地鐵車站二氧化碳相變致裂法施工的動(dòng)力響應(yīng)分析*

王 莉 張 力 孫禮超 殷小桃 張 壯

（1.中電建路橋集團(tuán)有限公司，100048，北京；2.北京科技大學(xué)金屬礦山高效開(kāi)采與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，100083，北京；3.烏魯木齊城市軌道集團(tuán)有限公司，830026，烏魯木齊∥第一作者，工程師）

近年來(lái)，隨著破巖技術(shù)的不斷革新和發(fā)展，一些新型的非炸藥破巖技術(shù)在國(guó)內(nèi)外得到推廣使用。美國(guó)的AIRDOX公司早在1938年便開(kāi)始研究高壓氣體爆破破煤技術(shù)，并研制了CO2爆破筒。隨后，英國(guó)、挪威等國(guó)也開(kāi)始研究CO2爆破技術(shù)，并將其運(yùn)用在高瓦斯礦井的采煤工作面，代替常規(guī)煤礦炸藥進(jìn)行采煤作業(yè)［1-2］。我國(guó)近年來(lái)也研制了各型CO2致裂產(chǎn)品，并且在煤礦領(lǐng)域廣泛運(yùn)用。文獻(xiàn)［3］和文獻(xiàn)［4］分別研究了CO2爆破技術(shù)在煤礦巷道掘進(jìn)和回采工作面落礦的運(yùn)用，爆破效果良好、安全性高；文獻(xiàn)［5-7］對(duì)CO2致裂在煤礦瓦斯增透方面的運(yùn)用進(jìn)行了研究；文獻(xiàn)［8-10］通過(guò)研究和試驗(yàn)將CO2相變能進(jìn)行TNT當(dāng)量的轉(zhuǎn)化，為煤礦確定合理的裝藥量和布孔參數(shù)等提供指導(dǎo)。

目前對(duì)CO2相變致裂爆破技術(shù)的介紹或研究大都集中在煤礦領(lǐng)域，多數(shù)的工程運(yùn)用也都是通過(guò)以往施工案例和類似工程進(jìn)行設(shè)備的選型和使用，而針對(duì)CO2致裂爆破在地鐵隧道等市政交通工程領(lǐng)域的研究分析罕見(jiàn)。本文主要介紹CO2相變致裂爆破在地鐵隧道施工中的運(yùn)用，研究分析其原理，通過(guò)能量轉(zhuǎn)化估算其致裂爆破的TNT當(dāng)量，并對(duì)使用PBA（洞樁法）施工的烏魯木齊地鐵1號(hào)線王家梁站小導(dǎo)洞開(kāi)挖進(jìn)行數(shù)值模擬，將爆破振動(dòng)和爆破效果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，對(duì)爆破風(fēng)險(xiǎn)源進(jìn)行安全預(yù)測(cè)，同時(shí)為實(shí)際施工提供技術(shù)建議。

1 CO2相變致裂法簡(jiǎn)介

CO2相變致裂法作為一種新型非炸藥破巖技術(shù)，其原理是：液態(tài)CO2吸熱汽化膨脹，壓力急速上升，致裂管達(dá)到目標(biāo)壓力后瞬間釋放高壓氣體對(duì)巖體進(jìn)行致裂爆破，從而達(dá)到破巖的目的。圖1為CO2致裂器結(jié)構(gòu)示意圖。

圖11 CCOO22致裂器結(jié)構(gòu)示意圖

CO2致裂法具有安全、環(huán)保、可控、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，在地鐵隧道等市政施工中有很好的運(yùn)用前景。

文獻(xiàn)［8］和文獻(xiàn)［10］通過(guò)研究和試驗(yàn)，總結(jié)了液態(tài)CO2相變致裂的爆炸能計(jì)算公式，為其轉(zhuǎn)化為T(mén)NT當(dāng)量的計(jì)算提供了公式依據(jù)。

式中：

Eg——?dú)怏w的爆破能量，kJ；

P——容器內(nèi)氣體的絕對(duì)壓力，MPa；

V——容器的容積，m3；

K——?dú)怏w絕熱指數(shù)，CO2取1.295。

式中：

WTNT——CO2相變致裂裝置的近似TNT當(dāng)量；

QTNT——1 kg TNT爆炸能，取4 250 kJ/kg。

2 CO2致裂法的工程運(yùn)用

本文以新疆烏魯木齊地鐵1號(hào)線王家梁站工程為實(shí)例，分析CO2致裂法的在地鐵工程中的運(yùn)用。王家梁站為中間站，車站主體結(jié)構(gòu)總長(zhǎng)為232.2 m，寬為20.1 m。車站主體采用暗挖PBA施工，車站標(biāo)準(zhǔn)段采用箱型框架結(jié)構(gòu)。車站地表分布有廣泛雜填土及人工素填土，填土下方主要由侏羅系泥巖、砂巖構(gòu)成。侏羅系泥巖呈層狀分布，是車站的主要基巖，其中：強(qiáng)風(fēng)化泥巖屬極軟巖，修正后圍巖等級(jí)Ⅵ級(jí)；中風(fēng)化泥巖屬極軟巖，修正后圍巖等級(jí)Ⅴ級(jí)。本研究未考慮地下水影響。綜合考慮施工環(huán)境和施工條件等因素，決定采用CO2致裂爆破法對(duì)王家梁站小導(dǎo)洞進(jìn)行開(kāi)挖掘進(jìn)。

