液態(tài)CO2相變破巖技術(shù)在地鐵基坑開挖中的應(yīng)用

李啟月，劉小雄，吳正宇，謝曉鋒

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液態(tài)CO2相變破巖技術(shù)在地鐵基坑開挖中的應(yīng)用

李啟月，劉小雄，吳正宇，謝曉鋒

(中南大學(xué) 資源與安全工程學(xué)院，湖南 長沙 410083)

針對硬巖地質(zhì)的地鐵基坑開挖工程，傳統(tǒng)的炸藥破巖技術(shù)存在著炸藥審批困難、儲存運輸風(fēng)險高和爆破能量難以控制等問題。為解決上述問題，以長沙某地鐵基坑開挖工程為背景，運用液態(tài)CO2相變破巖技術(shù)替代傳統(tǒng)炸藥爆破進(jìn)行破巖開挖，并對其破巖效果和安全性進(jìn)行分析與監(jiān)測。研究結(jié)果表明：液態(tài)CO2相變破巖技術(shù)在破巖效果上能替代傳統(tǒng)炸藥爆破的方式，在安全性上符合爆破安全規(guī)程規(guī)定，可在類似硬質(zhì)巖體的開挖工程中推廣使用。

液態(tài)CO2相變破巖；地鐵基坑開挖；監(jiān)測分析

在地鐵基坑開挖過程中，常常遇到無法直接機(jī)械開挖的硬質(zhì)地段。在處理該問題時，通常采用炸藥爆破方案進(jìn)行破巖開挖。但隨著地鐵基坑工程周圍環(huán)境條件日益復(fù)雜，傳統(tǒng)的爆破方案出現(xiàn)了受限條件多和安全隱患高等問題[1?3]。因此，尋求一種新的能夠克服傳統(tǒng)炸藥爆破弊端、滿足地鐵基坑開挖中破巖需求的技術(shù)方法就顯得迫在眉睫。液態(tài)CO2相變破巖技術(shù)起源于20世紀(jì)60~70年代，由于其可以有效替代炸藥爆破，避免煤礦中瓦斯爆炸危險，因此主要運用于高瓦斯煤礦開采。直至20世紀(jì)80年代，Singh[4]在PCF(Penetrating Cone Fracture)理念中指出液態(tài)CO2相變破巖技術(shù)沒有炸藥爆破制約，可高效率持續(xù)作業(yè)，適用于巖石開挖。20世紀(jì)90年代開始，徐穎[5]開展該技術(shù)的破煤機(jī)理模型及系統(tǒng)等相關(guān)研究，液態(tài)CO2相變破巖技術(shù)作為一種安全高效的破巖方法，逐步成功應(yīng)用于煤層増透[6]、瓦斯抽取[7]、放頂[8]和煤礦掘進(jìn)[9]等煤礦工程。上述的應(yīng)用結(jié)果表明，液態(tài)CO2相變破巖技術(shù)安全可靠，在破巖效果上可成功替代傳統(tǒng)的炸藥爆破，理論上完全滿足地鐵基坑開挖工程中的破巖需求。因此，本文在長沙某地鐵基坑開挖中運用液態(tài)CO2相變破巖技術(shù)開挖巖體，并設(shè)計孔網(wǎng)參數(shù)、測振方案及具體施工工藝，分析監(jiān)控量測數(shù)據(jù)，論證其現(xiàn)場破巖效果及安全可靠性，為液態(tài)CO2相變破巖技術(shù)在地鐵基坑開挖工程中的實施和類似條件下的破巖工程應(yīng)用提供參考。

1 液態(tài)CO2相變破巖技術(shù)

