氣管端與液態(tài)氧化碳罐的[出液口]連接，另一端與二氧化碳充裝機(jī)的進(jìn)氣口相連；充氣管的兩端與出氣口、閥門相連。最后，將連接好的管路按照要求全方位檢查后，接通380V/220V電源。

②打開電源開關(guān)，注意，電源的設(shè)備參數(shù)出廠前已經(jīng)按照要求設(shè)置完畢，操作過程中嚴(yán)禁私自改動(dòng)參數(shù)。

③慢慢松開儲(chǔ)液罐的出液閥，二氧化碳液體因?yàn)閴毫︶尫藕笞兂蓺怏w，緩慢的流出，當(dāng)液態(tài)二氧化碳罐內(nèi)壓力與二氧化碳充裝機(jī)壓力一致時(shí)，將液態(tài)二氧化碳罐出液閥門完全打開，開始充裝工作。

④將組裝完畢二氧化碳致裂器放到五工位充裝臺(tái)上，二氧化碳致裂器充氣頭的進(jìn)氣孔與充裝臺(tái)臺(tái)的出氣嘴緊密連接，擰緊固定螺絲，每次最多可充5根二氧化碳致裂器。

⑤用六角扳手將二氧化碳致裂充氣頭上的進(jìn)氣孔閥頂計(jì)松開，將稱重器歸零。

⑥松開排氣閥，使其噴出的液態(tài)二氧化碳呈白霧狀，通過排出其他試驗(yàn)排氣閥的穩(wěn)定性和使用性，確認(rèn)適用性能后關(guān)閉排氣閥。

⑦洗管操作：松開五工位充裝臺(tái)上的3個(gè)閥門，1#閥門、2#閥門、3#閥門，使其持續(xù)噴出液態(tài)二氧化碳?xì)饣蟮撵F狀氣體，開啟二氧化碳致裂充裝機(jī)上啟動(dòng)鍵，將氣體二氧化碳灌入二氧化碳致裂器內(nèi)，充注到額定壓力值后，停止充注。關(guān)上1#閥門，打開2#閥門，排出致裂器內(nèi)的二氧化碳?xì)怏w，這樣就完成整個(gè)洗管過程，當(dāng)室溫低于20℃時(shí)可不用洗管，直接充裝。

⑧灌裝操作：松開五工位充裝臺(tái)上3個(gè)閥門，1#閥門、2#閥門、3#閥門，持續(xù)噴出二氧化碳液體氣化后霧狀氣體，然后關(guān)閉2#閥門，開始對(duì)二氧化碳致裂管進(jìn)行充裝，達(dá)到設(shè)定的額定壓力值時(shí)停下充注氣體，立即關(guān)上1#閥門，隨后用把充氣頭的進(jìn)氣閘閥關(guān)上并擰緊。打開2#閥，把多余的氣體排凈，擰開固定用的螺絲，拿下二氧化碳致裂管，完成了灌裝。

表1 依據(jù)致裂設(shè)備提供數(shù)據(jù)參數(shù)表

根據(jù)巖體特性、成孔深度、成孔孔徑等因素，分別計(jì)算每孔致裂管二氧化碳液體充裝重量，根據(jù)計(jì)算，每根108mm致裂管，最大充氣量為7kg，總重為98kg，充裝過程中額定壓力14MPa，最高壓力20MPa。現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行計(jì)算具體充裝重量，確保滿足爆破要求。

2.6 清孔

鉆孔成型后，使用提前準(zhǔn)備好的標(biāo)尺對(duì)孔深進(jìn)行檢測(cè)，孔深達(dá)到要求后及時(shí)對(duì)鉆孔進(jìn)行臨時(shí)封堵，防止周邊碎石等雜物落入孔內(nèi)。對(duì)于已經(jīng)落入孔中的石子，用長(zhǎng)柄鉗子將石子夾出，以免造成致裂管卡堵，影響致裂效果。

2.7 填塞

致裂孔填塞物可以選用打孔的孔渣、細(xì)沙石作為填塞物；致裂孔內(nèi)有積水時(shí)，要先排除積水再填塞作業(yè)。

填塞完成后現(xiàn)場(chǎng)負(fù)責(zé)人和工程技術(shù)人員對(duì)填塞效果進(jìn)行檢查，驗(yàn)收合格后才能開始致裂作業(yè)。

2.8 網(wǎng)絡(luò)連接

網(wǎng)絡(luò)連接采取串聯(lián)（并聯(lián)）方式。

合理分配導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的連接區(qū)域，在減少導(dǎo)電網(wǎng)路電阻值的同時(shí)。盡可能保持各線路的電流值、電阻值平衡，在網(wǎng)路連接后再次檢測(cè)導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的電阻值，把導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)實(shí)測(cè)電阻值和計(jì)算值電阻值進(jìn)行比對(duì)，如果電阻值差距較大，應(yīng)逐一排查線路，找出原因，排查故障后再次連接網(wǎng)絡(luò)，再次檢測(cè)電阻值，達(dá)到規(guī)定值后再進(jìn)行致裂作業(yè)，保證起爆效果。

圖4 網(wǎng)絡(luò)連接示意圖

2.9 安全驗(yàn)算

2.9.1 致裂振動(dòng)計(jì)算

根據(jù)《爆破安全規(guī)程》（GB6722-2019）的要求，采取主振頻率和質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度指標(biāo)作為致裂振動(dòng)判定依據(jù)，按照規(guī)范理論上驗(yàn)算振動(dòng)。致裂振動(dòng)安全允許標(biāo)準(zhǔn)范圍如表2所示。

表2 致裂振動(dòng)安全允許標(biāo)準(zhǔn)

