二氧化碳致裂爆破技術(shù)在高速公路施工中的應(yīng)用

陳秋

【摘要】在高速公路施工過(guò)程中常常會(huì)因?yàn)槁坊嬖趫?jiān)硬的巖石層而嚴(yán)重阻礙施工進(jìn)度。這種情況下一般需要通過(guò)爆破的方式對(duì)那些堅(jiān)硬的巖石進(jìn)行破碎并推進(jìn)后續(xù)施工。傳統(tǒng)的炸藥爆破模式在一些存在地下天然氣管道的路段會(huì)產(chǎn)生較大的安全風(fēng)險(xiǎn)。二氧化碳致裂爆破技術(shù)主要通過(guò)在極短的時(shí)間內(nèi)將液態(tài)的二氧化碳轉(zhuǎn)化為氣態(tài)，體積的快速膨脹產(chǎn)生的巨大壓力可以將堅(jiān)硬的大塊巖石層破碎便于清運(yùn)的小石塊。而且這種爆破技術(shù)不會(huì)產(chǎn)生高溫、火花以及嚴(yán)重的環(huán)境和水土污染。本文主要結(jié)合實(shí)際的工程項(xiàng)目案例來(lái)分析這種爆破技術(shù)的應(yīng)用方法。

【關(guān)鍵詞】二氧化碳致裂爆破技術(shù);高速公路;施工應(yīng)用

高速公路施工中有時(shí)候需要借助爆破的方式對(duì)路基上的大塊堅(jiān)硬巖石層進(jìn)行爆破，靜態(tài)二氧化碳爆破技術(shù)可以在溫度較低的情況下通過(guò)液態(tài)二氧化碳的氣化膨脹來(lái)爆破巖石層。如果路基施工區(qū)域范圍內(nèi)存在地下天然氣管道時(shí)，就可以通過(guò)這種技術(shù)來(lái)確保天然氣管道不會(huì)因?yàn)楸飘a(chǎn)生的振動(dòng)作用而受到影響。

1、項(xiàng)目背景

本項(xiàng)目主體為山西靜興高速的土建8標(biāo)段施工，該標(biāo)段中的8號(hào)路基和9號(hào)路基分別長(zhǎng)299m和637m，原計(jì)劃采用控制爆破技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)石方施工，但后期發(fā)現(xiàn)這兩個(gè)路段和既有的天然氣管道非常接近，如果采用控制爆破技術(shù)可能會(huì)對(duì)天然氣的安全運(yùn)營(yíng)以及施工人員的生命安全產(chǎn)生不可控的風(fēng)險(xiǎn)。后來(lái)經(jīng)過(guò)研究決定采用二氧化碳靜態(tài)爆破技術(shù)代替原計(jì)劃的控制爆破技術(shù)。

2、原理分析

液態(tài)的二氧化碳?xì)怏w經(jīng)過(guò)外加壓力的釋放就會(huì)在一瞬間轉(zhuǎn)變成氣態(tài)的二氧化碳并對(duì)周圍的物體產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊。將液化的二氧化碳裝進(jìn)圓柱形的爆破筒并通過(guò)密封圈、導(dǎo)熱棒以及安全膜等形成一個(gè)可操作的高壓密閉環(huán)境，此時(shí)那些液態(tài)的二樣化碳在密封圓柱體的高壓作用下繼續(xù)保持原本的液體相態(tài)。在需要開(kāi)展爆破作業(yè)的路段進(jìn)行鉆孔、設(shè)置爆破筒、部署引線和起爆器等一系列操作。當(dāng)操作人員對(duì)爆破裝置通電后就可以使爆破筒中設(shè)置的導(dǎo)熱棒發(fā)熱以及破壞爆破筒中的安全膜，原本的高壓密閉環(huán)境因?yàn)榘踩さ钠屏讯霈F(xiàn)壓力泄漏以及液態(tài)二氧化碳的氣化膨脹，進(jìn)而憑借二氧化碳?xì)怏w產(chǎn)生的強(qiáng)大壓力對(duì)待爆破的土石結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的破碎效果[1]。

