二氧化碳氣體致裂施工關鍵技術改進與應用

葉 靖

(中國水利水電第八工程局有限公司，湖南 長沙 410004)

1 工程概況

貴州省安順市“人和苑”項目南鄰黃果樹大道，西鄰安順市人民醫院，東臨“家運天城”小區。該項目由1#～8#塔樓及S1、S2裙樓組成，建設用地總面積36591.0 m2，總建筑面積198740.40 m2。本工程主體結構為框剪結構，建筑統一設置-2F地下室，設計±0.00標高為1358.10 m，地下室底板標高劃分為1349.30 m和1348.80 m兩個區域。

本工程重要性及場地復雜等級都比較高，巖土工程勘察等級為甲級。基坑開挖深度為9～10 m，石方開挖量23萬m3，周邊有重要構筑物，如果破壞后果較嚴重。

2 氣體致裂原理

二氧化碳氣體裂巖原理，就是利用二氧化碳3種形態轉化，通過溫度控制，二氧化碳在一定的高壓下可轉變為液態，通過高壓泵將液態的二氧化碳壓縮至儲液管內，裝入定壓剪切片、發熱裝置及密封裝置，并擰緊合金帽等裝置，完成了爆破前的所有準備工作。工程現場將致裂管和起爆裝置器及足夠長電源線攜至致裂現場，由于致裂管較重且較長，借助現場挖掘機破碎頭吊入鉆孔中固定好，然后用瓜米石填充，振搗器振動輔助，將其密實。各項準備后連接起爆裝置電源。當電流通過高導熱裝置時，短時間內產生高溫并立馬擊穿安全膜，瞬間將液態二氧化碳變成氣體，氣體過程急劇膨脹，并產生高壓沖擊波致定壓剪切片自動打開，巖石被瞬間沖擊波向外迅猛推進，導致基巖破裂，從起爆至整個結束過程時間極短，只需0.4ms，且受周圍環境影響較小，二氧化碳屬于惰性氣體非易燃易爆物質，與周圍環境的空氣不相融合，爆破過程就是體積膨的過程，不產生任何有害氣體。

3 致裂器的基本結構

二氧化碳氣體致裂管如圖1 所示。

圖1 二氧化碳氣體致裂管示意

(1)充裝閥。注入儲液管液態二氧化碳的開關，充裝放置帶有計量裝置，待注入至規定重量時關閉，要求有良好的密封性能，采取面接觸式密封。

(2)發熱裝置。由啟動器、發熱材料、保護罩或支架組成，為儲液管內液態二氧化碳氣化提供熱能的裝置。

(3)儲液管。采用高強度合金鋼材制作的耐高壓(≥300 MPa)、耐高溫(≥1800 ℃)管式容器，用于儲存規定重量二氧化碳。

(4)定壓剪切片。定壓剪切片是指儲液管氣體壓力超過材料剪切壓力時迅速破裂的預設壓力原件，也是控制卸能壓力的零件，可通過使用不同規格的剪切片得到不同的釋放壓力。

(5)釋放管。釋放管指儲液管氣體壓力造成定壓剪切片破裂，高壓氣體瞬間從管中噴射出來的原件。

4 致裂的比選

爆破法是最傳統、最主流的方法，具有快速、經濟等優點，但同時爆破易產生飛石、振動、粉塵、噪音等，爆破飛石、噪音可通過控制單耗以及加強防護等措施控制，爆破振動可通過采用數碼電子雷管控制單孔單段藥量進行控制，爆破粉塵可采用噴霧進行控制，這些措施的采用將使爆破成本增加。最主要的是目前爆破器材管理嚴格，單次爆破炸藥的運輸成本至少2000元，且器材供應時間不可控，對于小規模爆破已不具備經濟、快速等優點。