小導(dǎo)洞挖開(kāi)過(guò)程中主要考慮的風(fēng)險(xiǎn)源是位于地鐵車站正上方的BRT（快速公交）車站（見(jiàn)圖2 a））和兩根分別埋深2.98 m、1.22 m的排水管（見(jiàn)圖2 b））。BRT車站為承載能力較差的玻璃幕墻結(jié)構(gòu)，排水管則正好穿過(guò)車站主體。如果爆破振動(dòng)超過(guò)安全值，BRT車站幕墻易破裂損壞，排水管線會(huì)變形滲漏。

圖2 王家梁車站與風(fēng)險(xiǎn)源的相對(duì)位置關(guān)系圖

3 CO2相變致裂的數(shù)值模擬

3.1 模型的建立

建模過(guò)程中保持小導(dǎo)洞上部邊界到地表的距離與實(shí)際距離一致。將小導(dǎo)洞底部至模型底部的距離設(shè)置為小導(dǎo)洞高度的3倍，將小導(dǎo)洞2個(gè)邊緣到模型邊界的距離設(shè)置為隧道寬度的3倍，以便減少邊界效應(yīng)。因此，模型的尺寸為50 m×48 m×3 m。將模型的4個(gè)側(cè)面以及底面均設(shè)置為無(wú)反射的固定邊界來(lái)消除反射波的影響，同時(shí)各邊界位移滿足ux=0，uy=0，uz=0。圍巖及炸藥均采用8節(jié)點(diǎn)SOLID164實(shí)體單元來(lái)模擬。

文獻(xiàn)［11］通過(guò)實(shí)際監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，隧道爆破掘進(jìn)過(guò)程中，不同類型的炮孔對(duì)地表產(chǎn)生的振動(dòng)影響不同，其中，掏槽孔起爆產(chǎn)生的地表振動(dòng)最強(qiáng)烈，其振速幅值約為其他類型炮孔的2倍。小導(dǎo)洞掘進(jìn)過(guò)程中，掏槽孔起爆時(shí)巖石的夾制作用較大，對(duì)地面產(chǎn)生的振動(dòng)作用也最大。輔助孔和周邊孔由于自由面多、裝藥量少等原因，與掏槽孔相比，其起爆產(chǎn)生的振動(dòng)較小。而且在實(shí)際開(kāi)挖過(guò)程中，主要是通過(guò)控制掏槽孔的起爆藥量來(lái)控制爆破對(duì)圍巖的振動(dòng)，所以在數(shù)值模擬計(jì)算中，主要對(duì)上層中間2號(hào)小導(dǎo)洞掏槽孔進(jìn)行數(shù)值模擬。

3.2 狀態(tài)方程及參數(shù)的選取

在數(shù)值模擬過(guò)程中，將CO2相變致裂爆破的能量轉(zhuǎn)化為T(mén)NT當(dāng)量，選取炸藥的爆速為3 000 m/s、炸藥的密度為 960 kg/m3、爆壓為6.0 GPa。通過(guò)式（1）和式（2）計(jì)算可得出爆破壓力為270 MPa的CO2致裂相變致裂能轉(zhuǎn)化為T(mén)NT當(dāng)量約為277 g。轉(zhuǎn)化后的炸藥本構(gòu)模型采用LS-DYNA軟件自帶的高性能炸藥材料（MAT-HIGH-EXPLOSIVE-BURN）。炸藥狀態(tài)方程采用JWL狀態(tài)方程［12-13］：

