液態二氧化碳爆破法在綜合管廊開挖中的應用

熊宏武

(中國鐵建港航局集團有限公司 廣東珠海 519070)

1 引言

綜合管廊又被稱為共同溝，是可將電力、燃氣、通信、供熱、給排水等多種工程管線集中設置于同一地下隧道空間，并設置監測裝置、吊裝口和檢修口，方便進行統一管理的現代化城市基礎設施[1－2]。綜合管廊基坑開挖易受到周圍環境、地質情況等諸多因素制約，選擇合適的開挖方式是綜合管廊基坑設計的關鍵[3]。CO2相變爆破法是一種可以安全高效代替炸藥爆破的物理破巖方式。在20世紀90年代，徐穎[4]等首次將此技術應用于煤礦開采領域，隨后CO2相變爆破法逐漸被應用于煤層增透[5－6]、瓦斯抽取[7－8]等煤礦工程。崔玉明[9]等將 CO2爆破法應用于隧道施工中，取得了不錯的效果。李啟月[10]等也應用此技術解決了硬巖地質地鐵基坑開挖的難題。但目前液態CO2爆破法應用在綜合管廊開挖的研究較少，工程實踐不足。因此，本文將CO2相變爆破法應用于綜合管廊開挖中，并對爆破效果進行綜合評價，為類似工程提供參考。

2 液態CO2相變爆破技術

CO2在常溫常壓下是一種無色、無味、不助燃、無毒性的氣體，密度比空氣大。CO2除了固、液、氣三種狀態外，當溫度和壓力升高到一定程度時CO2可進入一種高密度、高擴散性的超臨界狀態。液態CO2相變爆破實質為致裂管內呈液態的CO2受熱后迅速進入超臨界狀態，管內壓力驟升，瞬間產生巨大壓力以致周邊巖體發生破裂。工作時，將CO2高壓液化后裝入儲液管并埋入鉆孔中，對孔口進行密封。在觸發起爆器后發熱器迅速升溫，導致液態CO2汽化并產生高壓；當管內壓力達到定壓剪切片的強度時，高壓氣體從泄能頭放出，直接作用在巖體上產生沖擊波；在沖擊波的作用下，巖體產生初級裂隙，同時大量氣體進入裂隙，通過氣漲作用導致裂隙進一步擴展，從而達到爆破的目的[11]。工作原理見圖1。

圖1 液態CO2相變爆破工作原理

3 綜合管廊開挖應用

3.1 工程背景及技術難點

某綜合管廊工程項目全長超過4 000 m。工程所處地層主要為人工填土、黏土、云母巖、花崗巖等。具體地質分布特征見表1。

表1 地層分布特征

管廊工程周邊環境復雜，開挖區域有堅硬花崗巖分布，不宜使用機械開挖；基坑最深開挖處達7 m，且周邊存在民用住房，爆破振速安全允許標準僅為1.5 cm/s，在開挖過程中應當避免飛石等安全隱患；鄰近有下穿道路的箱涵及西氣東輸燃氣管道，對生產安全性要求較高。傳統的炸藥爆破，存在安全隱患和振動損害，從安全高效的角度綜合考慮，最終決定采用CO2相變爆破進行基坑開挖。

3.2 爆破方案設計

基坑開挖首先通過機械破碎的方式開出一定寬度和深度的溝槽，為后續CO2爆破創造自由面。使用的D95型CO2致裂管，具體參數見表2。由于基坑結構呈倒梯形，因此布孔方式采用垂直孔與傾斜孔相結合法方式。兩側傾斜孔各裝1支致裂管，孔口堵塞長度1 m；中部垂直孔裝2支致裂管，孔口堵塞長度2 m，確保爆破后形成倒梯形截面。孔網參數見表3。基坑全斷面設計為一個爆破臺階面，臺階高度4～5 m，寬度為10～12 m。爆破臺階橫斷面見圖2。

表2 D95型致裂管參數

表3 孔網參數

圖2 爆破臺階斷面

3.3 爆破方案數值模擬驗證

(1)數值模型構建

為了對爆破效果進行預估，選擇COMSOL數值模擬軟件作為數值模擬求解工具，通過對現場工程實際狀況進行合理簡化，建立二維爆破臺階斷面模型，見圖3。

圖3 爆破臺階斷面模型

平面模型尺寸為40 m(長)×20 m(高)，按施工方案設計布孔，垂直孔堵塞2 m，傾斜孔堵塞1 m。采用自由三角形單位，為提高計算精度在鉆孔處增加網格密度，共劃分單元數4 822個，節點數2 599個。底部為固定約束，兩側限制側向位移，首先施加重力載荷，計算得出初始地應力場后再施加爆破荷載。CO2爆破過程中的氣體壓力變化由JWL狀態方程確定[12]:

式中，P為CO2的氣體壓力；ρ0為氣體初始密度；ρ1為變化后的密度；Em為初始比內能，取 0.5；A1、B1、R1、R2和ω為材料常數，取值見表4。

表4 JWL狀態方程參數

巖體采用摩爾－庫倫破壞準則，巖體參數見表5。

表5 巖體物理力學參數

(2)數值模擬結果分析

對爆破后50 ms內塑性區的變化情況進行模擬。爆破后CO2氣體體積迅速膨脹充滿致裂孔，并產生強大的推力和靜膨脹力。由圖4可以看出，2 ms后巖體在強大的膨脹力作用下，首先在致裂孔兩端發生應力集中，然后裂隙開始發育；6 ms時致裂孔兩端的裂隙開始出現貫通，高壓氣體進入裂隙中，加快裂隙發育速度；11 ms時兩端裂隙完全貫通，在氣體的高壓作用下，垂直致裂孔間巖體也逐漸發生屈服，并在18 ms末完全發生破碎。

