地鐵車站二氧化碳相變致裂法施工的動力響應分析*

王 莉 張 力 孫禮超 殷小桃 張 壯

（1.中電建路橋集團有限公司，100048，北京；2.北京科技大學金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室，100083，北京；3.烏魯木齊城市軌道集團有限公司，830026，烏魯木齊∥第一作者，工程師）

近年來，隨著破巖技術的不斷革新和發展，一些新型的非炸藥破巖技術在國內外得到推廣使用。美國的AIRDOX公司早在1938年便開始研究高壓氣體爆破破煤技術，并研制了CO2爆破筒。隨后，英國、挪威等國也開始研究CO2爆破技術，并將其運用在高瓦斯礦井的采煤工作面，代替常規煤礦炸藥進行采煤作業［1-2］。我國近年來也研制了各型CO2致裂產品，并且在煤礦領域廣泛運用。文獻［3］和文獻［4］分別研究了CO2爆破技術在煤礦巷道掘進和回采工作面落礦的運用，爆破效果良好、安全性高；文獻［5-7］對CO2致裂在煤礦瓦斯增透方面的運用進行了研究；文獻［8-10］通過研究和試驗將CO2相變能進行TNT當量的轉化，為煤礦確定合理的裝藥量和布孔參數等提供指導。

目前對CO2相變致裂爆破技術的介紹或研究大都集中在煤礦領域，多數的工程運用也都是通過以往施工案例和類似工程進行設備的選型和使用，而針對CO2致裂爆破在地鐵隧道等市政交通工程領域的研究分析罕見。本文主要介紹CO2相變致裂爆破在地鐵隧道施工中的運用，研究分析其原理，通過能量轉化估算其致裂爆破的TNT當量，并對使用PBA（洞樁法）施工的烏魯木齊地鐵1號線王家梁站小導洞開挖進行數值模擬，將爆破振動和爆破效果與現場實際施工監測數據進行對比，對爆破風險源進行安全預測，同時為實際施工提供技術建議。

1 CO2相變致裂法簡介

CO2相變致裂法作為一種新型非炸藥破巖技術，其原理是：液態CO2吸熱汽化膨脹，壓力急速上升，致裂管達到目標壓力后瞬間釋放高壓氣體對巖體進行致裂爆破，從而達到破巖的目的。圖1為CO2致裂器結構示意圖。

圖11 CCOO22致裂器結構示意圖

CO2致裂法具有安全、環保、可控、無污染等優點，在地鐵隧道等市政施工中有很好的運用前景。

文獻［8］和文獻［10］通過研究和試驗，總結了液態CO2相變致裂的爆炸能計算公式，為其轉化為TNT當量的計算提供了公式依據。

式中：

Eg——氣體的爆破能量，kJ；

P——容器內氣體的絕對壓力，MPa；

V——容器的容積，m3；

K——氣體絕熱指數，CO2取1.295。

式中：

WTNT——CO2相變致裂裝置的近似TNT當量；

QTNT——1 kg TNT爆炸能，取4 250 kJ/kg。

2 CO2致裂法的工程運用

本文以新疆烏魯木齊地鐵1號線王家梁站工程為實例，分析CO2致裂法的在地鐵工程中的運用。王家梁站為中間站，車站主體結構總長為232.2 m，寬為20.1 m。車站主體采用暗挖PBA施工，車站標準段采用箱型框架結構。車站地表分布有廣泛雜填土及人工素填土，填土下方主要由侏羅系泥巖、砂巖構成。侏羅系泥巖呈層狀分布，是車站的主要基巖，其中：強風化泥巖屬極軟巖，修正后圍巖等級Ⅵ級；中風化泥巖屬極軟巖，修正后圍巖等級Ⅴ級。本研究未考慮地下水影響。綜合考慮施工環境和施工條件等因素，決定采用CO2致裂爆破法對王家梁站小導洞進行開挖掘進。

小導洞挖開過程中主要考慮的風險源是位于地鐵車站正上方的BRT（快速公交）車站（見圖2 a））和兩根分別埋深2.98 m、1.22 m的排水管（見圖2 b））。BRT車站為承載能力較差的玻璃幕墻結構，排水管則正好穿過車站主體。如果爆破振動超過安全值，BRT車站幕墻易破裂損壞，排水管線會變形滲漏。

