二氧化碳致裂技術在地鐵基坑開挖中的應用

馬艷衛 張德忠

(中鐵隧道集團一處有限公司，重慶 401123)

0 引言

目前，國內地鐵硬巖基坑開挖采用的開挖方式主要有控制爆破、機械破碎、靜態致裂、劈裂、切割等。機械破碎在巖石強度高的情況下開挖難度大、施工效率低；爆破作業產生的振動、飛石對周邊環境影響大，且火工品危險性高、市政工程中審批及使用難度大；靜態致裂作業循環時間長，施工效率低、成本高；劈裂開挖和切割對巖體及作業面要求高，適用范圍有限且效率不高。在爆破作業受限的環境中，低強度巖體可采用液壓破碎錘、鉤機等開挖，少量硬巖可采用靜態致裂及劈裂等方法，大體量高強度巖體開挖采用上述方法工效太低。在周邊環境復雜的基坑開挖中爆破方法會極大受限，其余幾種開挖方法在施工條件及施工效率方面均存在很大的局限性。

二氧化碳致裂技術最早為國外研究發現，英國的CARDOX公司開發研制了二氧化碳致裂器，稱為Cardox Tube System，該技術被用于高瓦斯礦井采煤。20世紀80年代，該技術迅速發展，逐步應用到爆破震源、金屬制品成型、地下礦山、露天礦山開采等領域，成為一種有潛力的新型爆破器材。20世紀90年代，我國煤礦開始引進該項技術，也主要在采礦領域，21世紀隨著煤礦對該技術的淘汰，慢慢移植到露天巖石破碎領域。

1 二氧化碳致裂技術原理

二氧化碳致裂技術是利用液態二氧化碳吸熱體積瞬間膨脹的原理，將液態二氧化碳通過高壓低溫充裝設備注入到二氧化碳儲液鋼管(也稱致裂主管)內，并保持儲液管內液態二氧化碳壓力在5 MPa～9 MPa。將致裂管和起爆器通過電源線連接，把致裂管插入鉆孔中固定好，啟動起爆器，觸發加熱裝置產生大量熱量，使管內液態二氧化碳瞬間氣化(二氧化碳液、氣變化臨界溫度：31.06 ℃，臨界壓力：7.383 MPa，當溫度高于31 ℃時液態二氧化碳會迅速氣化)體積膨脹600倍，當管內氣體壓力超過泄壓釋能片極限強度(可設定)時，氣體沖破泄壓釋能片，從泄能孔釋放出來，瞬間產生強大的氣團沖擊力，沿著目標體自然裂隙沖開物料并將其推離主體，從而達到預裂松動的目的。致裂棒構造詳見圖1。

