液態CO2 爆破技術在鄰近邊坡基坑開挖中的模擬研究*

李維

(中國鐵建港航局集團有限公司，廣東 珠海市 519000)

0 引言

爆破技術被廣泛應用于大型水利工程、交通建設以及礦山開采等領域，對于促進我國社會經濟的高速發展有著不可替代的作用[1]。目前常用的爆破技術一般是炸藥通過化學反應，產生巨大的能量，對物體原有結構進行破壞的一種技術。爆破過程中不僅產生巨大的噪音和一氧化碳、氮氧化合物等有害氣體，且伴隨著爆炸沖擊波及飛石的危害，爆炸后也會對巖層結構產生一定程度的破壞，導致地震的發生[2]。

物理爆破技術相比化學爆破技術來說，不僅能杜絕有害氣體的產生，且由于釋能方式不同，產生的沖擊波危害較小，能最大程度地減小飛石和粉塵的污染[3]。液態二氧化碳相變爆破就是一種典型的物理爆破技術，其做功主要依靠液態二氧化碳相變產生的氣體膨脹能，能量轉化利用的效率高，是一種可以安全高效代替炸藥爆破的破巖方式。S.P.Singh[4]闡述了二氧化碳致裂裝置的主要構成和使用方法，并在Bulawayo金礦進行試驗，驗證了二氧化碳爆破可以達到炸藥爆破的效果。劉光輝等[5]對比了炸藥爆破與二氧化碳致裂技術，認為二氧化碳爆破具有產生振動小、安全性高等優點。董慶祥等[6]根據二氧化碳致裂技術作用機理，通過LS-DYNA數值模擬和現場試驗確定了二氧化碳相變致裂的半徑及TNT當量計算方法。李啟月等[7]在地鐵基坑開挖中運用二氧化碳爆破技術替代傳統炸藥爆破，取得了不錯的效果。熊宏武等[8]在周邊環境負責的綜合管廊開挖中運用二氧化碳爆破技術，消除了傳統炸藥爆破存在安全隱患和振動損害等問題。同時，二氧化碳致裂技術在煤層增透和瓦斯抽采等方面[9-12]也有著廣泛應用，通過改善煤層狀態保證了回采的安全性并大幅提高了礦山的經濟效益。從以上研究可以發現，二氧化碳爆破技術已經應用于礦山、公路等多個工程領域，但目前針對液態二氧化碳爆破技術在臨近邊坡的基坑開挖中應用的研究較少。因此，本文對液態二氧化碳爆破對臨近邊坡穩定性的影響進行了研究，為類似工程提供參考。

1 工程概況

隨州市繞城南路地下綜合管廊項目全長為4.15 km，斷面尺寸為5.55m×3.75 m。起點段 K0+080-K0+660 以深路塹為主，邊坡巖性主要為強-中風化云母片巖，局部有花崗巖巖株出露。K0+080-K0+320 段深路塹巖層產狀 210°∠75°，與邊坡坡向呈大角度切向相交，但是邊坡巖體較破碎并發育有多組構造裂隙，邊坡穩定性較差，其中 K0+210-K0+320 段邊坡已發生垮塌；K0+400-K0+660 段路塹巖層產狀 33°∠65°，為順向坡，邊坡巖體破碎已發生多處滑塌。擬建管廊位于路塹坡腳，距離邊坡很近，如圖1 所示。

圖1 綜合管廊基坑斷面

基坑開挖對邊坡穩定性有較大影響，極易造成邊坡垮塌、滑移。傳統的炸藥爆破能量較高，存在安全隱患。從安全高效的角度綜合考慮，本工程決定使用D95型CO2致裂管對基坑進行相變爆破開挖。通過數值模擬的方式對爆破過程進行研究，并監測爆破過程中邊坡的振動情況，確定合理的布孔參數。

2 二氧化碳爆破布孔參數模擬

2.1 數值模型與邊界條件

在PFC2D 數值模擬軟件中，試驗材料都是由圓形顆粒組成，顆粒之間通過不同的接觸方式進行連接。軟件內置的平行鍵接觸可以給顆粒間提供黏聚力，抵抗材料的拉伸和剪切破壞，適合模擬巖石材料的變形和破壞。

