公路高邊坡開挖二氧化碳膨脹破巖新工藝與應用

歐玉峰，張遠韜，肖婷

(廣東中人巖土工程有限公司， 廣東 廣州 510515)

1 工程概況

1.1 工程地質與環境

本項目是汕頭牛市田洋快速通道高邊坡開挖施工。該項目破巖施工段分四級邊坡，高度約34 m，石方總量約10萬m3，巖石為燕山晚期花崗巖，巖性堅韌，堅硬系數f=12～14。巖體風化程度強風化～微風化不等，完整性差，大部分呈孤立狀，且形體不一，為植被與第四紀沉積物所覆蓋，見圖1。工作區內地形較陡（自然坡度達40°以上），地表無大的水體，地下水為第四系松散層類孔隙水和塊狀基巖裂隙水，水文地質條件簡單。

圖1 開挖工作區巖石狀況

項目工作區位于汕頭市金平區內，與庵揭公路、南干渠緊鄰。施工區域最近距工區駐地約 100 m，距某工廠約80 m；距工區攪拌站約60 m，距220 kV高壓電塔約260 m；距某交通駕校的訓練場約160 m；邊坡東端的坡下便是一條需保護的3 m寬水泥公路。工程環境整體復雜，見圖2。

圖2 工程環境衛星云截圖

1.2 施工難點

（1）施工區地形陡峭，設備上下開展困難。

（2）巖石分散、風化程度不一，整體性差、多呈孤立、掩埋狀，且體形不一，氣體膨脹破巖參數靈活性大，把控難度高。

（3）氣體膨脹破巖大多需人為另開新的自由面，工作量巨大。破巖工程量較大，工期僅2個月，時間十分緊迫，且區內交叉作業頻繁，作業矛盾突出，氣體膨脹破巖施工僅限于白天其他工序工歇的時間內進行，工效與管理的要求高、難度大。

（4）工程環境復雜，安全風險高。開挖邊坡高，為半斷面開挖，上覆土松散，施工對終了邊坡及上覆層不得過度擾動，要求氣體膨脹破巖的振動速度不得超過 0.5 cm/s。這對氣體膨脹破巖有害效應的控制極具挑戰性。

2 二氧化碳膨脹破巖新工藝

2.1 工藝原理

根據液態二氧化碳相變破巖機理[1-2]，工藝上，二氧化碳膨脹破巖由起爆器輸出的電流，引發充氣致裂管中的激發管里面的點火頭發火放熱；處于致裂管內高圍壓中的激發管，其內部在熱作用下，點火頭周邊的加熱劑（一種發熱材料）快速反應，釋放大量的熱能，這種熱能又引發管內其他加熱劑高速反應，爆發出更多的熱能；在這種瞬時高熱作用下，致裂管中的二氧化碳被快速加熱膨脹，并瞬間氣化，壓力迅速提高到 100 MPa～300 MPa，體積膨脹到600倍以上；當氣體的壓力大于致裂管的封堵強度時，高壓氣體沖破管體焊接縫的約束，作用于致裂管周圍的炮孔巖壁上，產生“爆炸”現象，將巖石致裂和破碎；同時，通過控制裝入致裂管內的液態二氧化碳的質量，來控制“爆炸”做功的能力，實現相關工程的目的。

2.2 技術特征

本工藝采用本質安全的激發管和致裂管，工序上先裝管入孔，炮孔填塞完后再充氣入管。即二氧化碳破巖器材全部裝配好，并置入炮孔內，完成炮孔堵塞，且在孔內填塞質量達到設計要求后，才對孔內致裂管充裝二氧化碳。

該工藝顯著的優點是安全性高。經檢驗，所采用的用作激發液態二氧化碳氣化的激發管在自然狀態（常態）下，不燃燒、不爆炸，也不被雷管、炸藥、自身內置的引火頭等引爆，本質十分安全[3-5]。這種激發管在自然狀態下進行搬運、儲存、使用等操作不會燃爆，安全風險極低。所采用的致裂管為“一次性孔內充裝管”，管質材料惰性、強度可靠，在常態下搬運、儲存、使用等不會變形、變質，并且從結構和工藝原理上，徹底消除了“飛管”的安全隱患。工藝操作上，在二氧化碳充裝入管前，因致裂管、激發管等本質安全，所以人員操作沒有本質安全隱患；而二氧化碳充裝入管后，致裂管、激發管已被封堵在炮孔內，后續僅有連線與覆蓋操作工序，無關人員及設備這時均已撤離，安全風險已降至最低。