3、優(yōu)勢(shì)分析

3.1安全性高

本項(xiàng)目的施工難點(diǎn)在于傳統(tǒng)的爆破技術(shù)會(huì)對(duì)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)旁邊的天然氣管道產(chǎn)生威脅，火藥爆炸會(huì)產(chǎn)生比較劇烈的振動(dòng)作用以及沖擊波效應(yīng)，進(jìn)而對(duì)周邊建筑物、地下設(shè)施以及工作業(yè)人員造成一定的安全風(fēng)險(xiǎn)，而且天然氣的大量泄漏也會(huì)造成國(guó)家資源的浪費(fèi)以及影響人民群眾的正常生活等。而本次施工中采用的靜態(tài)二氧化碳爆破技術(shù)主要利用液態(tài)二氧化碳在氣化過(guò)程中產(chǎn)生的巨大壓力來(lái)破壞土石方，二氧化碳作為一種良好的阻燃劑自然不可能引發(fā)天然氣的爆燃。另外，靜態(tài)二氧化碳爆破技術(shù)對(duì)地面以及周邊環(huán)境產(chǎn)生的振動(dòng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)的爆破技術(shù)，因而其安全警戒的區(qū)域范圍也比傳統(tǒng)爆破技術(shù)更小[2]。

3.2環(huán)境影響較小

傳統(tǒng)的使用炸藥來(lái)實(shí)現(xiàn)爆破的方案會(huì)對(duì)地面產(chǎn)生非常強(qiáng)烈的破壞效果且爆破產(chǎn)生的煙塵和噪音也非常顯著，同時(shí)這種爆破技術(shù)產(chǎn)生的炸藥殘留物也會(huì)對(duì)周邊的植物、水源等產(chǎn)生或多或少的影響。靜態(tài)爆破技術(shù)通過(guò)氣態(tài)二氧化碳產(chǎn)生的強(qiáng)大壓力對(duì)作業(yè)區(qū)域的土石方進(jìn)行有效破壞，因而這種爆破技術(shù)產(chǎn)生的沖擊波、灰塵量以及噪音等污染都遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)爆破技術(shù)。另外，二氧化碳?xì)怏w釋放之后并不會(huì)對(duì)周邊的土壤、空氣、水源以及植物等造成污染，因而其環(huán)保效應(yīng)更佳[3]。

3.3成本可控、審批容易

第一，靜態(tài)爆破技術(shù)中使用的二氧化碳?xì)怏w可以從空氣中分離得到，因而其供應(yīng)量充足且整體成本較小。這種爆破技術(shù)中使用的連接線、起爆器等裝置在使用過(guò)后還可以再次回收利用。各種裝置相對(duì)簡(jiǎn)單的運(yùn)輸和組裝方式也在一定程度上降低了這種爆破技術(shù)的操作成本。傳統(tǒng)的通過(guò)火藥來(lái)實(shí)現(xiàn)爆破的技術(shù)需要先經(jīng)過(guò)國(guó)家相關(guān)部門對(duì)火藥以及爆破工程的審批，國(guó)家對(duì)炸藥的嚴(yán)格管制會(huì)導(dǎo)致爆破工程的審批流程表現(xiàn)出復(fù)雜又耗時(shí)的缺點(diǎn)，而靜態(tài)爆破技術(shù)則容易很多[4]。

4、施工方法

4.1準(zhǔn)備工作

第一，比較常規(guī)的做法是在作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置一個(gè)密封良好的用于存儲(chǔ)二氧化碳液體的不銹鋼罐體，然后在就近的站點(diǎn)將液態(tài)二氧化碳?xì)怏w充填進(jìn)這一不銹鋼金屬罐體之內(nèi)備用。將罐體存放于施工現(xiàn)場(chǎng)時(shí)還需要通過(guò)設(shè)置遮陽(yáng)網(wǎng)、搭設(shè)涼棚等方式來(lái)為其進(jìn)行降溫，防止暴曬。需要注意的是這種爆破技術(shù)對(duì)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境溫度要求為不得超過(guò)31攝氏度，因?yàn)檫@種溫度下二氧化碳?xì)怏w無(wú)法保持液相。第二，采用爆破方式對(duì)公路路基作業(yè)面上的巖石進(jìn)行破碎時(shí)必須先挖掘出良好的臨空面，在施工過(guò)程中可以通過(guò)挖掘機(jī)、鑿巖機(jī)以及破碎機(jī)等設(shè)備對(duì)那些妨礙爆破效果的巖石進(jìn)行清理。這樣當(dāng)巖石被破碎以后就可以向外飛散并形成良好的工程效應(yīng)。第三，在開(kāi)展爆破之前還需要通過(guò)專業(yè)的鉆孔機(jī)械設(shè)備在巖石上開(kāi)鑿出爆破筒的設(shè)置孔。一般可以在巖石上方通過(guò)專業(yè)的履帶式鉆孔機(jī)來(lái)進(jìn)行垂直打孔且要注意控制孔徑大小。