膨脹劑靜態破碎，具有無聲、無振動等特點，然而施工效率低、施工條件惡劣、施工成本高，不利于大規模作業，特別是在巖土中，膨脹劑將沿孔壁裂縫流入巖體，導致保護區的破裂，僅適合振動、飛石、粉塵控制要求極嚴的部位開挖。

液壓錘機械破碎，具有作業人員勞動強度低、基本無飛石等特點，但持續噪聲及粉塵對環境污染大，對工作面有一定要求，不適合小洞子等狹窄地段施工。

二氧化碳相變致裂破巖是近年引入國內并推廣使用的破巖技術。該技術具有快速、安全等特點，由于二氧化碳相變致裂在孔內產生的氣體壓力遠低于同孔量常規爆炸在孔內產生的壓力，因此，破巖過程中產生的飛石、粉塵及振動遠低于爆破所產生的飛石、粉塵及振動，且不產生有毒有害氣體。適合環境復雜，對振動、飛石、噪聲及粉塵控制要求嚴格的區域施工。

本項目周邊建筑全部建設完成，且距離較近，為確保施工安全，且工期要求緊。如采用鉆爆方式每次爆破流程較長，而且離建筑物及鐵軌較近，很大可能無法完成，且鉆爆所產生的噪音、震動、飛石、粉塵較大，會直接影響到電廠內建筑物及職工的日常生活、辦公。根據類似工程經驗，擬采用二氧化碳相變致裂破巖技術對巖石進行施工。

5 致裂試驗情況

經實地勘查，該致裂區域的基巖為巖溶化原山地，屬典型的喀斯特峰叢、峰林，主要為溶蝕山間槽谷地貌，其間錐狀峰林與平坦開闊的溶丘平地、溶蝕壩地廣布，總體地勢高差不大。巖石鈣質膠結良好，巖石分布不勻，節理錯亂，呈不規則形態產狀，部分區域有巖溶水溢出。巖體為中硬巖石，普氏巖石系數f=8～12。待致裂區出露地層有：第四系、二疊系上統、二疊系下統，石炭系下統；區內構造為斷裂，大都為隱伏斷層，受巖性和構造影響，局部地段巖體破碎，巖石性質為泥質砂巖，出露基巖為石灰巖，地表土覆蓋層一般厚度在1.5～4 m之間，分布不均勻。

5.1 試驗目的

由于基坑周邊建筑物密集，特別是市人民醫院建筑物距施工邊線最小距離十幾米，經幾種常規爆破施工工藝，不能滿足現場安全需要，通過二氧化碳氣體致裂關鍵技術改進的試驗，調整各項參數，是否能解決硬巖開挖難題。通過試驗確定臨空面、鉆孔孔深、孔距、裝管長度和堵塞長度等相關參數，為分析和提高二氧化碳氣體致裂工效提供各項數據。通過試驗檢測該致裂各項參數對周邊震動、飛石、污染、噪音等的影響。

5.2 試驗參數

本次試驗塊選取人工預先鑿好臨空面且具有代表性，本工程采用致裂管參數為：選用122型致裂管，充裝的二氧化碳重量為9.9 kg，以及配選108型致裂管，充裝的二氧化碳重量為6.8 kg，本項目單耗二氧化碳量為0.3～0.45 kg，本工程綜合致裂方量約為35 m3/管。致裂工作面及鉆孔等參數擬采用以下參數：①預造臺階深度：H=4.5 m；②超孔孔深：h=0.5 m；③鉆孔總深度：L=H+h=5.0 m；④孔間距：a=(0.4～0.6)L，在此取2.5 m;⑤排距：b=2～2.5 m;⑥最小抵抗線：Wm=2.5～3 m;⑦堵塞長度：ho=2.1 m;⑧裝管長度：h1=2.5 m(圖2)。