液態(tài)CO2相變破巖技術(shù)實質(zhì)上為呈液態(tài)的二氧化碳受熱后迅速氣化，物理相變做功以致周邊巖體破裂的過程。工作時，將充裝有液態(tài)二氧化碳的相變管置于破巖孔內(nèi)，連接起爆網(wǎng)絡(luò)并激發(fā)管內(nèi)加熱器，二氧化碳迅速受熱氣化，體積膨脹，管內(nèi)壓力劇增，最大可達(dá)300 MPa。當(dāng)管內(nèi)高壓超過定壓剪切片臨界強(qiáng)度時，氣體會沖破剪切片，經(jīng)由泄能頭釋放，沖擊、壓縮周圍巖石介質(zhì)，引起近區(qū)巖石的壓縮變形、徑向位移，形成切向拉應(yīng)力產(chǎn)生徑向裂隙，同時，壓縮變形、徑向位移過程中積蓄的彈性變性能釋放，形成朝向泄能中心的徑向拉應(yīng)力，在已形成的徑向裂隙間產(chǎn)生環(huán)狀裂隙；期間，CO2氣體滲入裂隙內(nèi)，發(fā)揮氣楔作用，使裂隙進(jìn)一步擴(kuò)展、逐步相互貫通。整個破巖過程不超過1 s，具體工作原理如圖1所示。

液態(tài)CO2相變破巖技術(shù)主要特點包括：1)能量源為CO2，限制少，來源廣泛；2)CO2屬于惰性氣體，抑燃抑爆，無毒害；3)處于相變管內(nèi)的液態(tài)CO2相變僅由內(nèi)置加熱器啟動，充裝儲存運輸及使用時的安全性高；4)反應(yīng)過程處于密閉空間，不受破巖環(huán)境的高溫、高熱、高濕和高寒等影響；5)氣爆壓力可由定壓剪切片的厚度控制以滿足不同的破巖要求；6)破巖完畢后的二氧化碳相變管可回收重復(fù)利用；7)破巖效果可觀等。

圖1 液態(tài)CO2相變破巖的工作原理圖

2 地鐵基坑開挖應(yīng)用

2.1 工程背景概況

長沙某地鐵站臺基坑開挖工程沿南北向布置?；訁^(qū)域地質(zhì)條件較為簡單，堅固性系數(shù)為5~8，上層土體以黏土為主，下覆基巖為板巖。具體地質(zhì)條件如表1所示。

基坑工程周邊控制性建(構(gòu))筑物繁多，環(huán)境條件復(fù)雜，主要控制性建(構(gòu))筑物分布示意圖如圖2所示?；?xùn)|側(cè)布置有越野摩托車賽場，距離基坑最近處只有13.21 m；基坑西北側(cè)為民用住房，距離基坑邊最近處僅為16.18 m；基坑南側(cè)為福元路湘江大橋，最近橋墩距離基坑約21.5 m。

表1 地層特性簡表

圖2 周邊環(huán)境平面布置圖

該基坑工程處硬巖地段，其地質(zhì)條件無法實現(xiàn)直接機(jī)械開挖，同時基坑周邊環(huán)境復(fù)雜，傳統(tǒng)的炸藥爆破存在作業(yè)危險，震動損害，污染環(huán)境等隱患。因此引進(jìn)二氧化碳相變破巖這一安全高效的技術(shù)進(jìn)行破巖開挖。

2.2 方案設(shè)計與實施

依照工程要求，沿基坑北面向南面開挖推進(jìn)。破巖方案采用“橫向分區(qū)，縱向分段”的方式，充分運用側(cè)向自由面提高破碎效果，單段破巖中的2個開挖工作面分別稱為第1破巖區(qū)和第2破巖區(qū)。工程采用73型二氧化碳相變管，該管的具體參數(shù)如表2所示。由于目前液態(tài)CO2相變破巖技術(shù)的理論研究尚淺，董慶祥等[10]認(rèn)為二氧化碳相變破巖時釋放能量可以等效為一定質(zhì)量下炸藥爆破時釋放的能量。因此參考傳統(tǒng)炸藥爆破設(shè)計理論及施工方案進(jìn)行該地鐵基坑開挖工程的孔網(wǎng)參數(shù)設(shè)計。通過計算可知單根73型二氧化碳相變管的相變所釋放能量等同0.383 7 kgTNT爆破所釋放的能量，參考露天臺階中深孔爆破的孔網(wǎng)參數(shù)設(shè)計公式[11]，求得孔網(wǎng)參數(shù)如表3所示，其具體孔網(wǎng)布置示意圖如圖3所示。

