城市地鐵施工二氧化碳致裂振動(dòng)效應(yīng)測(cè)試與分析

唐開富

(中國(guó)中鐵股份有限公司， 廣東廣州 510308)

隨著城市建設(shè)的快速發(fā)展, 城市交通面臨越來越大的壓力, 城市地鐵的建設(shè)是解決城市交通擁堵的有效手段。但是地鐵沿線大多穿越城市中心地帶, 建(構(gòu))筑物密布、各種管線縱橫交錯(cuò)、交通繁忙、行人密集, 使地鐵施工難度系數(shù)增大。隨著廣州地鐵二十一號(hào)線和十一號(hào)線天河公園站開挖的進(jìn)行，目前已經(jīng)開挖至地下10m深的位置，在車站開挖期間，二氧化碳破巖技術(shù)作為一種新興非破巖技術(shù)所產(chǎn)生的地震波對(duì)周邊既有建筑、車站邊墻和車站既有結(jié)構(gòu)的安全是否構(gòu)成威脅以及其影響程度都需要試驗(yàn)進(jìn)行測(cè)試。

通過試驗(yàn)達(dá)到以下目的：通過二氧化碳破巖現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，對(duì)巖石破裂效果，石塊大小和飛石等進(jìn)行評(píng)估分析，為后續(xù)本方法的可行性及其施工控制參數(shù)提供可靠依據(jù)；通過二氧化碳破巖地震效應(yīng)試驗(yàn)，測(cè)試二氧化碳破巖過程產(chǎn)生的振動(dòng)，以探究在開挖過程中對(duì)周邊鄰近構(gòu)筑物和居民的影響是否在安全范圍內(nèi)；通過二氧化碳破巖現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，評(píng)估施工效率，為施工方案設(shè)計(jì)，現(xiàn)場(chǎng)安全管理辦法提供依據(jù)和參考，論證二氧化碳破巖在該地鐵車站的適用性。

1 二氧化碳破巖地震效應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方案

1.1 工程概況

廣州地鐵十一號(hào)線天河公園站巖層較完整、微風(fēng)化巖面埋深相差較大，呈“夾層風(fēng)化”現(xiàn)象，透水性大，不利于明挖段圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工與土方開挖。風(fēng)化巖中廣泛分布礫巖，礫石含量大，礫徑相差大，強(qiáng)度較高，對(duì)盾構(gòu)施工影響較大，切削礫石顆粒及風(fēng)化巖與刀具摩擦大，造成刀具(刀盤)壁磨損嚴(yán)重，推進(jìn)緩慢。線路沿線地下水水位埋藏較淺，地下水位的變化與地下水的賦存、補(bǔ)給及排泄關(guān)系密切，每年4～9月為雨季，大氣降雨充沛，水位會(huì)明顯上升，而在冬季因降水減少，地下水位隨之下降，水位年變化幅度為2.5～3.0m。地下水按賦存方式分為第四系土層孔隙水、層狀基巖裂隙水、塊狀基巖裂隙水、碳酸鹽巖類裂隙溶洞水。

1.2 二氧化碳破巖試驗(yàn)程序

二氧化碳破巖試驗(yàn)程序見圖1。

圖1 二氧化碳破巖試驗(yàn)程序

1.3 二氧化碳破巖測(cè)試方案

通過二氧化碳破巖地震效應(yīng)試驗(yàn)和破巖破壞范圍試驗(yàn)的結(jié)果判斷破巖參數(shù)的優(yōu)劣。

(1)二氧化碳破巖地震效應(yīng)試驗(yàn)

采用破巖振動(dòng)測(cè)試儀(TC-4850)配TCS-B3振動(dòng)速度傳感器進(jìn)行破巖地震效應(yīng)試驗(yàn)，在選定的測(cè)點(diǎn)上用石膏固定好傳感器底座，傳感器安裝上后，將傳感器與記錄儀連接好，待采集完成后，與計(jì)算機(jī)連接，讀取存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，進(jìn)行波形分析等。

振動(dòng)速度測(cè)量系統(tǒng)由傳感器、記錄儀和筆記本電腦組成。采用中科院四川動(dòng)態(tài)測(cè)試研究所生產(chǎn)的TS4850型二氧化碳破巖振動(dòng)記錄儀記錄振動(dòng)信號(hào)，振動(dòng)記錄儀直接與傳感器連接，將傳感器輸入的模擬電壓量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量進(jìn)行存儲(chǔ)，再經(jīng)自身的RS232接口和計(jì)算機(jī)相接，通過專用軟件在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行波形顯示、數(shù)據(jù)分析和結(jié)果輸出。振動(dòng)記錄儀的最高采樣頻率為200KHz，記錄儀可分八段獨(dú)立記錄數(shù)據(jù)，每段存儲(chǔ)深度16K，采樣延時(shí)范圍-4～ -12K，觸發(fā)模式分為內(nèi)觸發(fā)和外觸發(fā)兩種形式，儀器最大量程±20V。傳感器采用中測(cè)院振動(dòng)室生產(chǎn)的TC-3型速度傳感器度傳感器。