圖2 鉆孔布置平面示意及臺階鉆孔布置剖面

5.3 致裂振動安全振速的計算、校核

此項目施工現場區域，綜合考慮周邊建筑物的重要性，對致裂作業環境相求較為嚴格，主要對破碎后產生飛石的控制要求極高，每次致裂的震源與需保護目標之間的距離是已知的，施工時必須采取切實可行的安全防范措施，本項目主要保護對象所在地兩個指標即：基礎質點峰值振動速度和主振動頻率，在致裂前專業人員計算出致裂時致裂最大單段致裂量及允許的最大致裂量，其公式結合二氧化碳致烈的測量結果，結合此數據(第一個點距離40 m，測震0.2，第二個點距離17.5 m，測震0.2，第三個點的距離22 m。測震0.3)

在本工程中，分別對周圍建筑物和管線進行單段允許藥量核算如下：V=1.5 cm/s(圖3)。

5.4 致裂效果

本次二氧化碳氣體致裂試驗效果非常明顯，試驗區域巖層全部破除，致裂效果圖片如圖4 所示。

5.5 試驗總結

(1)試驗結果表明氣體致裂能力基本滿足中風化巖層施工要求，可操作性強，工藝簡單。本次試驗通過試驗發現該裂巖方法對基坑周邊震動、飛石、污染、噪音等的影響等較小，二氧化碳致裂可控性比普通爆破好很多。

(2)采用二氧化碳氣體致裂施工關鍵技術改進，工藝簡單，對中風化巖層致裂效果總體受控，達到預先效果且對周邊環境影響較小。滿足本工程石方總體開挖進度，同時也能滿足周邊建筑物安全性要求，同時對推廣市政建筑及無法使用爆破施工的石方開挖起到了一定借鑒作用。

6 致裂參數優化研究

6.1 致裂影響因素

①鉆孔內有積水：容易導致致裂管飛管；②致裂巖層有裂隙：導致漏氣，致裂效果不佳，易產生大體積塊石；③致裂延時問題：目前采取單排或雙排致裂施工，效率不高；④致裂臨空面及爆破方向：目前是垂直方向致裂施工，水平致裂易產生飛石，無足夠臨空面會導致致裂效果不佳。

圖3 致裂振動速率現場數據采集

圖4 二氧化碳氣體致裂試驗效果

6.2 致裂工作面的現場參數改進優化

液態二氧化碳相變致裂技術通過在本項目的實施應用，發現了影響或制約致裂效果的因素，如孔內積水、巖層存在裂隙、致裂延時問題及致裂臨空面和致裂方向等因素。前期在方案實施過程中，因受以上因素影響，導致致裂效果不理想。為使該致裂技術能更好地發揮致裂效果，達到降低成本、增強功效、提高效率的目的，在方案實施的后期要不斷對參數進行試驗調整。

(1)根據地勘資料顯示，本項目巖層地下水位較高、巖層裂隙發育，針對孔內積水的鉆孔，在臨空面底部設置排水溝，采用高壓風對鉆孔進行沖洗，確保孔內無積水；通過調整鉆孔間距或排距，在裂隙區域加密鉆孔布置，以保證達到致裂效果；

(2)針對致裂延時問題，根據巖層結構分布結合現場工作面實際，調整鉆孔間距、排距及增加鉆孔深度(調整致裂管的長度及管徑)，采用多排延時致裂(排間設置延時器起爆)，以提高爆破質量和工作效率；

參照文獻[7]中的實驗網絡拓撲，利用防火墻將典型企業網絡隔離為允許外網直接訪問的DMZ區和不允許外網直接訪問的內網辦公區，其中DMZ區部署1臺Web服務器，內網辦公區部署1臺數據庫服務器和3臺辦公主機，允許Web服務器訪問內網辦公區的數據庫服務.下面通過MATLAB仿真分析單、多脆弱性變換下，脆弱性數量、變換周期及變換空間與NDD有效性的關系.

