城市環(huán)境下二氧化碳破巖施工技術(shù)

吳應(yīng)明

(中鐵二十局集團有限公司，陜西西安 710016)

當前，城市地鐵車站的開挖主要還是運用露天爆破的方法進行基坑開挖，以此保證施工的進度，施工效率非?？捎^。但是，隨著地鐵工程的發(fā)展，地鐵必須穿越城市的人口密集帶以及城市的老城區(qū)才能解決城市嚴重的交通擁堵問題，然而，這必然給地鐵施工造成一定程度上的困難，尤其是在密集城區(qū)進行時地鐵車站基坑開挖時，由于傳統(tǒng)的露天爆破開挖技術(shù)的振動太大，對地鐵基坑周邊的老式建筑物以及周邊的交通帶來巨大的影響，甚至會給人們的生活造成嚴重的影響。在城市密集老城區(qū)施工更是如此，尤其是城市老建筑地基不深，主要采取的是傳統(tǒng)的磚墻結(jié)構(gòu)修建的，在進行城市地鐵車站開挖的時候很容易引起地基的不均勻沉降從而導(dǎo)致城市密集老城區(qū)建筑的嚴重損壞，造成嚴重的后果。在不采用傳統(tǒng)的露天爆破開挖情況下，地鐵車站基坑施工就只能采用靜態(tài)破碎以及人工機械的方式進行開挖，這樣一來雖然減小了對周邊建筑的影響，但是嚴重影響施工的工期，施工效率低下，不能保障正常的施工進度。

為解決此問題，對施工工藝、施工方法以及施工方法進行優(yōu)化，共同引進了二氧化碳干冰致裂破巖技術(shù)，并對二氧化碳干冰致裂破巖技術(shù)如何運用到城市密集老城區(qū)地鐵車站基坑開挖的施工程序和工藝進行了科研攻關(guān)，形成了一套較為成熟的城市密集老城區(qū)地鐵車站基坑開挖二氧化碳干冰致裂破巖技術(shù)的施工方法，從而解決了傳統(tǒng)露天爆破技術(shù)難以運用到城市老城區(qū)地鐵基坑開挖而延誤工期的難題。

1 二氧化碳干冰破巖技術(shù)

1.1 技術(shù)特點

(1)通過對二氧化碳干冰升華體積劇烈膨脹原理的研究，將二氧化碳干冰致裂破巖技術(shù)運用到城市密集老城區(qū)地鐵車站基坑開挖，突破了常規(guī)施工中只能利用傳統(tǒng)炸藥施工、靜態(tài)破碎以及人工機械開挖的局限性，并成功的降低了對基坑周圍建筑的影響，保障了施工進度，降低安全風險。

(2)二氧化碳干冰是二氧化碳的固態(tài)形式，經(jīng)過處理后能夠在常溫保存3 h，完全可以滿足施工時間上的要求。

(3)二氧化碳干冰在短時間內(nèi)在炮孔內(nèi)升華，具有很大的膨脹力，能夠滿足致裂破巖要求。

(4)通過對二氧化碳干冰用量的控制，以及炮眼間距的合理布置，能夠控制由于二氧化碳干冰升華所導(dǎo)致的振動，通過對現(xiàn)場二氧化碳干冰致裂破巖試驗研究，基坑周圍的振動速度在0.7～1.5 cm/s之間，其主振頻率在60～150 Hz之間，完全在《爆破安全規(guī)程》中所規(guī)定的安全振動速度的控制標準以內(nèi)。

(5)二氧化碳干冰就是二氧化碳，在運用二氧化碳干冰致裂破巖技術(shù)進行基坑開挖后不會對周圍環(huán)境造成不良影響。

1.2 適用范圍

適用于城市密集區(qū)地鐵車站基坑開挖、禁止采用炸藥包破區(qū)基坑開挖、城市建筑基坑開挖等，尤其適用于城市密集老城區(qū)的地鐵車站開挖。

1.3 工藝原理

采用理論分析、現(xiàn)場工藝性試驗和現(xiàn)場生產(chǎn)實踐相結(jié)合，借鑒相關(guān)工程的施工經(jīng)驗，結(jié)合依托工程特點，通過二氧化碳干冰升華產(chǎn)生大量氣態(tài)二氧化碳的原理研究總結(jié)出新型固氣相變二氧化碳干冰城市地鐵開挖施工技術(shù)。

2 二氧化碳干冰破巖技術(shù)設(shè)計

2.1 二氧化碳干冰致裂破巖設(shè)計的基本原則

(1)為控制二氧化碳干冰致裂破巖振動和飛石，采用布密集孔、控制單孔藥量和單段二氧化碳干冰用量等方式進行干冰致裂破巖。

(2)根據(jù)周邊建筑物及地形情況，致裂區(qū)抵抗線方向朝向空曠地帶，不得朝向高壓線、公路、居民房和其他可能造成安全隱患的方向。

(3)每次二氧化碳干冰致裂破巖的布孔形式，都需要根據(jù)地形靈活掌控。

(4)對復(fù)雜環(huán)境地段采取間接或直接防護措施。

2.2 二氧化碳干冰致裂破巖設(shè)計要點

(1)根據(jù)現(xiàn)場的工程地質(zhì)條件及以往的施工經(jīng)驗，選擇合適的二氧化碳干冰致裂破巖技術(shù)方案，進行合理的設(shè)計炮孔布置參數(shù)。

