二氧化碳致裂爆破技術(shù)在高速公路施工中的應(yīng)用

陳秋

【摘要】在高速公路施工過程中常常會因?yàn)槁坊嬖趫杂驳膸r石層而嚴(yán)重阻礙施工進(jìn)度。這種情況下一般需要通過爆破的方式對那些堅硬的巖石進(jìn)行破碎并推進(jìn)后續(xù)施工。傳統(tǒng)的炸藥爆破模式在一些存在地下天然氣管道的路段會產(chǎn)生較大的安全風(fēng)險。二氧化碳致裂爆破技術(shù)主要通過在極短的時間內(nèi)將液態(tài)的二氧化碳轉(zhuǎn)化為氣態(tài)，體積的快速膨脹產(chǎn)生的巨大壓力可以將堅硬的大塊巖石層破碎便于清運(yùn)的小石塊。而且這種爆破技術(shù)不會產(chǎn)生高溫、火花以及嚴(yán)重的環(huán)境和水土污染。本文主要結(jié)合實(shí)際的工程項(xiàng)目案例來分析這種爆破技術(shù)的應(yīng)用方法。

【關(guān)鍵詞】二氧化碳致裂爆破技術(shù);高速公路;施工應(yīng)用

高速公路施工中有時候需要借助爆破的方式對路基上的大塊堅硬巖石層進(jìn)行爆破，靜態(tài)二氧化碳爆破技術(shù)可以在溫度較低的情況下通過液態(tài)二氧化碳的氣化膨脹來爆破巖石層。如果路基施工區(qū)域范圍內(nèi)存在地下天然氣管道時，就可以通過這種技術(shù)來確保天然氣管道不會因?yàn)楸飘a(chǎn)生的振動作用而受到影響。

1、項(xiàng)目背景

本項(xiàng)目主體為山西靜興高速的土建8標(biāo)段施工，該標(biāo)段中的8號路基和9號路基分別長299m和637m，原計劃采用控制爆破技術(shù)來實(shí)現(xiàn)石方施工，但后期發(fā)現(xiàn)這兩個路段和既有的天然氣管道非常接近，如果采用控制爆破技術(shù)可能會對天然氣的安全運(yùn)營以及施工人員的生命安全產(chǎn)生不可控的風(fēng)險。后來經(jīng)過研究決定采用二氧化碳靜態(tài)爆破技術(shù)代替原計劃的控制爆破技術(shù)。

2、原理分析

液態(tài)的二氧化碳?xì)怏w經(jīng)過外加壓力的釋放就會在一瞬間轉(zhuǎn)變成氣態(tài)的二氧化碳并對周圍的物體產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊。將液化的二氧化碳裝進(jìn)圓柱形的爆破筒并通過密封圈、導(dǎo)熱棒以及安全膜等形成一個可操作的高壓密閉環(huán)境，此時那些液態(tài)的二樣化碳在密封圓柱體的高壓作用下繼續(xù)保持原本的液體相態(tài)。在需要開展爆破作業(yè)的路段進(jìn)行鉆孔、設(shè)置爆破筒、部署引線和起爆器等一系列操作。當(dāng)操作人員對爆破裝置通電后就可以使爆破筒中設(shè)置的導(dǎo)熱棒發(fā)熱以及破壞爆破筒中的安全膜，原本的高壓密閉環(huán)境因?yàn)榘踩さ钠屏讯霈F(xiàn)壓力泄漏以及液態(tài)二氧化碳的氣化膨脹，進(jìn)而憑借二氧化碳?xì)怏w產(chǎn)生的強(qiáng)大壓力對待爆破的土石結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的破碎效果[1]。