(3)針對致裂臨空面及爆破方向問題，根據現場條件適時調整鉆孔傾斜角度、鉆孔深度、間距等，以提高爆破質量效果。

7 二氧化碳氣體致裂實施工藝

7.1 鉆孔布置

根據本項目地勘提供巖石性質，致裂管長度及裝約量，臨空面間距、臺階高度等分別布置，根據本工程裂隙分布特點，不同的巖石性質，臺階布置不同，本項目選用的布孔方式為直列布孔方式。根據現場實際進行局部調整。

7.2 鉆孔

鉆孔設備采用KY130型露天潛孔鉆機進行施工，鉆孔深度4.5 m，各致裂孔底部誤差均，不得大于致裂孔深度的5%。巖面一般布設兩排孔，且呈梅花型布置，鉆孔孔徑為140 mm，致裂孔深度必須滿足技術及規范要求，對不合格的孔按規一律定進行補鉆，直至達到要求。

7.3 氣體量控制

根據本項目特點，根據地勘資料查出不同巖石性質，也根據現場裂隙走向設置臺階高度，根據不同巖石硬度及致裂管孔徑及致裂管二氧化碳充裝數量布置臨空面間距、沿裂隙方向布置一條線，項目技術負責人與致裂廠家專業人員檢查。

7.4 成孔檢查

鉆孔成型后，裝致裂管前要對鉆孔進行檢查，主要進行二方面檢查：一是檢查鉆孔平面布置是否符合設計要求間排距等參數，二是檢查鉆孔深度、成孔質量及完成后雜質是否清理干凈。

7.5 致裂管吊裝及填充

成孔后現場采用挖掘機破碎頭吊裝入孔，然后向孔填內填選好中粗砂作為填充物；致裂孔有水時要做排水后方可作業，如果孔內水排不盡時采用水泥等膠凝材料參合物進行固化。孔內填塞時要邊填塞邊用炮桿搗實，為了保證每個孔內都填實要求，還輔助振動器振動致裂管。對填孔時造成致裂孔卡堵、填孔不實的現象，一旦出現致裂孔卡堵填塞不實的情況，采用挖掘機將其吊出，然后處理孔，再次吊裝，直至全部達到要求。

7.6 致裂管連接及防護

本項目巖石分布情況，采用2根φ30 mm鋼絲繩對所有致裂管進行連接，確保致裂管處于整體狀態，每個致裂管端頭吊鉤用繩卡固定法與鋼絲繩連接，在啟爆時不會單個飛出，為了絕對安全，額外還用一條布帶(10T)把每個致裂管頭部再次連接起雙層保護作用，最后防啟爆飛石采用廢舊車胎編制而成炮被(規格2 m×2 m)對每一個孔覆蓋且用鐵絲與鋼絲繩綁扎，從而達到三層防護。

7.7 網絡聯結

網絡聯結由有經驗的技術員操作，采取串聯方式(圖5)。

圖5 串聯網絡示意

7.8 激發

將現場裝好所有致裂器用導線聯好，依次連接到激發器上，由專業人員將激發器移至安全位置，現場進行警戒的，待人員全部撤離警戒區域即方可激發裂巖。

7.9 回收

將現場致裂完成后的致裂器運到操作間，把致裂器放在拆裝臺；由專業人員按流程處理致裂器，首先將外形損傷的及時進行修理，達到要求；由專業人員對致裂器進行拆卸，將其內部的殘渣進行清理，達到下次使用要求，最后全部放置陳列架上。

8 結語

本工程成功應用二氧化碳致裂關鍵技術改進相關參數，通過預先人為制造臨空面，然后在巖體上進行鉆孔裂巖施工，使巖體致裂后通過機械輔助將其滑動，運出后再次形成臨空界面，繼續沿著裂巖后的臨空面方向鉆孔，進行二氧化碳氣體致裂施工，逐漸循環直至開挖邊線。這樣能高效快速地完成深基坑石方的開挖。對類似明挖基坑施工起到一定借鑒作用，同時也可促進城市建設石方施工技術的安全，并滿足城市建設的綠色施工要求。