復(fù)雜環(huán)境下地鐵施工二氧化碳破巖技術(shù)研究

宋 偉

(中鐵二十二局集團(tuán)第五工程有限公司，重慶 400700)

1 引言

地鐵線路難免會穿越城市繁華地帶，若采用傳統(tǒng)露天爆破方式對地鐵車站進(jìn)行土方開挖，易對周邊環(huán)境以及人們的生活造成巨大的影響。因此，研究振動小、噪聲低的破巖技術(shù)很有必要。

李洪偉[1]等根據(jù)工程周邊環(huán)境的特點，通過爆破振動測試儀對爆破進(jìn)行監(jiān)測，以獲取爆破時的相關(guān)參數(shù)，該研究表明，即便對爆破當(dāng)量進(jìn)行了控制，炸藥爆破仍具有較大的危險性。

范迎春[2]等針對二氧化碳破巖技術(shù)在煤層中的應(yīng)用進(jìn)行了研究，認(rèn)為該技術(shù)具有振動小、噪聲低等優(yōu)勢。

二氧化碳液-氣相變膨脹破巖技術(shù)是一種新型非炸藥破巖技術(shù)[3]，相較于傳統(tǒng)的炸藥破巖技術(shù)，具有飛石少、聲波弱、振動小、對周邊環(huán)境的影響小等特點。目前，該技術(shù)主要用于露天礦山巖石破碎中，在城市軌道交通建設(shè)中應(yīng)用較少。下面以新建珠三角城際軌道交通工程為例，對二氧化碳液-氣相變膨脹破巖技術(shù)在復(fù)雜環(huán)境地鐵施工中的應(yīng)用進(jìn)行闡述。

2 工程概況

新建珠三角城際軌道交通工程竹料站位于廣州市白云區(qū)竹料鎮(zhèn)。站房主體位于高架站東側(cè)，站房南側(cè)為廣州地鐵十四號線竹料站，距離GI05國道約110 m。

區(qū)域內(nèi)地表建筑較多，場地內(nèi)管線已經(jīng)遷改完畢，未發(fā)現(xiàn)其他埋藏物。地面高程為15.0～19.0 m，該區(qū)域主要為山前沖積平原地貌單元，站場土方尚未回填。

竹料站場地地層：第四系全新統(tǒng)沖洪積層淤泥；第四系上更新統(tǒng)沖洪積層淤泥、黏土、粉質(zhì)黏土、粉砂、細(xì)砂、中砂及粗砂；下第三系粉砂巖。

竹料站地表水主要為小溪流，水量、水位隨季節(jié)變化；地下水主要為第四系孔隙水和基巖裂隙水。第四系孔隙水主要分布于粉質(zhì)黏土和砂土層中，基巖裂隙水分布于粉砂巖中。地下水主要受大氣降水補給，以蒸發(fā)及地下水徑流的方式排泄。地下水埋深為0.3～3.3 m(高程為13.24～16.84 m)，季節(jié)變化幅度為2～3 m。

3 破巖原理

3.1 裝置組成

二氧化碳液-氣相變膨脹破巖裝置主要由膨脹管、激活器、充氣頭、泄能頭及其他連接輔助組件組成[4]，如圖1所示。膨脹管為一根高強度鋼管，內(nèi)部充滿液態(tài)二氧化碳；激活器由化學(xué)藥劑組成，可通過電能激發(fā)釋放大量熱能，使加熱膨脹管內(nèi)液態(tài)二氧化碳瞬間氣化；充氣頭用于填裝二氧化碳；泄能頭用于泄出液態(tài)二氧化碳?xì)饣瘯r產(chǎn)生的高壓氣體[5]。

圖1 裝置主要組成部分

3.2 作用原理

二氧化碳在溫度20 ℃、壓強5.6×106Pa條件下會轉(zhuǎn)變?yōu)橐后w，當(dāng)液態(tài)二氧化碳受熱變?yōu)闅鈶B(tài)時，體積會膨脹為現(xiàn)有狀態(tài)的600倍[6]。破巖裝置通過壓力泵將液態(tài)二氧化碳壓縮密閉于高強膨脹管中，通過電能激發(fā)激活器，使二氧化碳發(fā)生液-氣相變，在密閉容器內(nèi)形成高壓二氧化碳?xì)鈭F(tuán)，當(dāng)管內(nèi)壓強超過定壓破裂片的抗壓強度時，破裂片被沖破，高壓氣體通過泄能頭向外釋放，對周圍介質(zhì)形成沖擊，以達(dá)到破碎巖石的目的[7]。