表2 73型相變管參數(shù)表

表3 孔網(wǎng)參數(shù)設(shè)計表

具體施工方式為：依次按照如圖4所示的工藝流程，采用配備型號37scf-8螺桿空壓機(jī)和kt100潛孔鉆，根據(jù)設(shè)計方案進(jìn)行鉆孔施工，在鉆孔操作時，注意清理干凈作業(yè)臺階表面浮渣及破碎自由面；鉆孔后利用纖維袋堵好孔口，防止雜屑進(jìn)入；使用萬用表檢查相變管的導(dǎo)通性，然后按照2根相變管和1根提拉桿標(biāo)準(zhǔn)布置于鉆孔內(nèi)；采用預(yù)先準(zhǔn)備的黃沙、鉆屑配合手持振動設(shè)備填塞密實，并覆蓋防爆毯以阻止飛石細(xì)屑。依據(jù)破巖鉆孔數(shù)量，采用串聯(lián)起爆網(wǎng)絡(luò)，檢驗支路電阻平衡；確認(rèn)人員位置后，按哨聲命令起爆；專業(yè)爆破人員首先入場，確認(rèn)是否存在安全隱患；清理炮被后，沿提拉管方向拔出相變管，杜絕暴力拔管影響重復(fù)使用；同時查看巖石破碎效果，判斷是否需要二次破碎；最后，挖機(jī)鏟車入場完成一次循環(huán)作業(yè)。

圖3 孔網(wǎng)布置示意圖

圖4 工藝流程圖

3 破巖有效性與安全性分析

3.1 破巖效果及分析

參考相關(guān)文獻(xiàn)[12]，結(jié)合液態(tài)CO2相變破巖技術(shù)特點，考慮巖石破碎質(zhì)量、對環(huán)境影響和技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益3方面影響，以巖石塊度、根底率、飛石距離、噪音污染、綜合破巖成本、CO2單耗(即破碎單位巖體的CO2消耗量)和單段破巖開挖方量7個因素作為評價指標(biāo)，分析評價該地鐵基坑開挖工程中液態(tài)CO2相變破巖技術(shù)的破巖效果，得到評價結(jié)果如表4所示。

表4 液態(tài)CO2相變破巖效果評價表

二氧化碳相變破巖后，破巖孔周邊巖體破碎明顯，巖石塊度分布較為均勻，無需2次破碎，滿足現(xiàn)場運力要求；現(xiàn)場無飛石，揚塵少，無毒害氣體生成，距標(biāo)段16 m處實測聲音強(qiáng)度不到76 db；單段破巖開挖方量約155 m3，消耗CO2量約25.6 kg，其中第1破巖區(qū)或第2破巖區(qū)開挖方量均可達(dá)到75 m3，消耗CO2量約為12.8 kg，綜合破巖成本略高于爆破施工。

分析上述結(jié)果可知，雖然液態(tài)CO2相變破巖技術(shù)的綜合破巖成本目前略高于傳統(tǒng)的炸藥爆破技術(shù)，但是比炸藥爆破受到的限制少，無飛石、無污染，能很好的滿足復(fù)雜城區(qū)條件下地鐵基坑開挖工程中的破巖效果需求。