3 二氧化碳膨脹破巖技術方案

3.1 破巖開挖方案的選擇

根據總體開挖方案，邊坡分四級臺階開挖，每級高10 m，終了邊坡各級臺階預留寬2.0 m（見圖3），同時結合巖石狀況及工程實際，破巖確定采用“液態二氧化碳膨脹+機械破碎”方案和“鉆爆法+孔內充裝”新工藝，按自上而下的順序依次進行“小臺階作業法”施工，即破巖作業臺階高度為3.5 m～10.0 m，寬度由裝孔、二次破碎等設備作業與騰挪的安全要求確定為不小于4.0 m。

圖3 邊坡開挖典型斷面

對體積＞5 m3的孤石或整體性差的巖石，采用“鉆爆破解法”連續鉆孔、分批次集中處理，體積≤5 m3的孤石或整體性差的巖石，采用液壓錘機械破解隨機處理。

3.2 破巖器材的選用

氣體膨脹破巖器材主要包括二氧化碳儲氣容器及充裝機、激發器以及致裂器。二氧化碳儲氣容器與充裝機選用合格的專用杜瓦罐與充裝機，激發器選用防爆型電脈沖專用發爆器，致裂器選用經鑒定確定安全性能高、裝配式電熱激發管[3]和具有只能在孔內充裝液態二氧化碳功能的新型一次性孔內充裝致裂管。本項目鉆孔直徑為 90 mm～105 mm，與其相適配致裂器的技術參數見表1。

表1 破巖器材技術參數

3.3 破巖參數的確定

綜合相關文獻成果[6-9]并結合本工程實際，氣體膨脹破巖參數分“臺階破巖”和“孤石破巖”2種類型，經優化具體見表2、表3。

表2 臺階破巖主要參數

表3 孤石破巖主要參數

表3中各參數取值情況如下。

（1）鉆孔深度Lg由式（1）確定：

式中，Lg為鉆孔深度，m；Le為巖體質心到自由面的距離，m；Lc為致裂管長度，m。

（2）單孔破巖，在巖體幾何中心沿長軸向鉆一個炮孔；多孔破巖，采用以質心長軸線為中軸桶形直線平行鉆孔，孔數取 3～4個（體形超大孤石按完整性差的超大巖體處理），在保證最小抵抗線尺寸的前提下，孔間距取3～5倍炮孔直徑。

（3）整體性差的超大巖體，沿其長軸向中心線按“一字形”布置單排孔（相關參數參考臺階破巖孔網相應參數確定）。

（4）整體性差的超大巖體在其寬大于 3 倍臺階最小抵抗線時，按“臺階破巖”鉆爆處理。

3.4 炮孔裝管結構及布孔方式

參考相關文獻[9]及結合實際經驗，當炮孔深度≤8 m時，采用單管裝孔。炮孔深度＞8 m時，采用雙管間隔裝管結構，炮孔裝管結構見圖4。

炮孔分別按臺階破巖“單排一字形”和“多排梅花形”布孔（見圖6）、孤石單孔破巖與多孔破巖（見圖7）、完整性差的超大巖體破巖（見圖8）等多種方式布置。

3.5 激發網路

二氧化碳膨脹激發網路采用電激發網路。單排孔激發采用瞬時激發網路，聯網采用“串聯”方法。多排孔激發，采用延時激發網路，聯網采用“并-串”方式，即孔內致裂器并聯，同排孔串聯，延時通過使用延時繼電控制器來實現，前排孔先激發先響。后排孔后激發后響。激發網路見圖9。

圖5 “臺階單排一字形”炮孔布置

圖6 “臺階梅花形”炮孔布置

圖7 孤石鉆孔布置

圖8 超大巖體破巖炮孔布置

孔內致裂管激發網路，按照爆破振動安全閾值和一次性激發規模進行選擇。當一次性激發規模的量所產生的振動，小于振動安全閾值時，選用瞬時齊發網路，當一次性激發規模的量所產生的振動，大于振動安全閾值時，選用延時激發網路。研究表明[1]，微差激發的微差間隔時間取20 ms～40 ms為宜。