4.2操作控制

第一，施工過(guò)程中可以使用專業(yè)的高壓泵將液態(tài)的二氧化碳灌注到爆破施工專用的爆破筒內(nèi)，二氧化碳必須在31攝氏度的溫度之下施加足夠的壓力才能呈現(xiàn)出穩(wěn)定的液相，在此之后通過(guò)設(shè)置安全膜、破裂片等一系列操作使爆破筒達(dá)到爆破啟動(dòng)的條件。然后將起爆器、設(shè)置好的爆破筒及其他的配套爆破設(shè)備運(yùn)輸至公路施工區(qū)域內(nèi)的巖石爆破面，將各種設(shè)備設(shè)置在對(duì)應(yīng)的位置上。第二，為了確保爆破工作不會(huì)對(duì)周邊的作業(yè)人員造成不必要的傷害還需要在作業(yè)范圍外圍設(shè)置一定的安全警戒線。第三，完成這些基本的工作之后就可以通過(guò)起爆裝置對(duì)爆破筒內(nèi)的導(dǎo)熱棒施加一定的電流，安全膜在經(jīng)過(guò)導(dǎo)熱棒的加熱作用后會(huì)逐漸被擊穿并導(dǎo)致液態(tài)二氧化碳?xì)饣蛎?，大概只需要不?毫秒的時(shí)間就可以對(duì)周圍的巖石產(chǎn)生非常強(qiáng)大的沖擊作用并達(dá)到爆破的目標(biāo)。與此同時(shí)，二氧化碳靜態(tài)爆破技術(shù)產(chǎn)生的振動(dòng)和沖擊波等不會(huì)對(duì)地下的天然氣管道產(chǎn)生影響。

5、實(shí)際應(yīng)用

山西靜興高速土建8標(biāo)段的8號(hào)路基和9號(hào)路基在整個(gè)施工期之內(nèi)分別完成21萬(wàn)m3和34.7萬(wàn)m3的石方量。該項(xiàng)目進(jìn)入施工后期，發(fā)現(xiàn)地質(zhì)條件進(jìn)入完整性較好的巖石層，并且作業(yè)區(qū)域內(nèi)的巖石強(qiáng)度達(dá)到了51Mpa左右，這樣的強(qiáng)度導(dǎo)致前期使用的鑿巖機(jī)、劈裂機(jī)和挖掘機(jī)等施工機(jī)械都難以達(dá)到高效的施工速度。工程技術(shù)人員經(jīng)過(guò)廣泛的調(diào)研之后決定采用靜態(tài)二樣化碳爆破法對(duì)巖石層進(jìn)行有效的爆破推進(jìn)。通過(guò)這種施工方法將原本幾乎已經(jīng)停滯的施工速度提升到單個(gè)作業(yè)面每天500m3。與此同時(shí)，施工區(qū)域下方的天然氣管道也通過(guò)這種方式獲得了良好的保護(hù)。

結(jié)語(yǔ)：

山西靜興高速的路基施工過(guò)程中因?yàn)樵庥龃髩K的堅(jiān)硬巖石而受到嚴(yán)重的阻礙，但施工路基旁邊的天然氣管道導(dǎo)致傳統(tǒng)的炸藥爆破方式難以實(shí)施。通過(guò)靜態(tài)二氧化碳爆破技術(shù)可以避免炸藥爆破模式對(duì)天然氣管道產(chǎn)生的威脅，同時(shí)又可以對(duì)路基上的大塊巖石層形成有效的爆破，進(jìn)而提高施工效率。

參考文獻(xiàn)：

[1]仲甡，毛文，熊雪琴，等.二氧化碳致裂技術(shù)在高速公路石質(zhì)路塹開(kāi)挖中的應(yīng)用研究[J].施工技術(shù)，2019，v.48（S1）：1234-1236.

[2]李征文，李德杰.二氧化碳致裂爆破技術(shù)在高速公路施工中的應(yīng)用探究[J].中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化，2019，540（04）：66-67.

[3]楊維雙.淺談液態(tài)CO2致裂技術(shù)在高速公路中風(fēng)化花崗巖的應(yīng)用[J].建筑工程技術(shù)與設(shè)計(jì)，2017，000（032）：83-83，4.