圖2 王家梁車站與風險源的相對位置關系圖

3 CO2相變致裂的數值模擬

3.1 模型的建立

建模過程中保持小導洞上部邊界到地表的距離與實際距離一致。將小導洞底部至模型底部的距離設置為小導洞高度的3倍，將小導洞2個邊緣到模型邊界的距離設置為隧道寬度的3倍，以便減少邊界效應。因此，模型的尺寸為50 m×48 m×3 m。將模型的4個側面以及底面均設置為無反射的固定邊界來消除反射波的影響，同時各邊界位移滿足ux=0，uy=0，uz=0。圍巖及炸藥均采用8節點SOLID164實體單元來模擬。

文獻［11］通過實際監測發現，隧道爆破掘進過程中，不同類型的炮孔對地表產生的振動影響不同，其中，掏槽孔起爆產生的地表振動最強烈，其振速幅值約為其他類型炮孔的2倍。小導洞掘進過程中，掏槽孔起爆時巖石的夾制作用較大，對地面產生的振動作用也最大。輔助孔和周邊孔由于自由面多、裝藥量少等原因，與掏槽孔相比，其起爆產生的振動較小。而且在實際開挖過程中，主要是通過控制掏槽孔的起爆藥量來控制爆破對圍巖的振動，所以在數值模擬計算中，主要對上層中間2號小導洞掏槽孔進行數值模擬。

3.2 狀態方程及參數的選取

在數值模擬過程中，將CO2相變致裂爆破的能量轉化為TNT當量，選取炸藥的爆速為3 000 m/s、炸藥的密度為 960 kg/m3、爆壓為6.0 GPa。通過式（1）和式（2）計算可得出爆破壓力為270 MPa的CO2致裂相變致裂能轉化為TNT當量約為277 g。轉化后的炸藥本構模型采用LS-DYNA軟件自帶的高性能炸藥材料（MAT-HIGH-EXPLOSIVE-BURN）。炸藥狀態方程采用JWL狀態方程［12-13］：

式中：

V1——爆轟產物相對比容；

E0——初始內能比；

A、B、R1、R2、ω ——與材料性質有關的常數，可以由TNT的密度、爆速和絕熱系數擬合得到。

炸藥狀態方程各參數取值見表1。計算模型巖層參數取值見表2。

表1 炸藥狀態方程參數取值表

表2 計算模型巖層參數取值表

3.3 爆破振動影響分析

巖石爆破是一個復雜的過程，想要準確分析爆破的振動影響比較困難，但由于質點振動速度是一個比較容易監測的穩定的物理量，所以目前我國一直采用質點振動速度來表征爆破振動強［14］。在王家梁車站小導洞CO2致裂爆破TNT當量轉化后的數值模擬中，在模型地表BRT車站和淺埋排水管2個風險源附近設置監測點，監測致裂爆破的振動影響。監測點布置圖如圖3所示。爆破過程中應力波傳播如圖4所示。

圖3 模型監測點布置圖

圖4 應力波傳播至風險源處過程云圖

由應力波傳播過程可以看出，起爆后應力波由爆源向四周轉播直至逐漸衰減。0.6 ms左右應力波傳播至風險源淺埋排水管附近，0.7 ms左右應力波傳播至地表風險源BRT車站附近。讀取2號小導洞模型2處風險源監測點的綜合振動速度，繪制各監測點的振動速度時程曲線，如圖5所示。

CO2相變致裂能轉化為TNT當量的數值模擬結果中，小導洞正上方淺埋排水管附近0.6 ms左右振動速度達到最大值，約為2.5 cm/s；地表BRT車站附近0.7 ms左右振動速度達到最大值，約為0.56 cm/s。結合圖4應力波傳播過程可知，應力波傳至淺埋排水管和地表BRT車站附近的時間，與監測點振動速度達到峰值的時間一致。由此可以得出監測點振動速度和應力波傳播之間的規律：應力波傳至監測點時，監測點的振動速度達到峰值；隨著應力波的傳播和衰減，質點的振動速度也由峰值逐漸減小。

圖5 監測點振速時程曲線

在實際施工過程中，在王家梁車站2號小導洞上方地表BRT車站附近設置多個監測點，進行CO2致裂爆破的振動速度監測。監測結果表明，各監測點最大振動速度均在0.6 cm/s以下，且地表幾乎無振感。將數值模擬計算結果與實際振動監測數據進行比較發現，將CO2相變致裂轉化為TNT當量進行數值模擬的振動速度監測結果與現場實測振動速度值（0.2～0.6 cm/s）相當。我國目前主要將保護對象所在地的質點峰值振動速度作為安全判據。根據最新的爆破安全規程［15］，地表BRT車站和淺埋排水管附近，CO2相變致裂爆破數值模擬和現場實測的峰值振動速度均在安全范圍以內，目前的致裂量能夠保證施工安全。由此可以得出，施工選用的CO2致裂量符合安全施工要求。但考慮到施工地質條件和圍巖巖性較差，在施工過程中還應該加強振動監測，及時對施工進行安全預報。