圖4 爆破模擬塑性區范圍

爆破40 ms后塑性區范圍穩定，基坑范圍呈現倒梯形結構，塑性區深度約6.5 m，寬度約10 m，爆破成形效果基本滿足要求。但傾斜孔頂端裂隙發育至地表，可能會造成飛石和增加大塊率現象，增加搬運難度。為了增強爆破效果和提高巖石破碎率，施工時應將傾斜孔堵塞長度增加至1.5 m，使巖石破碎更加充分。

3.4 爆破施工流程

基坑爆破具體施工流程見圖5。若開挖基坑無現成的臨空面，則需要采用機械破除開設溝槽形成臨空面，然后根據孔網參數采用潛孔鉆機進行鉆孔。對于硬巖應選用高質量、高硬度的鉆頭，送全風全壓并控制轉速，以防止鉆頭損壞和鉆孔發生偏斜；鉆孔后應及時用塑料或編織袋將孔口堵塞，防止巖石、雜物或雨水進入致裂孔；對致裂管進行檢查后按照設計在致裂孔中裝入致裂管和提拉桿，將預先準備的鉆屑和干燥細石粉緩慢放入致裂孔中，同時敲擊外部的提升桿部位以便壓實填塞材料。

圖5 施工流程

為防止出現爆破飛石的危害[13]，通過式(2)對飛石距離進行預測:

式中，s為飛石的最遠距離(m)；v為飛石的初始速度，根據現場試驗取10 m/s；g為重力加速度；α為飛石的初始角度。

當飛石的初始角度α＝45°時，飛石的最遠距離為10.2 m。為安全起見，爆破前可在孔口覆蓋砂袋或竹夾板再覆蓋一層鋼板防止飛石的危害。

連接網絡過程中，由于一次致裂孔較多，必須進行合理分區連接，保證每排內的所有致裂器獲得相同的電流同時起爆。經計算，每排共放置8個致裂器，每個致裂器電阻約3～4 Ω，若測得每排電路電阻為24～32 Ω，說明電路連接正確。

最終爆破前，應先確認人員撤離，以口哨為信號，先警戒然后點火。爆破后由技術人員進行檢查，確認無安全隱患后解除警戒；清理現場碎石后，使用輔助工具取出致裂管，運輸回廠進行重復使用；使用鏟運機械將巖石運出，進行下一次循環。

4 液態CO2爆破綜合效果評價

根據《爆破安全規程》及相關生產要求，主要通過爆破質量、爆破成本及爆破安全三大指標對CO2爆破效果進行綜合評價。爆破質量主要包括巖石大塊率、平均塊度、根底率、爆堆形態等；爆破成本主要為單位巖體的CO2消耗量、單位方量作業工時等；爆破安全主要考慮飛石距離、爆破振動對附近民房和天然氣管道的影響、噪聲污染、氣體污染等。

爆破質量與爆破成本方面，采用塊度圖像分析法，對爆破現場大塊率和平均塊度進行分析，根據現場鏟裝設備，將尺寸大于80 cm的塊石定義為大塊；通過測量爆堆前沖、后沖距離及爆堆隆起高度來評估爆堆形態；對CO2的單耗、單段巖石開挖方量等進行統計和計算。

爆破安全方面除了對飛石距離、噪聲大小、氣體污染進行測量外，還需通過布置監測點對爆破振動情況進行檢測，沿致裂孔周邊水平方向布置3個測點，垂直方向布置5個測點。布置方式見圖6。

圖6 監測點布置

CO2爆破綜合效果評價統計結果見表6。CO2爆破后破巖效果明顯，大塊率和根底率低，塊度滿足現場鏟運裝備的運輸，無需二次破碎。單段破巖方量達70 m3，共消耗CO2量為12.5 kg。由于致裂管可以重復使用且操作簡單，大大降低了爆破的材料成本和工人成本。和常規巖石乳化炸藥產生的CO、NO、NO2等毒害氣體相比CO2爆破法僅產生CO2氣體，無氣體污染。據爆破距離15 m處實測聲音強度較低，約70 dB，噪聲污染小。爆破振動監測結果見圖7。距離振源4 m處的質點振動速度已經低于2.5 cm/s，符合爆破安全規程規定，且爆破現場無飛石現象發生。

表6 液態CO2爆破綜合效果評價

圖7 振動監測結果

5 結束語

(1)本文介紹了液態CO2相變爆破技術的作用機理，并將液態CO2相變爆破技術成功應用于地下綜合管廊基坑的開挖中，為巖質堅硬和周邊環境復雜條件下的基坑開挖提供了新方法和新思路。

(2)對CO2相變爆破技術施工過程進行詳細闡述，其中包括孔網參數選取、鉆孔方式、爆破網絡連接、起爆順序、飛石控制、安全檢查、致裂管重復使用等重要過程，并通過數值模擬驗證了施工方案的可行性。

(3)對CO2相變爆破結果進行綜合評價，結果表明現場無飛石危害、揚塵小、無氣體污染物產生、噪聲污染小、爆破塊度適中，方便運輸，爆破振動符合爆破安全規程規定，爆破成本低。可見CO2相變爆破技術在一定程度上可以代替傳統炸藥，適合推廣應用。