式中：

V1——爆轟產(chǎn)物相對(duì)比容；

E0——初始內(nèi)能比；

A、B、R1、R2、ω ——與材料性質(zhì)有關(guān)的常數(shù)，可以由TNT的密度、爆速和絕熱系數(shù)擬合得到。

炸藥狀態(tài)方程各參數(shù)取值見(jiàn)表1。計(jì)算模型巖層參數(shù)取值見(jiàn)表2。

表1 炸藥狀態(tài)方程參數(shù)取值表

表2 計(jì)算模型巖層參數(shù)取值表

3.3 爆破振動(dòng)影響分析

巖石爆破是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，想要準(zhǔn)確分析爆破的振動(dòng)影響比較困難，但由于質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度是一個(gè)比較容易監(jiān)測(cè)的穩(wěn)定的物理量，所以目前我國(guó)一直采用質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度來(lái)表征爆破振動(dòng)強(qiáng)［14］。在王家梁車站小導(dǎo)洞CO2致裂爆破TNT當(dāng)量轉(zhuǎn)化后的數(shù)值模擬中，在模型地表BRT車站和淺埋排水管2個(gè)風(fēng)險(xiǎn)源附近設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)致裂爆破的振動(dòng)影響。監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖如圖3所示。爆破過(guò)程中應(yīng)力波傳播如圖4所示。

圖3 模型監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖

圖4 應(yīng)力波傳播至風(fēng)險(xiǎn)源處過(guò)程云圖

由應(yīng)力波傳播過(guò)程可以看出，起爆后應(yīng)力波由爆源向四周轉(zhuǎn)播直至逐漸衰減。0.6 ms左右應(yīng)力波傳播至風(fēng)險(xiǎn)源淺埋排水管附近，0.7 ms左右應(yīng)力波傳播至地表風(fēng)險(xiǎn)源BRT車站附近。讀取2號(hào)小導(dǎo)洞模型2處風(fēng)險(xiǎn)源監(jiān)測(cè)點(diǎn)的綜合振動(dòng)速度，繪制各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)速度時(shí)程曲線，如圖5所示。

CO2相變致裂能轉(zhuǎn)化為T(mén)NT當(dāng)量的數(shù)值模擬結(jié)果中，小導(dǎo)洞正上方淺埋排水管附近0.6 ms左右振動(dòng)速度達(dá)到最大值，約為2.5 cm/s；地表BRT車站附近0.7 ms左右振動(dòng)速度達(dá)到最大值，約為0.56 cm/s。結(jié)合圖4應(yīng)力波傳播過(guò)程可知，應(yīng)力波傳至淺埋排水管和地表BRT車站附近的時(shí)間，與監(jiān)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)速度達(dá)到峰值的時(shí)間一致。由此可以得出監(jiān)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)速度和應(yīng)力波傳播之間的規(guī)律：應(yīng)力波傳至監(jiān)測(cè)點(diǎn)時(shí)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)速度達(dá)到峰值；隨著應(yīng)力波的傳播和衰減，質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)速度也由峰值逐漸減小。

圖5 監(jiān)測(cè)點(diǎn)振速時(shí)程曲線

在實(shí)際施工過(guò)程中，在王家梁車站2號(hào)小導(dǎo)洞上方地表BRT車站附近設(shè)置多個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，進(jìn)行CO2致裂爆破的振動(dòng)速度監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)最大振動(dòng)速度均在0.6 cm/s以下，且地表幾乎無(wú)振感。將數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果與實(shí)際振動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，將CO2相變致裂轉(zhuǎn)化為T(mén)NT當(dāng)量進(jìn)行數(shù)值模擬的振動(dòng)速度監(jiān)測(cè)結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)振動(dòng)速度值（0.2～0.6 cm/s）相當(dāng)。我國(guó)目前主要將保護(hù)對(duì)象所在地的質(zhì)點(diǎn)峰值振動(dòng)速度作為安全判據(jù)。根據(jù)最新的爆破安全規(guī)程［15］，地表BRT車站和淺埋排水管附近，CO2相變致裂爆破數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的峰值振動(dòng)速度均在安全范圍以內(nèi)，目前的致裂量能夠保證施工安全。由此可以得出，施工選用的CO2致裂量符合安全施工要求。但考慮到施工地質(zhì)條件和圍巖巖性較差，在施工過(guò)程中還應(yīng)該加強(qiáng)振動(dòng)監(jiān)測(cè)，及時(shí)對(duì)施工進(jìn)行安全預(yù)報(bào)。

設(shè)定爆源正上方監(jiān)測(cè)點(diǎn)H148080為坐標(biāo)原點(diǎn)，以5 m為間隔設(shè)置其余各監(jiān)測(cè)點(diǎn)（如圖6所示），進(jìn)一步分析致裂爆破振動(dòng)速度與爆源距離之間的關(guān)系。讀取監(jiān)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)速度時(shí)程曲線，H173280—H125680各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)速度峰值依次為0.22 cm/s、0.35 cm/s、0.45 cm/s、0.65 cm/s、0.42 cm/s、0.38 cm/s、0.24 cm/s。發(fā)現(xiàn)地表各監(jiān)測(cè)點(diǎn)隨著距爆源距離增大，振動(dòng)峰值逐漸減小。施工現(xiàn)場(chǎng)也取爆源正上方為原點(diǎn)，以5 m為間隔設(shè)置與數(shù)值模型對(duì)應(yīng)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，編號(hào)依次為監(jiān)測(cè)點(diǎn)1～5。實(shí)測(cè)波形圖的振動(dòng)峰值最大約為0.78 cm/s，最小約為0.2 cm/s。將實(shí)測(cè)振動(dòng)速度數(shù)據(jù)（見(jiàn)表3）與上述數(shù)值模擬結(jié)果比較，研究爆源距離與振動(dòng)速度之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的峰值振動(dòng)速度由爆源正上方向遠(yuǎn)離爆源的地方逐漸遞減。