(2)振動(dòng)記錄儀的參數(shù)設(shè)置

在進(jìn)行二氧化碳破巖地震測(cè)試時(shí)，必須合理設(shè)置二氧化碳破巖振動(dòng)記錄儀的采樣頻率和量程。為保證記錄的波形不至于失真，采樣頻率一般應(yīng)高于被測(cè)信號(hào)頻率的10倍以上。但采樣頻率越高其記錄信號(hào)的時(shí)間也就越短，所以，選擇采樣頻率應(yīng)注意兩者兼顧。二氧化碳破巖設(shè)計(jì)采用二氧化碳破巖，整個(gè)二氧化碳破巖地震持續(xù)時(shí)間在1s左右，因此，儀器采樣延時(shí)設(shè)置為-100ms，采樣率設(shè)置為10K，儀器可記錄1.2s的振動(dòng)事件，可完整記錄二氧化碳破巖地震波形。

在進(jìn)行振動(dòng)儀的參數(shù)設(shè)置時(shí)，儀器量程設(shè)置非常關(guān)鍵。如果量程設(shè)置太大則測(cè)量精度不夠，太小又會(huì)使波形產(chǎn)生削波現(xiàn)象，根據(jù)預(yù)估的振速狀況和傳感器的靈敏度，為保證記錄到完整準(zhǔn)確的振速波形，將二氧化碳破巖振動(dòng)記錄儀量程設(shè)定為10.0V，為了避免誤觸發(fā)，測(cè)試時(shí)將觸發(fā)電平設(shè)置為0.1cm/s。

(3)二氧化碳破巖破壞范圍試驗(yàn)

①在表面采用宏觀調(diào)查和地質(zhì)描述方法。

破壞標(biāo)準(zhǔn)：有下述情況之一時(shí)，判斷為破巖破壞。

I.發(fā)現(xiàn)破巖裂隙，或裂隙頻率、裂隙率增大；

II.節(jié)理裂隙面、層面等弱面張開(或壓縮)、錯(cuò)動(dòng)；

III.地質(zhì)錘錘擊發(fā)出空聲或啞聲。

②在隱蔽部位采用彈性波縱波波速觀測(cè)法。

運(yùn)用巖石超聲波測(cè)試儀(SYC-2)進(jìn)行破巖破壞范圍測(cè)試，測(cè)試方法是在破巖區(qū)(底部或邊坡位置)鉆3個(gè)測(cè)試孔，孔深為伸入預(yù)計(jì)開挖線下3m，孔徑80mm。用水做耦合劑，將發(fā)射換能器和接收換能器置于孔內(nèi)，沿孔深方向由下往上每隔0.2m測(cè)試一次并記錄。破巖前和破巖后分別測(cè)量一次。

二氧化碳破巖：梯段底部進(jìn)行破巖破壞范圍試驗(yàn)，檢驗(yàn)預(yù)留保護(hù)層厚度是否合理；梯段后沖向進(jìn)行破巖地震效應(yīng)試驗(yàn)，檢驗(yàn)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度是否超過允許值。

1.4 二氧化碳破巖效果評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

1.4.1 二氧化碳破巖效果評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

(1)破巖石碴的塊度和爆堆，應(yīng)能適合挖掘機(jī)械作業(yè)；石碴有利用要求，其級(jí)配、塊度應(yīng)滿足合同文件要求。

(2)破巖對(duì)緊鄰爆區(qū)巖體的破壞范圍小，爆區(qū)底部爆根少。

(3)破巖地震效應(yīng)和空氣沖擊波(噪音)小，破巖飛石少。

(4)相鄰兩炮孔間巖面的不平整度，不應(yīng)大于15cm，炮孔壁不應(yīng)有明顯破巖裂隙。

1.4.2 二氧化碳破巖對(duì)鄰近構(gòu)筑物影響評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

(1)滿足規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求；

(2)產(chǎn)生的破巖振動(dòng)不對(duì)鄰近構(gòu)筑物或周圍居民造成安全影響。

2 二氧化碳破巖測(cè)試結(jié)果與分析

2.1 第一次二氧化碳破巖測(cè)試結(jié)果與分析

2.1.1 二氧化碳破巖設(shè)計(jì)參數(shù)