致裂振動(dòng)監(jiān)測(cè)應(yīng)同時(shí)測(cè)定質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)相互垂直的三個(gè)分量。

注：表中質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速皮為三個(gè)分量中的最大值，振動(dòng)頻率為主振率。

注2：頻率范圖根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)波形確定成按如下數(shù)據(jù)選?。菏抑铝裦小于20z；露天深孔致裂f在10Hz-60Hz之間；露天淺孔致裂f在40Hz-100Hz之間；地下深孔致裂f在30Hz-100Hz之間；地下淺孔致裂f在60Hz-300Hz之間。

石方爆破作業(yè)周邊是居民小區(qū)，根據(jù)作業(yè)安全規(guī)程要求，一般民用建筑物a安全允許振速V=2.0cm/s-2.5cm/s，露天淺孔致裂f在40Hz-100Hz，擬選取V=2.2cm/s作為安全允許振速標(biāo)準(zhǔn)。

道路線路走向與社區(qū)方向不平行，按照震源最近點(diǎn)30m距離，與需社區(qū)間的間距作為計(jì)算依據(jù)，依據(jù)《爆破安全規(guī)程》計(jì)算公式，計(jì)算出致裂允許的最大起爆量。根據(jù)廠家提供108#二氧化碳的測(cè)量結(jié)果，按照致裂區(qū)域與社區(qū)之間的最短距離30m計(jì)算安全允許振速，具體驗(yàn)算如下：

根據(jù)公式：

式中：V——振動(dòng)速度cm/s；

K——CO2耗量系數(shù)，取10孔共計(jì)37；

R——現(xiàn)場(chǎng)最近的居民樓（R=30 m）；

Q——最大裝液量6.8kg；

a——與致裂點(diǎn)地質(zhì)、地形等條件有關(guān)的衰減指數(shù)取1.4。

計(jì)算結(jié)果：V=k（Q1/3/R）a=0.77cm/s

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，將震動(dòng)速度控制在2.2cm/s之內(nèi)，不會(huì)對(duì)30m以外的居民社區(qū)造成影響。

2.9.2 致裂飛石安全距離的確定

致裂后，拋擲的石子的距離與致裂位置、巖石的硬度等因素有關(guān)，依據(jù)以下公式計(jì)算：R=20Kn2W

R——飛石安全距離（m）；

K——與巖石性質(zhì)、地形、地質(zhì)、氣候有關(guān)的系數(shù)，一般取0.1-1.5；迎風(fēng)向取最大值，背風(fēng)向取最小值；

n——最大一個(gè)CO2的致裂作用指數(shù)，取0.83；

W——最大一個(gè)CO2的最小抵抗線，取1.5（m）。

按照迎風(fēng)向最大值1.5得出的安全距離為R=20Kn2W=31m，按照背風(fēng)向最大值0.1得出的安全距離為R=20Kn2W=2.1m。

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際致裂施工過程中，盡量避免在有風(fēng)的天氣進(jìn)行致裂作業(yè)。如確實(shí)需要作業(yè)，在作業(yè)過程中采取安全保護(hù)措施，防止飛石對(duì)社區(qū)及人員、設(shè)備造成影響?？梢栽谥铝芽醉敳咳陷^軟的毛氈，再覆蓋橡膠炮已加強(qiáng)防護(hù)，控制飛石的拋擲距離。

2.10 警戒

致裂準(zhǔn)備工作全部完畢，人員、各類機(jī)械設(shè)備均撤至警戒區(qū)，對(duì)致裂作業(yè)區(qū)域進(jìn)行安全警戒。以致裂作業(yè)區(qū)域?yàn)橹行?，在線路兩側(cè)、靠近居民區(qū)位置40m處范圍設(shè)置安全警戒，警戒人員要穿著明顯安全標(biāo)志，防止致裂過程中周邊居民進(jìn)入致裂現(xiàn)場(chǎng)。

2.11 致裂

采用高能脈沖式起爆。各項(xiàng)工作做完之后，派由現(xiàn)場(chǎng)負(fù)責(zé)人、技術(shù)人員和安全管理人員共同檢查網(wǎng)絡(luò)情況。起爆前，首先檢查起爆器、網(wǎng)絡(luò)電阻值、電壓值是否達(dá)到起爆要求，檢查合格后，將主線與起爆器連接，等待起爆命令?，F(xiàn)場(chǎng)致裂負(fù)責(zé)人組織作業(yè)人員、機(jī)械設(shè)備、相關(guān)物資撤離至警戒線意外，得到可以爆破的指令后再起爆。

2.12 解除警戒

致裂完成10分鐘后，由現(xiàn)場(chǎng)相關(guān)管理人員共同對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行核查，確認(rèn)無危險(xiǎn)后解除安全警戒，允許其他作業(yè)人員、設(shè)備進(jìn)場(chǎng)開始后續(xù)作業(yè)。

3 結(jié)束語

采用二氧化碳預(yù)裂爆破技術(shù)對(duì)周圍環(huán)境不會(huì)產(chǎn)生破壞，不產(chǎn)生有毒有害氣體，降低了對(duì)環(huán)境的污染和對(duì)施工人員身體健康的影響。該爆破技術(shù)屬于物理膨脹技術(shù)，做工過程短暫、無明火、震動(dòng)、煙塵、沖擊波，對(duì)周邊居民區(qū)和建筑物影響較少，利于市區(qū)內(nèi)土石方作業(yè)。同時(shí)二氧化碳系統(tǒng)便于充灌、可重復(fù)使用，施工成本遠(yuǎn)低于靜態(tài)爆破成本。