復雜環境下地鐵施工二氧化碳破巖技術研究

宋 偉

(中鐵二十二局集團第五工程有限公司，重慶 400700)

1 引言

地鐵線路難免會穿越城市繁華地帶，若采用傳統露天爆破方式對地鐵車站進行土方開挖，易對周邊環境以及人們的生活造成巨大的影響。因此，研究振動小、噪聲低的破巖技術很有必要。

李洪偉[1]等根據工程周邊環境的特點，通過爆破振動測試儀對爆破進行監測，以獲取爆破時的相關參數，該研究表明，即便對爆破當量進行了控制，炸藥爆破仍具有較大的危險性。

范迎春[2]等針對二氧化碳破巖技術在煤層中的應用進行了研究，認為該技術具有振動小、噪聲低等優勢。

二氧化碳液-氣相變膨脹破巖技術是一種新型非炸藥破巖技術[3]，相較于傳統的炸藥破巖技術，具有飛石少、聲波弱、振動小、對周邊環境的影響小等特點。目前，該技術主要用于露天礦山巖石破碎中，在城市軌道交通建設中應用較少。下面以新建珠三角城際軌道交通工程為例，對二氧化碳液-氣相變膨脹破巖技術在復雜環境地鐵施工中的應用進行闡述。

2 工程概況

新建珠三角城際軌道交通工程竹料站位于廣州市白云區竹料鎮。站房主體位于高架站東側，站房南側為廣州地鐵十四號線竹料站，距離GI05國道約110 m。

區域內地表建筑較多，場地內管線已經遷改完畢，未發現其他埋藏物。地面高程為15.0～19.0 m，該區域主要為山前沖積平原地貌單元，站場土方尚未回填。

竹料站場地地層：第四系全新統沖洪積層淤泥；第四系上更新統沖洪積層淤泥、黏土、粉質黏土、粉砂、細砂、中砂及粗砂；下第三系粉砂巖。

竹料站地表水主要為小溪流，水量、水位隨季節變化；地下水主要為第四系孔隙水和基巖裂隙水。第四系孔隙水主要分布于粉質黏土和砂土層中，基巖裂隙水分布于粉砂巖中。地下水主要受大氣降水補給，以蒸發及地下水徑流的方式排泄。地下水埋深為0.3～3.3 m(高程為13.24～16.84 m)，季節變化幅度為2～3 m。

3 破巖原理

3.1 裝置組成

二氧化碳液-氣相變膨脹破巖裝置主要由膨脹管、激活器、充氣頭、泄能頭及其他連接輔助組件組成[4]，如圖1所示。膨脹管為一根高強度鋼管，內部充滿液態二氧化碳；激活器由化學藥劑組成，可通過電能激發釋放大量熱能，使加熱膨脹管內液態二氧化碳瞬間氣化；充氣頭用于填裝二氧化碳；泄能頭用于泄出液態二氧化碳氣化時產生的高壓氣體[5]。

圖1 裝置主要組成部分

3.2 作用原理

二氧化碳在溫度20 ℃、壓強5.6×106Pa條件下會轉變為液體，當液態二氧化碳受熱變為氣態時，體積會膨脹為現有狀態的600倍[6]。破巖裝置通過壓力泵將液態二氧化碳壓縮密閉于高強膨脹管中，通過電能激發激活器，使二氧化碳發生液-氣相變，在密閉容器內形成高壓二氧化碳氣團，當管內壓強超過定壓破裂片的抗壓強度時，破裂片被沖破，高壓氣體通過泄能頭向外釋放，對周圍介質形成沖擊，以達到破碎巖石的目的[7]。

在工程應用中，應先將膨脹管裝入事前鉆好的膨脹孔(即炮孔)內，用鋼絲繩把多個膨脹管連成一個整體，形成導電網絡(如圖2所示)。再激發激活器，使二氧化碳發生液-氣相變，形成高壓二氧化碳氣團，從而破碎巖石。單次破巖后，鋼管可再次裝填并重復使用[8]。

圖2 膨脹管串聯系統

4 破巖試驗程序及施工方法

目前，二氧化碳膨脹管有73型和95型，其中，73型直徑為73 mm，長1 100 mm，充氣量為1.2 kg；95型分兩種，直徑均為95 mm，長1 200 mm充氣量為2.5 kg；長1 500 mm充氣量為3.5 kg[9]。

施工前，對二氧化碳液-氣相變膨脹破巖技術進行了兩次現場試驗，并對其破巖效果進行了比對。決定采用95型(長1 500 mm)單節膨脹管分臺階破巖，鉆孔直徑為115 mm。膨脹管安裝完成后，應在外側孔壁填塞細石。第一次試驗為單排布孔，間距1 m，共5個孔；第二次試驗為雙排布孔，縱橫向間距為0.6 m×0.8 m，共14個孔。