圖6 爆源上方不同間距的監(jiān)測(cè)點(diǎn)

表3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)振動(dòng)速度cm/s

通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)振動(dòng)速度值的平均誤差大約在11%。兩者存在誤差是因?yàn)閷?shí)際施工受到巖石性質(zhì)、周圍環(huán)境等各種因素的影響，但誤差結(jié)果在可接受范圍之內(nèi)。由圖7反映的規(guī)律可知：距離爆源越近，監(jiān)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)速度越大；隨著離爆源的距離增加，振動(dòng)影響逐漸減弱。綜上所述，由數(shù)值模擬反映的計(jì)算結(jié)果分析可知，地表BRT車站和淺埋排水管附近接近爆源的地方受致裂爆破振動(dòng)的影響較為強(qiáng)烈。因此，在實(shí)際的施工過(guò)程中，應(yīng)注意和加強(qiáng)離爆源距離較近處風(fēng)險(xiǎn)源的安全監(jiān)測(cè)，以保證施工安全順利進(jìn)行。

圖7 不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)和數(shù)值模擬峰值振動(dòng)速度對(duì)比

綜合以上數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果可見(jiàn)，通過(guò)能量轉(zhuǎn)化的方式，能夠運(yùn)用現(xiàn)有的計(jì)算方法和軟件簡(jiǎn)單有效地計(jì)算CO2氣體相變的能量，以及模擬其相變致裂的爆破振動(dòng)影響。通過(guò)對(duì)比數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可知，爆破振動(dòng)影響爆破施工的重要因素可以在轉(zhuǎn)化TNT當(dāng)量后的模擬中較好地體現(xiàn)出來(lái)。在現(xiàn)場(chǎng)施工中，這對(duì)于致裂管用量的控制和風(fēng)險(xiǎn)源振動(dòng)的預(yù)測(cè)有很好的指導(dǎo)意義及參考作用。

4 結(jié)論

以新疆烏魯木齊地鐵1號(hào)線王家梁車站小導(dǎo)洞開(kāi)挖采用CO2致裂法施工為工程背景，對(duì)CO2致裂施工工藝的原理、施工方法，以及CO2相變致裂的TNT當(dāng)量轉(zhuǎn)化進(jìn)行研究，并對(duì)致裂爆破效果運(yùn)用LS-DYNA軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，將數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工情況進(jìn)行比較分析，得出以下結(jié)論：

（1）相比基于化學(xué)反應(yīng)的傳統(tǒng)鉆爆法，CO2相變致裂法是一種由液態(tài)CO2經(jīng)過(guò)相變體積迅速膨脹將巖石擠壓致裂的物理爆破方法。除了在煤礦行業(yè)進(jìn)行掘進(jìn)和增透以外，近年來(lái)該施工方法已廣泛應(yīng)用于地鐵隧道等市政基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。

（2）通過(guò)CO2相變致裂的TNT能量轉(zhuǎn)化可以得出壓力為270 MPa的M2L270-51/1000型CO2致裂器的致裂能量相當(dāng)于277 g TNT的當(dāng)量。

（3）通過(guò)LS-DYNA軟件對(duì)轉(zhuǎn)化為T(mén)NT當(dāng)量后的CO2致裂施工進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)地表BRT車站和淺埋排水管2個(gè)爆破風(fēng)險(xiǎn)源進(jìn)行振動(dòng)監(jiān)測(cè)。起爆后0.6 ms小導(dǎo)洞正上方淺埋排水管附近振速達(dá)到最大，約2.5 cm/s；起爆0.7 ms地表BRT車站附近綜合振速達(dá)到最大，約為0.56 cm/s；應(yīng)力波到達(dá)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的時(shí)間與監(jiān)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)達(dá)到峰值的時(shí)間一致。致裂爆破的振動(dòng)影響均在安全范圍以內(nèi)。

（4）通過(guò)對(duì)比數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，爆破產(chǎn)生的地表振動(dòng)速度在爆源正上方最大，隨著離爆源距離的增加振動(dòng)速度呈逐漸較小趨勢(shì)。模擬計(jì)算結(jié)果顯示爆破振動(dòng)規(guī)律與現(xiàn)場(chǎng)施工實(shí)際情況和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)規(guī)律接近，兩者平均誤差在11%左右。