2 二氧化碳致裂施工工藝

二氧化碳致裂施工工序主要為致裂管灌裝、鉆孔、致裂管安裝、填塞、連接覆蓋、起爆、拔管、破碎。

2.1 致裂管充裝

1)安裝起爆藥卷和泄能片。

將致裂管運送至旋頭機，檢測充裝頭絕緣性良好后安裝充裝頭和泄能頭，旋頭機旋緊，運送至充裝器。

2)充裝二氧化碳。

分兩次進行，首次充裝少量液態二氧化碳，保證壓力不小于1.0 MPa，靜置等待致裂管冷卻后二次充裝，二次充裝時直接加壓至8 MPa，致裂管裝管完畢。

2.2 現場準備、布孔

1)清除巖層上覆土層及上部強風化巖層，機械開挖3 m高臨空面。

2)機械進場及出渣馬道修整，合理安排鉆孔機械和出渣車輛的場位，考慮致裂管的吊裝凈空。

3)致裂孔的間距根據需要開挖的巖石強度、裂隙發育情況、致裂器規格以及作業區域臨空面情況進行設定。具體布孔原則如表1所示。

表1 二氧化碳致裂布孔參數表

2.3 鉆孔、清孔檢查

1)采用潛孔鉆機鉆孔，孔為垂直孔，孔底位移統一水平面上。鉆孔完成后采用高壓風清孔，按照致裂管前確保孔口周邊清理干凈。

2)清孔完畢后對鉆孔進行驗收。主要是檢查孔深度、孔距和排距，另外是孔內有水或石渣。

3)若孔內含泥量過大則需要將孔廢棄在旁邊重新鉆孔。

2.4 安裝致裂管

1)裝管前在孔底填充50 cm厚米石作緩沖層，防止致裂管向上沖出。

2)下管后，將致裂器與孔壁之間的空隙用米石填塞，填筑時使用振動棒振動致裂管，保證填充密實。

3)致裂管安裝完畢后采用導線將所有致裂管串聯連接，連接完畢后使用萬能電表檢測整個線路，確認線路連接良好。

2.5 連接覆蓋

1)安裝完成后采用22 mm直徑鋼絲繩將所有致裂管串聯，每管來回串連兩次，將所有致裂管連接成整體。

2)采用橡膠制作的2.0 m×2.0 m規格的炮被將作業面及周邊3 m全部覆蓋，防止致裂產生飛石。

2.6 擊發

現場警戒，將起爆引線與起爆器連接，現場負責人確認警戒范圍內安全后下達充電命令，開始充電，再次確認周邊環境無影響后起爆。

2.7 提管、破碎

移除炮被，取掉連接的鋼絲繩，挖掘機進場將致裂管拔出，若部分致裂管被巖石卡住無法拔出則需要先將周邊巖石破碎后再拔。

致裂后對裂開的巖石采用液壓破碎錘進行破碎，巖塊破碎至滿足裝渣運輸要求。

3 二氧化碳致裂在基坑開挖中的應用

3.1 工程概況

大連地鐵后關村站為地下2層三柱四跨車站，長度349 m，寬度42.9 m，采用明挖法施工，基坑深度約20 m，基坑范圍內地層主要為中風化石灰巖，巖石開挖方量約30萬m3，巖石強度最高81.8 MPa，由于緊鄰哈大高鐵，主體基坑邊緣距離哈大高鐵最近距離為44 m，無法進行爆破作業。

基坑于2017年10月1日開始開挖，首先采用了挖掘機+液壓破碎錘進行開挖，在中風化巖層中開挖進度緩慢，后采取了膨脹劑及劈裂棒致裂等手段輔助挖掘機開挖，但效率均較低，無法達到計劃的開挖進度，在通過充分調研后項目于2018年3月引進二氧化碳致裂施工方法，開挖效率明顯提升，至2018年4月底完成公路管理處基坑開挖。

3.2 致裂技術方案

后關村站公路管理處基坑尺寸為54 m×48 m，基坑深度20 m，在基坑東南角設置出渣坡道，因此基坑由西向東、由北向南分塊分層進行開挖，開挖順序如圖2所示。

施工分別采用直徑122 mm長度5 m和直徑95 mm長度3 m兩種規格致裂管，為保護基坑邊坡在靠近邊坡3 m范圍內使用φ95 mm致裂管，鉆孔深度3 m，孔距1.8 m，排距1.4 m；基坑中部采用φ122 mm致裂管，孔距2.5 m，排距2 m，每次根據作業面情況致裂20個～40個孔。

每天僅白天作業，晚上出渣，致裂管作業當天在工廠根據現場需要灌裝，打孔完畢后運輸至現場安裝致裂，每天作業2個循環，每循環致裂200 m3～500 m3。

3.3 資源配置

3.3.1人員配置

施工投入作業人員主要為設備司機、致裂管灌裝及安裝人員，具體人員配置見表2。

表2 作業人員配置表

3.3.2設備配置

施工投入設備為傳統土石方開挖設備，具體設備配置見表3。

表3 主要設備配置表

3.4 工效情況

二氧化碳致裂開始時間為2018.3.11，完成時間為2018.4.25，共計45 d，共開挖巖石28 300 m3，除去未工作時間平均每天開挖量約為747 m3；同樣使用3臺挖掘機單純液壓破碎錘開挖平均每天開挖量為260 m3，使用二氧化碳致裂后的開挖工效提升到單純機械破碎的3倍。

4 結語

二氧化碳致裂過程中孔內產生的氣體壓力遠低于炸藥爆炸產生的壓力，過程中產生的振動及飛石情況也遠小于爆破作業，所需的材料主要為液態二氧化碳，獲取方便，運輸及使用安全性高，不屬于爆破物品，使用靈活，施工效率較其他非爆開挖方法高，在復雜環境下的巖石基坑開挖中可以借鑒使用。