4.1 前期準備工作

(1)試驗設備及材料

①二氧化碳破巖設備1套(95型膨脹管)；

②鉆孔設備1臺(帶除塵裝置)；

③配有φ175 mm釬桿的破碎錘1臺；

④填孔用碎石。

(2)施工條件

①便于進出的施工道路；

②作業面應平整；

③3～5 m的作業臨空面；

④380 V三相四線交流電；

⑤破巖設備到達作業現場并完成調試完畢。

4.2 鉆孔

鉆孔前，應根據試驗方案布置孔位，核實無誤后方可進行鉆孔[10]。鉆孔期間若灰塵過大，應做好相應的降塵、除塵工作。鉆孔結束后，應使用塑料袋等及時封閉孔口，以免雜物進入[11]。

(1)單排試驗

根據現場情況單排布孔，孔間距為a，距離臨空面L，并在距離引爆區域15.5 m、16.5 m處分別設置振動監測儀，對破巖試驗的振動速度進行監測。第一次試驗布孔如圖3、圖4所示，參數取值見表1。

圖3 第一次試驗單排布孔平面(單位：mm)

圖4 第一次試驗布孔現場效果

表1 單排試驗測試組 m

(2)雙排試驗

根據現場情況雙排布孔，雙排同時激發。孔間距為a，排間距為b，距離臨空面L，并在距離引爆區域3.5 m、13.5 m處分別設置振動監測儀。第二次試驗布孔如圖5、圖6所示。參數取值見表2。

圖5 第二次試驗雙排布孔平面(單位：mm)

圖6 第二次試驗布孔現場效果

表2 雙排試驗測試組 m

4.3 充氣工藝流程

二氧化碳充氣工藝流程為：清洗膨脹管→安裝激活器、充氣頭、密封墊片、定向破裂片、泄能頭→機械密封膨脹管→檢查膨脹管導流通電情況→充裝二氧化碳→檢查膨脹管氣密性(如圖7所示)。

圖7 二氧化碳充氣工藝流程

4.4 安裝工藝流程

若膨脹管為多節，其安裝工藝流程為：膨脹管連接錐頭安裝→多節膨脹管接長→膨脹管端頭連接→卡具擰緊→導線連接→激發引爆(如圖8所示)。

圖8 多節膨脹管安裝工藝流程

4.5 連線引爆

將所有的膨脹管裝入鉆好的膨脹孔內，采用碎石、鉆屑等材料填塞孔與管之間的縫隙，并使用手持振動棒將其夯實[12]。將每組膨脹管的連接桿用鋼絲繩連成整體(鋼絲繩與連桿相接處需隔離絕緣)，以防止膨脹管飛出或滑落，如圖9所示。

圖9 連接桿連成整體

激活器利用電能進行激發，當導電網絡中電阻較大時，將難以正常工作。此時應選用并聯導電網絡以減少網絡的電阻值。因此，單排試驗宜采用串聯導電網絡，而雙排試驗則宜采用并聯導電網絡，以便破巖試驗正常進行。

在連接起爆器主線前，應對網絡電阻進行檢測，當計算值與檢測值相差較大時，應查明原因，待合格后方可進行引爆[13]。二氧化碳引爆后，必須由專門的技術人員對現場進行檢查，確認無安全隱患后，方可允許其他施工人員進入現場。

4.6 二次預裂

引爆后，難免會產生一些體積較大的破裂巖塊，若未能達到裝車運輸的要求，則需進行二次預裂(如圖10所示)。

圖10 較大巖塊二次預裂施工

5 現場效果及分析

5.1 現場效果

兩次二氧化碳破巖技術測試效果如圖11、圖12所示。

圖11 單排布孔試驗破巖效果

圖12 雙排布孔破巖效果

5.2 效果對比分析

兩次二氧化碳破巖效果對比分析見表3和表4。

表3 二氧化碳破巖技術測試效果對比分析

表4 二氧化碳破巖技術測試地面振動效應對比分析表

由表3可知，對于中風化或微風化泥質粉砂巖、礫巖，采用雙排布孔的方式破碎效果更為明顯，孔位的縱橫間距應控制在1 m以內。

由表4可知，在單排試驗中，測點的振動速度低于0.1 cm/s，振動監測儀并未被觸發，表明該方案對環境的影響很小。

在雙排試驗中，振動監測儀被觸發，距離引爆區域較近測點的最大振動速度為2.187 cm/s，距離引爆區域較遠測點的最大振動速度為1.817 cm/s，均小于規范安全值(3 cm/s)[14-15]。另一方面，在兩個試驗中，飛石僅在10 m范圍內存在，進一步說明了二氧化碳破巖技術的安全性較好[16]。

6 結束語

二氧化碳液-氣相變膨脹技術是一種新型的破巖技術，相較于傳統炸藥爆破破巖技術，具有基本無振動、噪聲小，飛石少等特點，在復雜施工環境下有很大的推廣前景。另一方面，二氧化碳破巖的能量釋放強度很難與傳統炸藥爆破破巖技術相提并論，但遠大于靜力爆破、機械開挖等方式。因此，施工時應根據具體施工情況選擇不同的破巖技術。