復雜地質條件下二氧化碳相變致裂硬巖施工技術應用

文｜廣東省基礎工程集團有限公司 吳健

0 前言

根據傳統的硬巖開挖方法，一般采用常規明爆破法、靜態爆破法、常規機械破碎法、機械切割法等。但對于在鄰近既有高鐵、地鐵保護范圍的工程，特別是緊靠高鐵、地鐵站站房及站臺，采用炸藥爆破法開挖硬巖，對周邊建筑物、行人、行車干擾非常大，且審批手續復雜、安全風險高；同時，應用這些常規方法具有開挖硬巖的效率低、成本高等難題，進而造成施工成本增大、工期延誤。根據分析上述常規傳統的硬巖開挖方法的應用弱點，目前可以應用新型的二氧化碳相變致裂的破巖方法解決這一技術難題。

1 工程實例

工程毗鄰汕尾高鐵站的站房及站臺，屬鐵路保護范圍。道路邊坡主要為巖石，開挖高度約為15m，邊坡坡度為1:1。根據工程地質勘查報告揭示，該段道路的地質條件依次為<1>粉質粘土、<2>砂質粘性土、<3-1>全風化花崗巖、<3-2>強風化花崗巖、<3-3>中風化花崗巖、<3-4>微風化碎屑巖。地面下1m左右就進入強風化巖，3m左右就進入中、微風化巖，部分坡頂基巖均為強風化、中風化；強度為27.6-88.6MPa，屬于強硬巖質邊坡。在鄰近高鐵、地鐵站進行開挖硬巖，如何既要確保高鐵站的穩定安全，又要加快開挖施工進度，最終確保工程順利完成，是施工面臨的技術難題。經多方研究，決定選用二氧化碳相變致裂巖石施工應用技術。

2 二氧化碳相變致裂技術應用原理

本施工技術的要點主要是：通過利用液態二氧化碳加熱氣化膨脹，使壓力急速上升的物理變化原理，并對致裂施工技術工藝進行合理設計，增加致裂管填塞和阻攔加固技術設計等組合而成的技術措施。其具體操作是：通過在有臨空面的巖體上進行鉆孔，在孔內安裝充填液態二氧化碳的致裂器，通過激發二氧化碳膨脹使巖土體發生破裂，自然滑落而形成自由空間邊界面；接著在巖土發生破裂的臨空面縱橫方向上，進行大面積鉆孔和實施二氧化碳裂巖措施，以及臺階式分層分段流水性裂巖的施工；形成一種快速、高效、安全系數高、對周邊環境影響小的新型破巖施工技術。

3 二氧化碳相變致裂施工技術應用分析

3.1 施工工藝流程（如圖1所示）

圖1 二氧化碳致裂施工工藝流程圖

3.2 施工設計及應用方法

3.2.1 二氧化碳致裂基理

對于二氧化碳氣體裂巖的物理現象，是通過應用液態二氧化碳在特定方式下進行加熱，隨之發生急速氣化而出現膨脹，進而產生強大的沖擊力，同時通過適當的控制措施，使巖土體達到預期的破裂效果。

在實際操作時，先用充裝機將液態二氧化碳進行壓縮，并放進圓柱狀的致裂管內。當微電流通過電點火頭時，引起致裂管發熱裝置的活化劑產生高溫，將液態二氧化碳瞬間氣化，急速膨脹1000-2000倍以上，瞬間產生300MPa以上的膨脹壓力。產生的高壓氣體將泄能器打開，從而對鉆孔周圍的巖石產生破壞作用，形成裂巖效果。

二氧化碳致裂設備由二氧化碳致裂器、液態二氧化碳儲液罐、充裝機、旋緊機及充裝平臺等組成。本工程采用95mm型號二氧化碳致裂管，同時選取直徑110mm的潛孔機鉆頭進行配套使用。主要工作內容包括組裝致裂器、充裝氣體、運輸。

3.2.2 二氧化碳致裂施工技術工藝設計

二氧化碳致裂巖石施工工藝按鉆孔布孔設計→致裂臨空面溝槽施工→分層臺階式致裂巖石施工進行設計。

3.2.2.1 鉆孔布孔設計

根據巖石性質，臺階高度、臨空面間距合理設計布孔方式和鉆孔布設間距，并在平緩無臨空面的巖體上進行鉆孔，具體詳見圖2。其鉆孔參數設計如下：

①本工程的布孔方式為梅花型布孔；②孔深：L=3.0m；③鉆孔孔距為1.0m進行布設（排孔布局及間距根據不同的巖石和位置情況現場適當調整）；④鉆孔角度為90°。

3.2.2.2 臨空面開槽施工設計

在平緩的巖石面開挖過程時，首先要在無臨空面的巖體上致裂形成臨空面，為后續二氧化碳致裂巖石施工時巖體破裂的泄能面。在形成臨空面后，再進行大面積破巖。現根據本工法的特點在巖面布設臨空面開槽孔進行臨空面開槽施工：橫向按抵抗線1000mm，縱向抵抗線1000mm，梅花型布設孔型，均采用垂直鉆孔。臨空面開槽鉆孔設計圖詳見圖3。

