液態二氧化碳致裂巖石關鍵技術研究

韓永貴

摘 要：隨著我國經濟發展和城市化進程加快，高速鐵路對城市發展的制約逐步顯現出來，對既有高速鐵路的擴建及改建工程勢在必行。本文結合京滬高鐵泰安站地下通道改擴建施工，對高速鐵路旅客地道接長安全爆破技術進行總結歸納。

關鍵詞：高速鐵路;旅客地道;沉降觀測;液態二氧化碳

中圖分類號：TD712.6文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2020）25-0067-04

Abstract： As China's economic development and urbanization accelerate， the constraints of high-speed railways on urban development have gradually emerged. It is imperative for the expansion and reconstruction of existing high-speed railways. This paper summarized the safe blasting technology of the passenger tunnel connection of the high-speed railway in conjunction with the reconstruction and expansion of the Beijing-Shanghai high-speed railway Tai'an station.

Keywords： high-speed railway;passenger tunnel;settlement observation;liquid carbon dioxide

1 工程概況

京滬高鐵泰安站既有西外環路向西改移至站前平臺下部，并下穿接長出站通道和進站地下通道。新建西外環路下穿站前平臺結構形式為2～13 m鋼筋混凝土連體框架，共401.14 m。設計框架內凈高有7、7.08、7.5、8、8.5、9.5、10.5 m共7種形式，頂板厚1 m，底板厚1 m，邊墻厚1.1 m，中墻厚1 m，基坑開挖深度10～16 m。框架橋兩端為U形框架結構形式，全長278.4 m，結構內徑27 m，邊墻厚1.1 m，基坑開挖深度3～10 m。進站換乘通道為1～5 m鋼筋混凝土框架，基坑開挖深度1.7～10.3 m。

2 工程特點、選用技術及施工難點

本工程西外環路框架橋基坑9#段向北地質為I級堅石，巖體完整，節理不發育，巖石強度高，經現場取樣試驗，巖石強度達到102 MPa。

京滬高鐵泰安站既有西外環路框架橋由于臨近泰安高鐵站，并且巖石硬度高、整體性好、方量大，基坑開挖無法采用常規爆破開挖，單獨采用挖掘機破碎法施工進度慢;加之本項目工期緊，用膨脹劑靜態爆破太慢且致裂巖石效果不好，故選用液態二氧化碳致裂巖石施工技術。該技術能有效解決框架橋離既有建筑物近、基坑巖石硬度大、難開挖的難題。

西外環路和旅客進站換乘通道基坑開挖距離既有建筑物較近，基坑巖石強度高，市區內臨近營業線基坑開挖采用液態二氧化碳致裂巖石施工，在國內無工程實例可以借鑒，因此，液態二氧化碳致裂巖石施工技術、既有建筑物安全防護、環境保護等方面都存在需要研究解決的技術難題。

3 研究方法及技術路線

3.1 技術路線

第一，根據施工現場情況及中鐵工程設計咨詢集團有限公司濟南設計院提供的地質資料進行詳細調查。

第二，通過現場試驗確定液態二氧化碳致裂巖石采用的致裂管規格、型號，確保基坑兩側既有建筑物基礎穩定安全。

第三，形成液態二氧化碳致裂巖石施工技術和施工工藝[1]。

3.2 研究方法方案選比

新建西外環路和高鐵泰安站旅客進站換乘通道基坑距離高鐵泰安站站房與既有西外環路橋臺較近，基坑下部巖石體積大、強度高、整體性好，施工期間基坑邊坡外側進站、出站道路正常通行，人流量大，作業空間有限。根據《鐵路運輸安全保護條例》規定：在鐵路線路兩側路堤坡腳、路塹坡頂、鐵路橋梁外側起各1 000 m范圍內，以及在鐵路隧道上方中心線兩側各1 000 m范圍內，禁止從事采礦、采石及爆破作業。

結合現場實際情況，并根據濟南鐵路局要求，對于液壓破碎錘施工、劈裂機劈裂巖石、可循環二氧化碳致裂巖石、一次性二氧化碳致裂巖石等施工技術方案從技術、進度、成本、環保等方面進行了對比分析，情況如表1所示。