在工程應(yīng)用中，應(yīng)先將膨脹管裝入事前鉆好的膨脹孔(即炮孔)內(nèi)，用鋼絲繩把多個膨脹管連成一個整體，形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)(如圖2所示)。再激發(fā)激活器，使二氧化碳發(fā)生液-氣相變，形成高壓二氧化碳?xì)鈭F(tuán)，從而破碎巖石。單次破巖后，鋼管可再次裝填并重復(fù)使用[8]。

圖2 膨脹管串聯(lián)系統(tǒng)

4 破巖試驗程序及施工方法

目前，二氧化碳膨脹管有73型和95型，其中，73型直徑為73 mm，長1 100 mm，充氣量為1.2 kg；95型分兩種，直徑均為95 mm，長1 200 mm充氣量為2.5 kg；長1 500 mm充氣量為3.5 kg[9]。

施工前，對二氧化碳液-氣相變膨脹破巖技術(shù)進(jìn)行了兩次現(xiàn)場試驗，并對其破巖效果進(jìn)行了比對。決定采用95型(長1 500 mm)單節(jié)膨脹管分臺階破巖，鉆孔直徑為115 mm。膨脹管安裝完成后，應(yīng)在外側(cè)孔壁填塞細(xì)石。第一次試驗為單排布孔，間距1 m，共5個孔；第二次試驗為雙排布孔，縱橫向間距為0.6 m×0.8 m，共14個孔。

4.1 前期準(zhǔn)備工作

(1)試驗設(shè)備及材料

①二氧化碳破巖設(shè)備1套(95型膨脹管)；

②鉆孔設(shè)備1臺(帶除塵裝置)；

③配有φ175 mm釬桿的破碎錘1臺；

④填孔用碎石。

(2)施工條件

①便于進(jìn)出的施工道路；

②作業(yè)面應(yīng)平整；

③3～5 m的作業(yè)臨空面；

④380 V三相四線交流電；

⑤破巖設(shè)備到達(dá)作業(yè)現(xiàn)場并完成調(diào)試完畢。

4.2 鉆孔

鉆孔前，應(yīng)根據(jù)試驗方案布置孔位，核實無誤后方可進(jìn)行鉆孔[10]。鉆孔期間若灰塵過大，應(yīng)做好相應(yīng)的降塵、除塵工作。鉆孔結(jié)束后，應(yīng)使用塑料袋等及時封閉孔口，以免雜物進(jìn)入[11]。

(1)單排試驗

根據(jù)現(xiàn)場情況單排布孔，孔間距為a，距離臨空面L，并在距離引爆區(qū)域15.5 m、16.5 m處分別設(shè)置振動監(jiān)測儀，對破巖試驗的振動速度進(jìn)行監(jiān)測。第一次試驗布孔如圖3、圖4所示，參數(shù)取值見表1。

圖3 第一次試驗單排布孔平面(單位：mm)

圖4 第一次試驗布孔現(xiàn)場效果

表1 單排試驗測試組 m

(2)雙排試驗

根據(jù)現(xiàn)場情況雙排布孔，雙排同時激發(fā)?？组g距為a，排間距為b，距離臨空面L，并在距離引爆區(qū)域3.5 m、13.5 m處分別設(shè)置振動監(jiān)測儀。第二次試驗布孔如圖5、圖6所示。參數(shù)取值見表2。

圖5 第二次試驗雙排布孔平面(單位：mm)

圖6 第二次試驗布孔現(xiàn)場效果

表2 雙排試驗測試組 m

4.3 充氣工藝流程

二氧化碳充氣工藝流程為：清洗膨脹管→安裝激活器、充氣頭、密封墊片、定向破裂片、泄能頭→機械密封膨脹管→檢查膨脹管導(dǎo)流通電情況→充裝二氧化碳→檢查膨脹管氣密性(如圖7所示)。