圖2 鉆孔布孔設計圖

圖3 臨空面開槽鉆孔設計圖

圖4 臺階法流水順序圖

圖5 臺階法分層分段流水順序圖

表1 二氧化碳氣體致裂設備數據采集

3.2.3 臺階法分層分段流水施工設計

本工程需分層開挖，采取分層分段臺階式跳臺流水施工的方法。對于此跳臺的施工流程是：先在下臺階進行鉆孔；然后移動鉆機到上臺階位置；接著在下臺階實施致裂破巖，同時上臺階進行鉆孔；最后下臺階進行清渣，同時上臺階實施致裂破巖。臺階式跳臺法致裂鉆孔設計詳見圖4、圖5。

3.2.4 二氧化碳致裂管填塞和阻攔加固技術

3.2.4.1 致裂孔填塞

鉆孔完成后，用空壓機將雜物清理干凈。將裝有二氧化碳氣體的致裂器先與提升桿進行連接處理，并且擰緊而成一根管方便操作，然后把此致裂器放進已鉆的孔內，注意確保連接致裂器的部分提升桿露出巖土表面，提升桿外露長度為0.3m～0.5m。

致裂管放入鉆孔后，需對致裂孔進行填塞。致裂孔填塞時要選用理想的填塞物。本工程致裂孔填塞時選用中粗砂和3～5mm石屑作為填塞物，填塞時要邊填塞邊用炮桿或振動器將填塞物搗實。

填塞作業注意事項如下：

①填塞材料不得含有碎石塊或潮濕中粗砂、石屑；②致裂孔內有水時，在填塞過程中容易形成泥漿或懸空，是致裂器周圍無法填塞密實；③嚴禁無填塞致裂。

3.2.4.2 致裂管連接固定

致裂管填塞后，將致裂管采用鋼絲繩串聯的阻攔加固設計。采用雙根鋼絲分別對所有致裂管進行串聯連接固定，并采用繩卡固定法對接頭處進行連接，確保致裂管處于整體連接狀態，起雙層保護作用。

具體施工方法為：采用1根國標22mm鋼絲繩對所有致裂管進行連接固定，并采用繩卡固定法對接頭處進行連接，確保致裂管處于整體狀態，在受強勁沖力后不會單個飛出；再同樣采用1根國標22mm鋼絲繩對所有致裂管進行連接固定，并采用繩卡固定法對接頭處進行連接，起雙層保護作用。

4 二氧化碳致裂施工操作關鍵點

總體施工流程步驟為：二氧化碳充裝（主要包括組裝致裂器、充裝氣體）→鉆孔布控設計→鉆孔→致裂器安裝→致裂。

4.1 二氧化碳充裝

二氧化碳致裂設備由二氧化碳致裂器、液態二氧化碳儲液罐、充裝機、旋緊機及充裝平臺等組成。本工程采用95mm型號二氧化碳致裂管，同時選取直徑110mm的潛孔機鉆頭進行配套使用。相關設備數據采集見表1。

4.2 網路聯結

根據二氧化碳致裂的基本原理，使用微電流通電激活致裂管的活化劑，使其產生高溫將液態二氧化碳氣化。因此，導電網路的連接是致裂的一個關鍵工序。由于在二氧化碳巖石致裂過程中一次多孔致裂，網路聯結采取并聯方式。

4.3 激發致裂

致裂是由具有致裂經驗的專業技術施工員進行操作。相關致裂專業施工員檢查網絡確保無誤后，用導線把所有裝有二氧化碳的致裂器進行串聯連接，然后一齊連接在激發器上，并將此激發器放在安全的位置，馬上將現場的所有施工人員撤離到安全區域后，再啟動激發器的開關，激發致裂巖石。

5 結論

綜上所述，在巖土堅硬、巖層較厚等復雜地質條件以及鄰近高鐵、地鐵站等不利環境下進行石方開挖施工，是可以采取優越和積極的措施予以解決的。事實證明，采用二氧化碳致裂的替代方法及組合工藝設計的技術措施，能夠提高破巖速度，加快開挖的進度，并可以節省了施工工期，降低了施工成本。同時，創造性的解決了禁止采用爆破法硬巖開挖施工的難題。