炮眼直徑為110mm；設(shè)計(jì)炮孔深度3m；炮孔間距1m；炮孔排距1m；單孔裝藥量： 2kg；堵塞長(zhǎng)度：0.3m(表1)。

表1 第一次二氧化碳破巖設(shè)計(jì)參數(shù)

2.1.2 現(xiàn)場(chǎng)施工作業(yè)與炮孔布置

目前巖石開采基本采用單排致裂，在地鐵施工中排距較短, 功效較低，可試驗(yàn)多排(2～3排)同時(shí)分批次致裂，試驗(yàn)采用相應(yīng)的措施制造臨空面。本次試驗(yàn)采用的是單排布孔實(shí)驗(yàn)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)單排布孔，孔間距為a，距離臨空面L，其布置情況見圖2～圖4。

圖2 測(cè)點(diǎn)布置剖面

圖3 測(cè)點(diǎn)布置俯視

圖4 測(cè)點(diǎn)布置空間示意

2.1.3 現(xiàn)場(chǎng)二氧化碳破巖效果

該二氧化碳破巖技術(shù)能夠有效的切割撕裂巖層，但是剝離巖石的塊度較大，需要進(jìn)一步二次破巖?，F(xiàn)場(chǎng)二氧化碳破巖效果如圖5所示。

圖5 現(xiàn)場(chǎng)二氧化碳爆破效果

2.1.4 振動(dòng)速度波形及其數(shù)據(jù)處理

第一次實(shí)測(cè)二氧化碳破巖振動(dòng)速度波形時(shí)，測(cè)試儀器沒有被觸動(dòng)，所以并沒有振動(dòng)速度波形圖。由于二氧化碳破巖技術(shù)的振動(dòng)很小以及本檢測(cè)儀器的觸發(fā)振動(dòng)波速為0.1cm/s,從現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)構(gòu)可知TC4850型二氧化碳破巖振動(dòng)記錄儀并沒有測(cè)試到振動(dòng)數(shù)據(jù)，振動(dòng)檢測(cè)儀并沒有被觸動(dòng)。表明該項(xiàng)二氧化碳破巖技術(shù)的對(duì)周邊環(huán)境的影響非常小，很難對(duì)周邊既有建筑造成危害，通過現(xiàn)場(chǎng)二氧化碳破巖情況可知，二氧化碳破巖的時(shí)候所產(chǎn)生的噪聲也不大，說明這項(xiàng)技術(shù)比較適合在老城區(qū)既有建筑周圍使用。

2.2 第二次二氧化碳破巖測(cè)試結(jié)果與分析

2.2.1 二氧化碳破巖設(shè)計(jì)參數(shù)

炮眼直徑為110mm；設(shè)計(jì)炮孔深度3m；炮孔間距0.6m；炮孔排距0.6m；單孔裝藥量： 2kg；堵塞長(zhǎng)度：0.3m(表2)。

表2 第二次二氧化碳破巖設(shè)計(jì)參數(shù)

2.2.2 現(xiàn)場(chǎng)施工作業(yè)與炮孔布置

現(xiàn)場(chǎng)施工作業(yè)與炮孔布置見圖6～圖9。

圖6 測(cè)點(diǎn)布置剖面

圖7 測(cè)點(diǎn)布置俯視

圖8 炮孔布置

圖9 測(cè)點(diǎn)與爆區(qū)的空間關(guān)系

2.2.3 現(xiàn)場(chǎng)二氧化碳破巖效果

該二氧化碳破巖技術(shù)能夠有效的切割撕裂巖層，但是剝離巖石的塊度較大，需要進(jìn)一步二次破巖?，F(xiàn)場(chǎng)二氧化碳破巖效果如圖10所示。

圖10 現(xiàn)場(chǎng)二氧化碳爆破效果

2.2.4 振動(dòng)速度波形及其數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)兩臺(tái)TC-4850測(cè)振儀均觸發(fā)。在爆區(qū)邊緣(3.5m處的近點(diǎn))的4#測(cè)點(diǎn)顯示，其最大振動(dòng)速度垂直于地面方向，最大速度為4.187cm/s；水平面方向X、Z中，最大振動(dòng)速度為2.867cm/s。其中水平方向的振動(dòng)對(duì)建筑物影響較大，水平方向的加速度能使建筑物產(chǎn)生水平剪力；高層建筑達(dá)到一定高度后產(chǎn)生明顯邊梢效應(yīng)，使用者會(huì)產(chǎn)生不適感。邊墻上的2#測(cè)點(diǎn)顯示，最大振動(dòng)速度來自于X方向，達(dá)到2.817cm/s，其次為Z方向1.989cm/s，而豎向振動(dòng)僅為0.75cm/s，差異可能是因?yàn)檫厜淼倪吷倚?yīng)所引起(表3)。