3、優(yōu)勢分析

3.1安全性高

本項(xiàng)目的施工難點(diǎn)在于傳統(tǒng)的爆破技術(shù)會對作業(yè)現(xiàn)場旁邊的天然氣管道產(chǎn)生威脅，火藥爆炸會產(chǎn)生比較劇烈的振動作用以及沖擊波效應(yīng)，進(jìn)而對周邊建筑物、地下設(shè)施以及工作業(yè)人員造成一定的安全風(fēng)險，而且天然氣的大量泄漏也會造成國家資源的浪費(fèi)以及影響人民群眾的正常生活等。而本次施工中采用的靜態(tài)二氧化碳爆破技術(shù)主要利用液態(tài)二氧化碳在氣化過程中產(chǎn)生的巨大壓力來破壞土石方，二氧化碳作為一種良好的阻燃劑自然不可能引發(fā)天然氣的爆燃。另外，靜態(tài)二氧化碳爆破技術(shù)對地面以及周邊環(huán)境產(chǎn)生的振動遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)的爆破技術(shù)，因而其安全警戒的區(qū)域范圍也比傳統(tǒng)爆破技術(shù)更小[2]。

3.2環(huán)境影響較小

傳統(tǒng)的使用炸藥來實(shí)現(xiàn)爆破的方案會對地面產(chǎn)生非常強(qiáng)烈的破壞效果且爆破產(chǎn)生的煙塵和噪音也非常顯著，同時這種爆破技術(shù)產(chǎn)生的炸藥殘留物也會對周邊的植物、水源等產(chǎn)生或多或少的影響。靜態(tài)爆破技術(shù)通過氣態(tài)二氧化碳產(chǎn)生的強(qiáng)大壓力對作業(yè)區(qū)域的土石方進(jìn)行有效破壞，因而這種爆破技術(shù)產(chǎn)生的沖擊波、灰塵量以及噪音等污染都遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)爆破技術(shù)。另外，二氧化碳?xì)怏w釋放之后并不會對周邊的土壤、空氣、水源以及植物等造成污染，因而其環(huán)保效應(yīng)更佳[3]。

3.3成本可控、審批容易

第一，靜態(tài)爆破技術(shù)中使用的二氧化碳?xì)怏w可以從空氣中分離得到，因而其供應(yīng)量充足且整體成本較小。這種爆破技術(shù)中使用的連接線、起爆器等裝置在使用過后還可以再次回收利用。各種裝置相對簡單的運(yùn)輸和組裝方式也在一定程度上降低了這種爆破技術(shù)的操作成本。傳統(tǒng)的通過火藥來實(shí)現(xiàn)爆破的技術(shù)需要先經(jīng)過國家相關(guān)部門對火藥以及爆破工程的審批，國家對炸藥的嚴(yán)格管制會導(dǎo)致爆破工程的審批流程表現(xiàn)出復(fù)雜又耗時的缺點(diǎn)，而靜態(tài)爆破技術(shù)則容易很多[4]。

4、施工方法

4.1準(zhǔn)備工作

第一，比較常規(guī)的做法是在作業(yè)現(xiàn)場設(shè)置一個密封良好的用于存儲二氧化碳液體的不銹鋼罐體，然后在就近的站點(diǎn)將液態(tài)二氧化碳?xì)怏w充填進(jìn)這一不銹鋼金屬罐體之內(nèi)備用。將罐體存放于施工現(xiàn)場時還需要通過設(shè)置遮陽網(wǎng)、搭設(shè)涼棚等方式來為其進(jìn)行降溫，防止暴曬。需要注意的是這種爆破技術(shù)對作業(yè)現(xiàn)場的環(huán)境溫度要求為不得超過31攝氏度，因?yàn)檫@種溫度下二氧化碳?xì)怏w無法保持液相。第二，采用爆破方式對公路路基作業(yè)面上的巖石進(jìn)行破碎時必須先挖掘出良好的臨空面，在施工過程中可以通過挖掘機(jī)、鑿巖機(jī)以及破碎機(jī)等設(shè)備對那些妨礙爆破效果的巖石進(jìn)行清理。這樣當(dāng)巖石被破碎以后就可以向外飛散并形成良好的工程效應(yīng)。第三，在開展爆破之前還需要通過專業(yè)的鉆孔機(jī)械設(shè)備在巖石上開鑿出爆破筒的設(shè)置孔。一般可以在巖石上方通過專業(yè)的履帶式鉆孔機(jī)來進(jìn)行垂直打孔且要注意控制孔徑大小。