3.6 參數應用試驗

在施工區內選擇位置安全可靠、巖體能代表本工程不同類別的典型巖石，分別對臺階、孤石、大體形巖石等破巖參數進行少組量參數應用試驗。試驗成功后，按優化選定的參數及工序進行相應破巖施工。

3.7 施工順序

工藝每循環施工的順序為：作業面清整→布孔、鉆孔→確定破巖激發時間及時驗孔→做好破巖前的準備（處理不合格孔、專用器材檢測及預裝配、混制填塞材料、預制防護材料、專用設備檢查與維護、核定二氧化碳用量）→人員、材料、裝備入場→無關人員退場、停止附近其他作業→裝配并檢測破巖器材、裝管入孔→炮孔填塞、再次檢測孔內破巖器材→富余人員及裝備退場→對炮孔內的致裂管充氣→激發網路連接與檢測→落實安全防護→清場與安全警戒→激發起爆→安全檢查與處理→撤崗恢復。

3.8 安全警戒

據相關工程實踐經驗，類似二氧化碳膨脹破巖飛石飛散距離一般不超過30 m[10]。因此，本項目工藝施工按50 m安全距離布置安全警戒線，設置警戒崗哨封鎖進入該范圍的各通道，禁止人員、車輛等進入，并對警戒區進行清場。

圖9 起爆網路

4 安全技術措施

4.1 振動防范措施

振動控制與防范，采取下述措施：

（1）通過膨脹破巖試驗，優化參數，將振動及個別飛石控制在規定的振動與飛石安全閾值內；

（2）每次氣體膨脹破巖，確保抵抗線指向主要被保護對象的相反方向；

（3）保證堵塞質量和堵塞長度，淺孔堵塞長度應大于0.6L，中深孔堵塞長度應大于最小抵抗線的 1.2 倍以上，防止“沖孔”；

（4）鉆孔應精準，質量符合設計要求；

（5）及時清運破下的巖石，為后續破巖創造良好的臨空面；

（6）嚴格控制單次齊發規模和延時間隔激發的單響規模，采用延時間隔破巖技術，前后排間隔時間以不超過40 ms為宜。

4.2 飛石的防護

對氣體膨脹破巖溢散飛石的控制，一方面合理選擇最小抵抗線的方向，控制飛石飛出方向，不斷優化破巖參數，減小飛石飛散距離。另一方面對激發破巖的炮孔采取覆蓋防護的措施。對臺階破巖采用炮孔整體全覆蓋方式，對孤石破巖采用巖塊整體全包裹緊貼方式，見圖10。

圖10 飛石防護方式

5 施工管理要素

施工管理要素主要由工藝、質量、安全以及專用器材組成。其管理要點是，工藝上應做到設計合理、施工有序、操作精細、防護得當；質量上應工序合理、作業完整、參數精準、指標達標；安全上應做到技術可靠、措施得當、機制健全、落實有效、人員持證上崗、設備材料正規合格、施工規范、作業標準；專用器材方面，二氧化碳存儲容器的操作與使用，執行“壓力容器”使用與操作管理規程，激發管存儲、使用管理，執行“易制爆”管控標準[11]。

6 破巖效果及體會

在該項目應用中，本工藝保證了工程任務的如期圓滿完成，實施的功效及破碎效果令人滿意，安全效果優勢突出，實現了飛石弱、振動弱、噪聲弱的“四弱”施工，顯示了對高邊坡開挖過程的邊坡穩定性保持、安全敏感區等復雜環境下破巖作業時的具有不可替代性的優勢。

經現場檢測和統計，飛石均未飛出30 m，振動微弱，對高邊坡擾動影響極微，距爆區20 m處，振動速度值不足 0.23 cm/s，人員基本體察不到震感，沖擊波影響距離不足20 m，噪聲小，最大不足70 dB。

但需要指出，在工程實踐中，致裂管的氣密性、激發管的供熱狀況、工程地質條件（尤其是地質弱面的影響）對液態二氧化碳膨脹破巖的作用過程以及宏觀效果具有不可忽視的影響，應引起高度重視，并加強深入研究。