經方案比選，確定液態二氧化碳致裂巖石施工技術為最終劈裂方案。其優勢主要表現在安全性與環保方面。一方面，在整個致裂過程中，只是從液態二氧化碳到氣態二氧化碳，沒有有害物質產生;生產、儲存、運輸過程中，絕對不會發生爆炸。另一方面，在致裂過程中，不會像炸藥爆炸一樣產生大量一氧化碳等有毒有害的氣體，以及大量粉塵。

4 二氧化碳致裂原理及計算

4.1 液態二氧化碳致裂巖石原理

二氧化碳致裂巖石的原理是利用液態二氧化碳在突然快速加熱的條件下，急劇快速氣化膨脹，產生強大沖擊力，通過適當的控制，造成致裂破巖的效果。

具體來講，首先，將活化器裝入致裂管內，對致裂管進行嚴密封閉，采用自動充裝機將液態二氧化碳裝入致裂管內;其次，采用高能脈沖起爆器激活致裂管中的活化器，使液態二氧化碳在快速加熱的條件下，體積急速膨脹600倍以上，產生強大的沖擊力（200～400 MPa），沖破致裂管，從而對周圍巖石產生沖擊力，產生破壞作用，形成破巖效果。

4.2 液態二氧化碳致裂巖石計算

根據計算，二氧化碳致裂管致裂巖石遠遠小于炸藥的能量。根據廠家提供的數據以及相關經驗，致裂孔周圍2～3 m沒有破壞作用了，故選取一段試驗段分別進行試驗，確定致裂管的型號及致裂孔布置。

4.2.1 試驗段選擇。針對本工程地質巖石強度高，基坑兩側距離泰安站站房和既有西外環路橋梁基礎較近，為保證既有建筑物穩定安全，確定合理技術方案，經現場調查，選擇13#框架橋基坑中一段作為試驗段。該段距離泰安站站房較遠，外側無旅客進站人員，確保施工安全。

4.2.2 材料設備準備。根據廠家提供，致裂管直徑大小有三種型號，分別為76、89、108 mm。潛孔鉆、自動充裝機、加壓泵各一臺，儲液罐一個以及相關配套用具。

4.2.3 現場場地布置。采用破碎錘提前做好臨空面，潛孔鉆鉆孔。根據廠家的以往經驗及巖石的強度，孔距按1.5、2、2.5 m，孔深為3 m和4 m，排數按1排、2排、3排，分別對每種型號致裂管進行試驗，觀察其效果。

4.2.4 致裂效果。致裂效果具體如表3所示。

通過現場試驗對比，選用108 mm型號致裂管，致裂孔布置按孔距2 m，深度4 m，排數2排，能夠達到理想的效果，致裂巖石效果好，噪聲、揚塵控制效果佳，對兩側建筑物無影響。

5 施工方案

5.1 施工準備

第一，對施工人員進行有針對性施工組織、施工方案技術交底;第二，做好臨空面、致裂孔定位工作;第三，提前將基坑兩側巖石采用潛孔鉆機鉆孔將巖石切割，防止致裂時擠壓巖石，影響站房及既有橋臺基礎穩定。

5.2 施工工藝及方案

5.2.1 施工流程。施工流程具體如圖1所示。

5.2.2 沉降觀測。沉降觀測主要包括站房側沉降觀測和既有西外環路橋梁沉降觀測兩方面。

第一，站房側沉降觀測。站房側沉降觀測主要采用以壓差式靜力水準儀為核心組成的24 h自動化在線監測系統。監測范圍主要包括高鐵路基、泰安站站房基礎。對監控項目中的監測點采用遠距離自動化監測系統，配備計算機及相關軟件，以便及時處理監測數據，并在數據處理系統中采用設置預警值系統，以保證對監測對象實施24 h實時監控。

第二，既有西外環路橋梁沉降觀測。在橋梁頂每隔10 m設置一個沉降觀測點，采用電子水準儀進行測量，致裂前與致裂后進行數據對比，確保基礎穩定安全。

5.2.3 破碎錘施工。巖石致裂完畢后，由致裂人員確認致裂管致裂情況，通過電阻測試法確認是否有未破裂儲液管的情況。利用萬用表測量致裂后每根致裂管兩端的電阻，當電阻為0時為已破裂;當致裂管顯示電阻不為0時為未破裂。未致裂排除方法，對儲液管重新連線起爆。