4.2操作控制

第一，施工過程中可以使用專業(yè)的高壓泵將液態(tài)的二氧化碳灌注到爆破施工專用的爆破筒內(nèi)，二氧化碳必須在31攝氏度的溫度之下施加足夠的壓力才能呈現(xiàn)出穩(wěn)定的液相，在此之后通過設(shè)置安全膜、破裂片等一系列操作使爆破筒達(dá)到爆破啟動的條件。然后將起爆器、設(shè)置好的爆破筒及其他的配套爆破設(shè)備運(yùn)輸至公路施工區(qū)域內(nèi)的巖石爆破面，將各種設(shè)備設(shè)置在對應(yīng)的位置上。第二，為了確保爆破工作不會對周邊的作業(yè)人員造成不必要的傷害還需要在作業(yè)范圍外圍設(shè)置一定的安全警戒線。第三，完成這些基本的工作之后就可以通過起爆裝置對爆破筒內(nèi)的導(dǎo)熱棒施加一定的電流，安全膜在經(jīng)過導(dǎo)熱棒的加熱作用后會逐漸被擊穿并導(dǎo)致液態(tài)二氧化碳?xì)饣蛎洠蟾胖恍枰坏?毫秒的時間就可以對周圍的巖石產(chǎn)生非常強(qiáng)大的沖擊作用并達(dá)到爆破的目標(biāo)。與此同時，二氧化碳靜態(tài)爆破技術(shù)產(chǎn)生的振動和沖擊波等不會對地下的天然氣管道產(chǎn)生影響。

5、實(shí)際應(yīng)用

山西靜興高速土建8標(biāo)段的8號路基和9號路基在整個施工期之內(nèi)分別完成21萬m3和34.7萬m3的石方量。該項(xiàng)目進(jìn)入施工后期，發(fā)現(xiàn)地質(zhì)條件進(jìn)入完整性較好的巖石層，并且作業(yè)區(qū)域內(nèi)的巖石強(qiáng)度達(dá)到了51Mpa左右，這樣的強(qiáng)度導(dǎo)致前期使用的鑿巖機(jī)、劈裂機(jī)和挖掘機(jī)等施工機(jī)械都難以達(dá)到高效的施工速度。工程技術(shù)人員經(jīng)過廣泛的調(diào)研之后決定采用靜態(tài)二樣化碳爆破法對巖石層進(jìn)行有效的爆破推進(jìn)。通過這種施工方法將原本幾乎已經(jīng)停滯的施工速度提升到單個作業(yè)面每天500m3。與此同時，施工區(qū)域下方的天然氣管道也通過這種方式獲得了良好的保護(hù)。

結(jié)語：

山西靜興高速的路基施工過程中因?yàn)樵庥龃髩K的堅硬巖石而受到嚴(yán)重的阻礙，但施工路基旁邊的天然氣管道導(dǎo)致傳統(tǒng)的炸藥爆破方式難以實(shí)施。通過靜態(tài)二氧化碳爆破技術(shù)可以避免炸藥爆破模式對天然氣管道產(chǎn)生的威脅，同時又可以對路基上的大塊巖石層形成有效的爆破，進(jìn)而提高施工效率。

參考文獻(xiàn)：

[1]仲甡，毛文，熊雪琴，等.二氧化碳致裂技術(shù)在高速公路石質(zhì)路塹開挖中的應(yīng)用研究[J].施工技術(shù)，2019，v.48（S1）：1234-1236.

[2]李征文，李德杰.二氧化碳致裂爆破技術(shù)在高速公路施工中的應(yīng)用探究[J].中國標(biāo)準(zhǔn)化，2019，540（04）：66-67.

[3]楊維雙.淺談液態(tài)CO2致裂技術(shù)在高速公路中風(fēng)化花崗巖的應(yīng)用[J].建筑工程技術(shù)與設(shè)計，2017，000（032）：83-83，4.