(2)制造一定傾角和高度的臨空面，為二氧化碳干冰致裂破巖創(chuàng)造較好的破巖條件，提高破巖效率。

(3)根據(jù)設(shè)計的炮眼大小選擇相應(yīng)直徑的鉆頭以及相關(guān)的設(shè)備。

(4)在鉆孔完成后對炮孔按照順序裝入二氧化碳干冰、催化劑、填塞物，最后利用木塞對炮孔進行堵塞。

(5)選擇合適的起爆方式，并對炮孔進行連線，連線之前必須用監(jiān)測儀對催化劑上的導(dǎo)線進行檢查其是否形成回路。

(6)根據(jù)設(shè)計要求選用相應(yīng)的起爆器材。

(7)進行現(xiàn)場警戒，警戒完成后進行起爆作業(yè)。

(8)破巖后對炮孔進行檢查是否存在盲炮，檢查完成后再取消警戒。

2.3 二氧化碳干冰致裂破巖參數(shù)設(shè)計

2.3.1 循環(huán)開挖L0和孔深L

本階段可根據(jù)循環(huán)開挖的地質(zhì)條件或者按照設(shè)計要求一次性開挖深度進行設(shè)計L0的大小，從而確定孔深L，孔深為循環(huán)進尺長度加上炮孔超深長度，其中一般炮孔超深長度定為0.2 m，若有設(shè)計掏槽眼，則掏槽孔的超深長度一般情況下可定為0.4 m(垂直深度，掏槽孔實際孔深根據(jù)設(shè)計圖確定)。

2.3.2 單耗q與總裝二氧化碳干冰量Q

單位巖體二氧化碳干冰消耗量不僅影響巖石破碎塊度、巖石飛散距離和爆堆形狀，而其影響炮眼利用率、鉆眼工作量、勞動生產(chǎn)率、材料消耗、掘進成本、斷面輪廓質(zhì)量、開挖基坑的平整度以及圍巖的穩(wěn)定性。合理的單耗決定于多種因素，其中有巖石的物流力學(xué)性質(zhì)、斷面、干冰的純度、炮眼直徑和深度等。由于二氧化碳干冰致裂破巖技術(shù)還不成熟，研究不夠深入，故暫時可以采用明捷利公式進行計算，同時可以參考原煤炭工業(yè)局制定的斜井掘進經(jīng)驗值和預(yù)算定額，根據(jù)兩者綜合分析確定最終的單耗設(shè)計值。

2.3.3 孔徑、孔距和排距

在露天進行破巖施工時最小抵抗線一般為25～30倍孔徑，孔距a一般為1～1.5倍的最小抵抗線；排距一般為0.75～1.0倍的炮孔間距。

2.3.4 炮孔數(shù)目

炮眼數(shù)目可根據(jù)進行計算。

(1)

N為計算炮眼數(shù)目，不包括未裝干冰二氧化碳的空眼數(shù)；q為單位二氧化碳干冰消耗量(kg/m3)；s為開挖面積(m2)；η為炮眼裝填系數(shù)；γ為藥卷單位長度的二氧化碳干冰重量(kg/m)。

繪制炮孔布置圖、二氧化碳干冰致裂破巖參數(shù)表以及起爆網(wǎng)絡(luò)圖。

2.3.5 確定炮孔堵塞長度

在巖層內(nèi)破巖，炮眼深度不足0.9 m時，裝二氧化碳干冰長度不得大于炮眼深度的1/2；炮眼深度為0.9 m以上時，裝二氧化碳干冰長度不得大于炮眼深度的2/3。在煤層中破巖，裝二氧化碳干冰長度不得大于炮眼深度的1/2。所有炮眼的剩余部分應(yīng)用炮泥封堵，炮眼封泥不足或不嚴不應(yīng)進行破巖。炮泥應(yīng)用水炮泥和黏土泡泥。水炮泥外剩余的炮眼部分應(yīng)用黏土炮泥填滿封實。嚴禁用煤粉、塊狀材料或其他可燃性材料作炮泥。

2.3.6 防飛石措施

為了防止個別飛石濺出造成傷害，二氧化碳干冰致裂破巖時除了對每個炮孔進行密實填塞外，還可對破巖區(qū)域采用擋式覆蓋，覆蓋面積大于破巖可能的飛石區(qū)域?；蛘呙總€炮孔部位，臨空面采用沙袋、橡膠鏈或竹排(鋼板)等覆蓋。