由致裂人員確認完畢后，通知現場負責人可以進行下一步施工。采用450型破碎錘對致裂后巖石進行破碎，巖石已產生裂紋，需破碎成小塊后裝車外運，通過二氧化碳致裂后，大大提高了破碎錘施工工效，加快了施工進度。

6 安全控制措施

嚴格按照《操作手冊》執行。確保施工程序、流程科學、安全。

第一，新建西外環路框架橋距離既有西外環橋臺基礎較近，為避免二氧化碳致裂時擾動基礎地基，利用潛孔鉆機順橋臺基坑開挖邊界進行南北向打孔切割巖石層，風鉆鉆孔直徑為10 cm，間距為20 cm，隨每層致裂深度逐層向下切割。

第二，液態二氧化碳致裂巖石前，認真檢查致裂孔封堵情況，并控制好時間，采用橡膠炮被對致裂孔2 m范圍內進行覆蓋。

第三，確保致裂孔填塞質量，致裂孔內有水要做排水處理，致裂前采用自吸泵先將孔內水抽干。

第四，施工前收集好基坑周邊沉降觀測點數據，實施后對沉降觀測點進行復核并做好記錄，確保基坑周邊穩定。

第五，致裂時由現場負責人統一指揮，防護人員對四周環境進行確認，確認后由現場負責人下達致裂命令。

第六，致裂后由現場負責人對基坑周邊做好檢查，檢查無問題后結束本次致裂巖石施工。

7 勞力組織及機械設備

7.1 勞動力組織

根據現場實際情況，投入本工程1個作業班組，作業人員20人，分為3個部分，即致裂管組裝、致裂孔施工、致裂管安裝和致裂。其中，致裂管組裝人員主要負責致裂管前期各構件檢查、安裝、運輸，共有作業人員10人;致裂孔施工人員主要負責致裂管孔洞鉆孔、清孔，防護施工，共有作業人員5人;致裂管安裝和致裂人員負責運送至現場的致裂管安裝、孔洞封堵及致裂管致裂，共有作業人員5人。

7.2 主要機械設備

主要機械設備詳見表4。

8 經濟社會效益分析

8.1 經濟效益

通過本課題的研究，將研究成果應用到京滬高鐵泰安站西外環路改造工程中，破碎巖石采用破碎錘施工，需要5個半月，全部費用為687萬元;采用本技術，提高破碎錘施工工效，3個月施工完畢，總價節約費用328萬元。

8.2 社會效益

第一，液態二氧化碳致裂巖石加快了巖石破碎效率，縮短了施工工期。

第二，為臨近既有建筑物基坑巖石破碎施工探索出一條全新思路，液態二氧化碳致裂巖石振動小，振動力向臨空面側釋放，保證了既有建筑物的牢固穩定。同時，為類似工程提供了新的經驗。

第三，通過項目部的共同努力，安全、順利地完成了西外環路基坑的開挖施工。二氧化碳致裂巖石工藝、施工安全保證措施受到監理、業主等單位的高度評價，為企業樹立了良好的形象。

9 結語

本課題研究的液態二氧化碳致裂巖石施工技術可對整體巖石進行致裂產生裂紋，提高破碎錘施工工效，解決了本工程地下巖石硬度大、整體性好、方量大、工期緊及僅用破碎錘施工無法克服的難題，加快了基坑開挖進度，縮短施工周期，降低了施工成本。同時，液態二氧化碳致裂巖石產生的振動微弱，破壞力很小，對周圍建筑物、鐵路線安全運營不會產生影響。與炸藥爆炸相比，不會產生大量粉塵以及大量一氧化碳等有毒有害的氣體，而且產生的噪聲低，致裂孔口采用炮被進行封堵，降低了施工粉塵，保護了環境。

參考文獻：

[1]趙海洋，二氧化碳爆破技術在高速公路施工中的應用[J].交通世界，2016（12）：15.