首先對工程區巖層進行簡化處理，建立了一個共包含25 556 個顆粒的邊坡模型。為了在保證運算精度的前提下提高運算速度，爆破區生成的顆粒半徑為4～6 cm，其他區域隨機生成的顆粒半徑為12～18 cm，如圖2 所示。路基巖層主要以花崗巖為主，邊坡為風化云母片巖，具體參數見表1。在邊坡上設置4 個監測點，監測基坑爆破施工對邊坡穩定性的影響。

圖2 數值模型

表1 巖體物理力學參數

模型的邊界條件設置為底部顆粒限制豎向速度，兩側顆粒限制水平方向速度。在爆破過程中，模型邊界還需要吸收入射能來模擬半無限邊界條件，在PFC2D 中可以通過對邊界施加邊界力來實現這一過程。邊界力F與顆粒運動速度的關系為：

式中，ξ、η為縱波、橫波彌散效應修正系數，一般取0.35；R為顆粒半徑；Cp、Cs分別為縱波和橫波的波速；、分別為顆粒的法向和切向運動速度；ρ為巖體密度。

2.2 二氧化碳爆破致裂方程

液態二氧化碳相變致裂過程屬于高壓氣體沖擊爆破，主要是通過二氧化碳氣化形成的強大推力導致炮孔周圍形成初始裂紋，然后高壓氣體進入初始裂紋中，在膨脹靜壓力作用下使初始裂紋發生延伸和擴張。為確定數值模擬中超臨界二氧化碳的氣爆參數，通過爆破壓力測試實驗測得D95 型二氧化碳致裂管的壓力時程曲線，如圖3 所示。

圖3 二氧化碳沖擊壓力時程曲線

選用JWL 狀態方程確定超臨界二氧化碳氣爆過程中的氣體壓力變化，其表達式為：

式中，P為氣體壓力；ρ0為初始氣體密度；ρ1為變化后的氣體密度；Em為初始比內能；A1、B1、R1、R2和ω為材料常數。

以JWL 狀態方程擬合圖3 的沖擊壓力時程曲線，并作為爆破荷載施加在炮孔邊界，各參數取值見表2。

表2 JWL狀態方程參數

2.3 模擬結果分析

根據工程經驗設置3 種初始布孔方案。方案一，采用3 個間隔為3.2 m 的垂直孔，孔深6.95 m，每個垂直炮孔安裝了三支致裂管，孔口堵塞2.4 m。方案二，在垂直炮孔的兩側增加2 列傾斜炮孔，采用垂直炮孔與傾斜炮孔相結合的爆破方式，兩側的傾斜炮孔各安裝2 支致裂管，孔口堵塞長度為1.6 m。方案三，在方案二的基礎上增加控制孔，控制孔布置在垂直孔中間。具體布孔參數如圖4 所示。

圖4 布孔參數

對3 種不同方案進行了模擬研究，在爆破10 ms時，爆破孔周邊裂紋擴展情況如圖5 所示。由圖5可以看出，如果不設置控制孔，則炮孔周邊約1 m范圍內為壓碎區，裂紋分布密集，但相鄰兩垂直孔間的裂紋未完全貫通。若增設控制孔，則垂直孔周邊的裂紋延伸至控制孔，相鄰垂直孔之間的巖石將會被完全破碎。由圖5 還可以看出，爆破過程中拉伸裂紋數量遠遠多于剪切裂紋數量，說明在高壓氣體的作用下巖石主要以拉伸破壞為主。方案一與方案二對比說明傾斜孔可以有效增加裂紋數量，增強巖石破碎效果。方案二與方案三對比說明控制孔可以增加巖石的自由面，導致裂隙進一步擴展，巖石破碎效果更顯著。

圖5 10 ms時裂紋的擴展

圖6 為3 種爆破方案不同時刻爆破區顆粒的位移情況。其中方案一起爆后，垂直炮孔兩側裂隙擴展，最終爆破效果呈漏斗狀，爆破區中部地表巖石塊度較大，不利于現場運輸，需要二次破碎。方案二起爆后，由于增加了傾斜孔，致裂管數量增加，在垂直孔與傾斜孔的共同作用下，爆破區中部巖體破碎后塊度適中，且爆破后底部呈倒梯形狀，與預期結果相差不大。方案三爆破后，由于增加了控制孔，爆破自由面增多，導致爆破后巖石破碎效果更加明顯，爆破后成型效果較好，且巖石塊度較小，有利于運輸。但這也將導致爆破產生的飛石速度增大，爆破過程應注意飛石的危害。