表3 廣州地鐵天河公園站二氧化碳破巖振動(dòng)速度測(cè)試結(jié)果

此次破巖效果達(dá)到預(yù)期，效果理想，破巖程度良好，由于是該技術(shù)的本質(zhì)是破巖而不是爆破，所以在實(shí)際中，仍有少量巖體需要進(jìn)行二次破碎，但相較于完整巖體的破碎，對(duì)由該技術(shù)產(chǎn)生的巖體進(jìn)行二次破碎容易很多，一方面是這些巖塊體積并不大，僅僅是需要破碎以便裝載，另一方面這些巖體經(jīng)過二氧化碳破巖后，內(nèi)部裂隙發(fā)展，大大降低二次破碎難度。

2.3 第三次二氧化碳破巖測(cè)試結(jié)果與分析

2.3.1 二氧化碳破巖設(shè)計(jì)參數(shù)

炮眼直徑為110mm，設(shè)計(jì)炮孔深度3m；炮孔間距0.6m；炮孔排距0.6m；單孔裝藥量： 2kg；堵塞長(zhǎng)度：0.3m。(表4)

表4 第三次二氧化碳破巖設(shè)計(jì)參數(shù)

2.3.2 現(xiàn)場(chǎng)施工作業(yè)與炮孔布置

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)單排布孔，孔間距為a，距離臨空面L，其布置情況見圖11～圖13。

圖11 測(cè)點(diǎn)布置剖面

圖12 測(cè)點(diǎn)布置俯視圖

圖13 測(cè)點(diǎn)布置空間示意圖

2.3.3 現(xiàn)場(chǎng)二氧化碳破巖效果

該二氧化碳破巖技術(shù)能夠有效的切割撕裂巖層，但是剝離巖石的塊度較大，需要進(jìn)一步二次破巖?，F(xiàn)場(chǎng)二氧化碳破巖效果如圖14所示。

圖14 現(xiàn)場(chǎng)二氧化碳爆破效果

2.3.4 振動(dòng)速度數(shù)據(jù)處理

振動(dòng)速度數(shù)據(jù)處理見表5。

破巖實(shí)驗(yàn)中，兩臺(tái)振動(dòng)監(jiān)測(cè)儀都被觸發(fā)。其中，距離爆區(qū)最近的的4#測(cè)點(diǎn)，其最大振動(dòng)速度為0.767cm/s，遠(yuǎn)點(diǎn)邊墻上2#振動(dòng)檢測(cè)儀測(cè)得最大振動(dòng)速度為0.12cm/s，二者均小于規(guī)范要求值，安全性得以體現(xiàn)。

3 結(jié) 論

(1)二氧化碳破巖技術(shù)從技術(shù)而言，是非常安全的，并且安全余量充沛，可以進(jìn)一步提高破巖強(qiáng)度。從現(xiàn)場(chǎng)破巖實(shí)驗(yàn)情況來看，二氧化碳破巖過程中，工作人員可以近距離觀察破巖點(diǎn)情況而不需要進(jìn)行清場(chǎng)撤離。

表5 廣州地鐵天河公園站二氧化碳破巖振動(dòng)速度測(cè)試結(jié)果

(2)二氧化碳破巖技術(shù)是一種新型的巖體致裂技術(shù)，用液態(tài)二氧化碳瞬間汽化的過程模擬炸藥爆炸時(shí)的效果，有安全、安靜、干凈、可循環(huán)、高效率、時(shí)間靈活、流程簡(jiǎn)單、機(jī)械化程度高等諸多優(yōu)點(diǎn)，該項(xiàng)新興破巖技術(shù)有很好的發(fā)展前景，尤其是破巖時(shí)振動(dòng)很小，對(duì)周邊的既有建筑影響較小，這是對(duì)比與傳統(tǒng)炸藥爆破的一項(xiàng)優(yōu)勢(shì)。但是也要指出，破巖技術(shù)不同于炸藥爆破，對(duì)巖體產(chǎn)生的破壞強(qiáng)度難以和炸藥相提并論，其平破巖效果不如傳統(tǒng)炸藥爆破但遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過靜態(tài)破碎，在施工時(shí)可以因地制宜，合理選用施工方法。