3.2 安全分析

為了分析液態(tài)CO2相變破巖技術(shù)引起的振動是否對周邊建(構(gòu))筑物造成安全影響，參照爆破安全規(guī)程規(guī)定[13]，以最大振速標(biāo)準(zhǔn)作為安全判據(jù)[14]。同時，由于目前沒有針對液態(tài)CO2相變破巖技術(shù)的振動監(jiān)測方案，參考傳統(tǒng)炸藥爆破方案振動監(jiān)測經(jīng)驗[15]，提出沿破巖孔周邊水平一線布置3個監(jiān)測點，垂直破巖孔一線布置4個監(jiān)測點的測振方案，其測點相對位置如圖5所示，采用NUBOX-8016爆破振動智能監(jiān)測儀進(jìn)行監(jiān)測，測振結(jié)果如圖6所示。

圖5 振動監(jiān)測布置圖

由圖6可知，距離震源4 m處的質(zhì)點振動峰值速度已經(jīng)低于規(guī)定為2.5 cm/s的安全允許峰值，符合爆破安全規(guī)程規(guī)定。同時，本工程中保護(hù)近區(qū)的主要構(gòu)筑物為地下連續(xù)墻，其距基坑中震源最近處距離約為4~5 m；周邊最近的控制性建筑為西北側(cè)的民用住房，其最近處距基坑已達(dá)13 m左右。因此，該地鐵基坑開挖工程采用液態(tài)CO2相變破巖技術(shù)進(jìn)行破巖時對周邊控制性建(構(gòu))筑物的振動影響符合規(guī)程規(guī)定，安全度高。

圖6 振動監(jiān)測結(jié)果

4 結(jié)論

1) 液態(tài)CO2相變破巖技術(shù)成功應(yīng)用于長沙某地鐵基坑開挖工程，為類似硬質(zhì)巖體的基坑開挖工程提供了新的破巖思路。

2) 參考傳統(tǒng)炸藥爆破方案和已有文獻(xiàn)，設(shè)計了液態(tài)CO2相變破巖技術(shù)的孔深、孔徑、孔間距等具體孔網(wǎng)參數(shù)以及管件安裝、封孔操作等現(xiàn)場施工工藝。

3) 現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果顯示，液態(tài)CO2相變破巖時，現(xiàn)場無飛石，無污染，巖石塊度滿足運力要求，在破巖效果上可以替代傳統(tǒng)的炸藥爆破技術(shù)。

4) 結(jié)合傳統(tǒng)炸藥爆破監(jiān)測經(jīng)驗和液態(tài)CO2相變破巖技術(shù)特點，提出了一種適合該孔網(wǎng)參數(shù)下液態(tài)CO2相變破巖技術(shù)的測振分析方案。分析結(jié)果表明，約12.8 kg的液態(tài)CO2相變破巖時，距離震源4 m處的質(zhì)點振動峰值速度低于2.5 cm/s，符合爆破安全規(guī)程規(guī)定。

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Application of liquid CO2phase change rock breaking technology in metro foundation pit excavation

LI Qiyue, LIU Xiaoxiong, WU Zhengyu, XIE Xiaofeng

(School of Resources and Safety Engineering, Central South University, Changsha 410083, China)

In the subway excavation project of hard rock geology, the traditional explosive breaking technology has the problems such as the difficulty of the examination and approval, the high storage and transportation risk, and the difficult control of blasting energy and so on. Aimed at the above problems, the Changsha subway excavation project as the background, the liquid CO2phase change rock breaking technology was used to replace the traditional blasting for rock excavation, rock breaking efficiency and safety were analyzed and monitored. The results show that the liquid CO2phase change rock breaking technology can replace the traditional explosive blasting method in rock breaking efficiency, comply with safety regulations for blasting in safety, and can be used in similar hard rock excavation engineering application.

liquid CO2phase change rock breaking; metro foundation pit excavation; monitoring and analysis

U455.5

A

1672 ? 7029(2018)01 ? 0163 ? 07

2016?11?23

國家自然科學(xué)基金資助項目(51374243，41372278)

李啟月(1968?)，男，湖南衡陽人，教授，博士，從事安全與爆破研究；E?mail：596860377@qq.com