設定爆源正上方監測點H148080為坐標原點，以5 m為間隔設置其余各監測點（如圖6所示），進一步分析致裂爆破振動速度與爆源距離之間的關系。讀取監測點振動速度時程曲線，H173280—H125680各監測點的振動速度峰值依次為0.22 cm/s、0.35 cm/s、0.45 cm/s、0.65 cm/s、0.42 cm/s、0.38 cm/s、0.24 cm/s。發現地表各監測點隨著距爆源距離增大，振動峰值逐漸減小。施工現場也取爆源正上方為原點，以5 m為間隔設置與數值模型對應的監測點，編號依次為監測點1～5。實測波形圖的振動峰值最大約為0.78 cm/s，最小約為0.2 cm/s。將實測振動速度數據（見表3）與上述數值模擬結果比較，研究爆源距離與振動速度之間的關系，發現監測點的峰值振動速度由爆源正上方向遠離爆源的地方逐漸遞減。

圖6 爆源上方不同間距的監測點

表3 監測點實測振動速度cm/s

通過對現場實測數據和數值模擬監測點數據的對比分析發現，數值模擬和現場實測振動速度值的平均誤差大約在11%。兩者存在誤差是因為實際施工受到巖石性質、周圍環境等各種因素的影響，但誤差結果在可接受范圍之內。由圖7反映的規律可知：距離爆源越近，監測點振動速度越大；隨著離爆源的距離增加，振動影響逐漸減弱。綜上所述，由數值模擬反映的計算結果分析可知，地表BRT車站和淺埋排水管附近接近爆源的地方受致裂爆破振動的影響較為強烈。因此，在實際的施工過程中，應注意和加強離爆源距離較近處風險源的安全監測，以保證施工安全順利進行。

圖7 不同監測點實測和數值模擬峰值振動速度對比

綜合以上數值模擬計算結果可見，通過能量轉化的方式，能夠運用現有的計算方法和軟件簡單有效地計算CO2氣體相變的能量，以及模擬其相變致裂的爆破振動影響。通過對比數值模擬計算結果與現場監測數據可知，爆破振動影響爆破施工的重要因素可以在轉化TNT當量后的模擬中較好地體現出來。在現場施工中，這對于致裂管用量的控制和風險源振動的預測有很好的指導意義及參考作用。

4 結論

以新疆烏魯木齊地鐵1號線王家梁車站小導洞開挖采用CO2致裂法施工為工程背景，對CO2致裂施工工藝的原理、施工方法，以及CO2相變致裂的TNT當量轉化進行研究，并對致裂爆破效果運用LS-DYNA軟件進行數值模擬，將數值模擬結果與現場實際施工情況進行比較分析，得出以下結論：

（1）相比基于化學反應的傳統鉆爆法，CO2相變致裂法是一種由液態CO2經過相變體積迅速膨脹將巖石擠壓致裂的物理爆破方法。除了在煤礦行業進行掘進和增透以外，近年來該施工方法已廣泛應用于地鐵隧道等市政基礎設施建設。

（2）通過CO2相變致裂的TNT能量轉化可以得出壓力為270 MPa的M2L270-51/1000型CO2致裂器的致裂能量相當于277 g TNT的當量。

（3）通過LS-DYNA軟件對轉化為TNT當量后的CO2致裂施工進行數值模擬，對地表BRT車站和淺埋排水管2個爆破風險源進行振動監測。起爆后0.6 ms小導洞正上方淺埋排水管附近振速達到最大，約2.5 cm/s；起爆0.7 ms地表BRT車站附近綜合振速達到最大，約為0.56 cm/s；應力波到達監測點的時間與監測點振動達到峰值的時間一致。致裂爆破的振動影響均在安全范圍以內。

（4）通過對比數值模擬和現場監測數據發現，爆破產生的地表振動速度在爆源正上方最大，隨著離爆源距離的增加振動速度呈逐漸較小趨勢。模擬計算結果顯示爆破振動規律與現場施工實際情況和監測數據統計規律接近，兩者平均誤差在11%左右。