圖6 不同爆破方案爆破效果

模擬監測了爆破過程中邊坡的質點振動情況（見圖7），從圖7 可以看出，基坑爆破引起了邊坡的振動，在前50 ms 內邊坡質點振幅較大，隨后振動逐漸減弱。隨著監測點距爆源距離的增加，監測點1 至監測點4 質點振動速度不斷降低。方案一由于未布置傾斜炮孔，所用致裂管較少，因此引發的邊坡振動較小，最大振幅為2.53 cm/s。方案二使用傾斜孔與垂直孔結合爆破，邊坡質點最大振幅為3.62 cm/s。方案三由于增加了控制孔，在一定程度上減弱了爆破應力波的傳遞，邊坡的最大振幅為3.24 cm/s，略低于方案二。

圖7 邊坡質點振動速度模擬結果

2.4 爆破振動速度安全許可值

為了保障爆破施工過程中邊坡的穩定性，必須確定爆破振動速度的安全許可值。目前確定爆破振動速度的方法主要有爆破規程和工程類比兩種方法。

《爆破安全規程》（GB 6722-2014）規定了永久性巖石高邊坡的安全允許質點振動速度，當振動頻率f≤10 Hz 時，安全允許質點振動速度為5～9 cm/s；當10 Hz＜f≤50 Hz 時，速度為8～12 cm/s；當f＞50 Hz 時，速度為10～15 cm/s。

表3 給出了不同邊坡爆破振動速度安全值。本工程邊坡主要為強-中風化云母片巖，其中強風化云母片巖結構已大部分破壞，裂隙較發育，裂面多呈灰黑色，質軟，手捏易碎，局部巖夾土狀，雨水軟化，屬于極軟巖，巖體基本質量等級為Ⅴ級；中風化云母片巖為鱗片變晶結構，片狀構造，質軟，錘擊易碎，屬于軟巖，遇水軟化，易崩解呈片狀，巖體基本質量等級為Ⅳ級。

表3 不同工程邊坡爆破安全振動速度

根據行業規程和工程類比最終確定邊坡的安全振動速度許可值為8 cm/s。本次模擬結果顯示，3種方案引發的爆破振動均低于安全許可值，根據爆破后的成型效果和巖石破碎程度，最終選擇方案三為施工方案。

3 現場測試及效果評估

基坑開挖對邊坡穩定性有較大的影響，現場勘測結果顯示，路塹邊坡已發生垮塌且為臨時坡，需在施工前對邊坡予以清方整修，并在深路塹坡腳平臺處設置被動防護網，防止坡面滾石滑落危及基坑作業安全。然后按照爆破方案布置鉆孔，裝入致裂管，充入液態二氧化碳，堵塞鉆孔，并在相應位置安裝NUBOX-8016 爆破振動智能監測儀，監測邊坡各個測點的振動情況，如圖8 所示。現場安裝完畢后，采用10 kV 高壓電起爆，起爆后待安全人員確定現場安全后，進入監測區讀取監測儀上的數據。

圖8 二氧化碳致裂起爆前準備工作

表4 記錄了4 個振動測點x、y、z三個方向的振動情況。由表4 可知，1 號測點的振動速度最大，可達3.619 cm/s，略大于數值模擬結果。4 號測點的振動速度最小為0.575 cm/s，各監測點的振動速度隨距離的增大不斷降低。在爆破施工的過程中，邊坡無滾石滑落，穩定性較好，爆破后基坑成型效果好。

表4 各監測點振動情況統計

4 結論

（1）本文將液態二氧化碳相變爆破技術應用于鄰近邊坡的基坑開挖工程中，解決了傳統炸藥爆破振動影響較大，容易造成邊坡失穩的問題。

（2）通過數值模擬的手段研究了不同布孔參數對爆破效果的影響，研究結果認為使用垂直炮孔、傾斜炮孔及控制孔相結合的方案進行爆破，爆破成型效果好，巖石破碎程度高，邊坡振動較小。

（3）進行現場爆破試驗，并在邊坡上設置監測點，監測邊坡不同位置質點振動情況。現場監測結果與數值模擬結果一致，爆破后基坑成型效果好，邊坡無滾石滑落，穩定性較好，為鄰近邊坡基坑開挖提供了新思路與新方法。