圖7 二氧化碳充氣工藝流程

4.4 安裝工藝流程

若膨脹管為多節(jié)，其安裝工藝流程為：膨脹管連接錐頭安裝→多節(jié)膨脹管接長→膨脹管端頭連接→卡具擰緊→導(dǎo)線連接→激發(fā)引爆(如圖8所示)。

圖8 多節(jié)膨脹管安裝工藝流程

4.5 連線引爆

將所有的膨脹管裝入鉆好的膨脹孔內(nèi)，采用碎石、鉆屑等材料填塞孔與管之間的縫隙，并使用手持振動棒將其夯實[12]。將每組膨脹管的連接桿用鋼絲繩連成整體(鋼絲繩與連桿相接處需隔離絕緣)，以防止膨脹管飛出或滑落，如圖9所示。

圖9 連接桿連成整體

激活器利用電能進(jìn)行激發(fā)，當(dāng)導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)中電阻較大時，將難以正常工作。此時應(yīng)選用并聯(lián)導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)以減少網(wǎng)絡(luò)的電阻值。因此，單排試驗宜采用串聯(lián)導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，而雙排試驗則宜采用并聯(lián)導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，以便破巖試驗正常進(jìn)行。

在連接起爆器主線前，應(yīng)對網(wǎng)絡(luò)電阻進(jìn)行檢測，當(dāng)計算值與檢測值相差較大時，應(yīng)查明原因，待合格后方可進(jìn)行引爆[13]。二氧化碳引爆后，必須由專門的技術(shù)人員對現(xiàn)場進(jìn)行檢查，確認(rèn)無安全隱患后，方可允許其他施工人員進(jìn)入現(xiàn)場。

4.6 二次預(yù)裂

引爆后，難免會產(chǎn)生一些體積較大的破裂巖塊，若未能達(dá)到裝車運輸?shù)囊?，則需進(jìn)行二次預(yù)裂(如圖10所示)。

圖10 較大巖塊二次預(yù)裂施工

5 現(xiàn)場效果及分析

5.1 現(xiàn)場效果

兩次二氧化碳破巖技術(shù)測試效果如圖11、圖12所示。

圖11 單排布孔試驗破巖效果

圖12 雙排布孔破巖效果

5.2 效果對比分析

兩次二氧化碳破巖效果對比分析見表3和表4。

表3 二氧化碳破巖技術(shù)測試效果對比分析

表4 二氧化碳破巖技術(shù)測試地面振動效應(yīng)對比分析表

由表3可知，對于中風(fēng)化或微風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、礫巖，采用雙排布孔的方式破碎效果更為明顯，孔位的縱橫間距應(yīng)控制在1 m以內(nèi)。

由表4可知，在單排試驗中，測點的振動速度低于0.1 cm/s，振動監(jiān)測儀并未被觸發(fā)，表明該方案對環(huán)境的影響很小。

在雙排試驗中，振動監(jiān)測儀被觸發(fā)，距離引爆區(qū)域較近測點的最大振動速度為2.187 cm/s，距離引爆區(qū)域較遠(yuǎn)測點的最大振動速度為1.817 cm/s，均小于規(guī)范安全值(3 cm/s)[14-15]。另一方面，在兩個試驗中，飛石僅在10 m范圍內(nèi)存在，進(jìn)一步說明了二氧化碳破巖技術(shù)的安全性較好[16]。

6 結(jié)束語

二氧化碳液-氣相變膨脹技術(shù)是一種新型的破巖技術(shù)，相較于傳統(tǒng)炸藥爆破破巖技術(shù)，具有基本無振動、噪聲小，飛石少等特點，在復(fù)雜施工環(huán)境下有很大的推廣前景。另一方面，二氧化碳破巖的能量釋放強度很難與傳統(tǒng)炸藥爆破破巖技術(shù)相提并論，但遠(yuǎn)大于靜力爆破、機械開挖等方式。因此，施工時應(yīng)根據(jù)具體施工情況選擇不同的破巖技術(shù)。