2.3.7 二氧化碳干冰致裂破巖安全校核

二氧化碳干冰致裂破巖技術(shù)雖然比起破巖工程的風險較低，但是也需要對其安全進行校核。施工作業(yè)過程，施爆過程中有可能對周邊建(構(gòu))筑物、人員及其他重要設(shè)施等構(gòu)成危害必須做到預(yù)防為主、方法合理、措施得當，將各種有害效應(yīng)降低到最小程度的范圍內(nèi)，可參考《爆破安全規(guī)程》主要做到保證振動安全允許距離、二氧化碳干冰致裂破巖沖擊波安全允許距離、破巖飛散物安全距離。

3 二氧化碳干冰破巖技術(shù)施工

3.1 施工工藝流程

二氧化碳干冰致裂破巖技術(shù)主要施工工藝流程見圖1。

圖1 干冰致裂破巖技術(shù)施工工藝流程

制造臨空面→打孔(孔徑為45 mm)→清孔→放干冰(50 g)→裝土(細沙)→搗實→放袋裝催化劑(帶引爆線)→放散裝催化劑(640 g)→填土.壓實→塞木楔，封口(穿引線)→測每個孔的引線是否導(dǎo)通→串聯(lián)引線→測主線引線是否導(dǎo)通→疏散人群致安全距離警戒→蓋防爆被→接主線→開始致裂→清理防爆被→炮機清理巖石。

3.2 施工方法

3.2.1 準備工作

(1)道路：通過施工道路支線進入石料場，其道路布置及參數(shù)要有具體的說明。

(2)施工用風、水、電系統(tǒng)：由于基坑施工的深度較小故施工用風主要為自然風；施工用水采用自來水管供水；施工用電采用工業(yè)用電。

3.2.2 場地清理

利用TY320推土機剝離干冰致裂試驗區(qū)范圍內(nèi)風化層以上全部覆蓋，并進行集中堆積，最后由反鏟裝32 t自卸汽車運走；局部覆蓋層較厚部位采用液壓反鏟直接下挖，用大型吊機直接吊至碴場或指定地點。

場面清理經(jīng)施工技術(shù)人員驗收后，利用推土機進行平整，以便于鉆機就位和鉆孔作業(yè)。

3.2.3 測量放線

(1)場面平整后，測量人員根據(jù)二氧化碳干冰致裂試驗方案對二氧化碳干冰致裂試驗區(qū)工作面進行平面、高程測量，并做記錄。

(2)測量技術(shù)人員根據(jù)二氧化碳干冰致裂試驗方案對炮孔開口孔位放線，并用紅油漆對每個孔位進行標識。同時提供各相應(yīng)孔位的地面高程,形成記錄。

3.2.4 鉆孔

(1)二氧化碳干冰致裂試驗主炮孔采用手風鉆Y0-20；二氧化碳干冰致裂試驗預(yù)裂孔采用液壓鉆機進行鉆孔。鉆頭直徑為45 mm。

(2)鉆機進入工作面后進行就位、調(diào)整。鉆機調(diào)整包括鉆機整機水平調(diào)整和鉆孔方向角度調(diào)整。開鉆前，施工技術(shù)人員用水平儀和刻度羅盤對其調(diào)整進行復(fù)核，并形成記錄。

(3)開鉆時，鉆機開孔孔位與設(shè)計孔位誤差不能超過一個鉆頭直徑。在鉆進過程中，每隔2 m則應(yīng)對鉆孔角度進行一次復(fù)核，及時進行調(diào)整。由于地質(zhì)原因不宜鉆進、卡鉆或不易成孔時，及時通知施工技術(shù)人員，提出修改或替代方案，并形成記錄。

(4)施工技術(shù)人員根據(jù)鉆機鉆進過程中難易程度和巖粉性狀，提出可能存在的地質(zhì)情況沿孔深變化的初步評價并形成記錄，以利于二氧化碳干冰致裂試驗參數(shù)的調(diào)整和二氧化碳干冰致裂效果的分析。

3.2.5 清孔

(1)鉆孔結(jié)束后，利用高壓風進行吹孔，直至巖屑和石碴全部清除出孔外。由施工技術(shù)人員對孔號、孔徑、孔深、鉆孔角度進行編錄。

(2)清孔結(jié)束后，用塑料膜將孔口覆蓋對炮孔進行保護。

3.2.6 裝藥、堵塞、起爆網(wǎng)絡(luò)連接、起爆、安檢

(1)二氧化碳干冰致裂材料進入現(xiàn)場，在開始裝藥前對整個二氧化碳干冰致裂試驗施工現(xiàn)場進行警戒，同時在進出炮區(qū)道路設(shè)置路障，嚴禁閑雜車輛、人員、動物進入。

(2)炮工在二氧化碳干冰致裂施工技術(shù)人員的指導(dǎo)下，根據(jù)二氧化碳干冰致裂試驗方案進行裝藥、堵塞、起爆網(wǎng)絡(luò)連接等的操作。

(3)二氧化碳干冰致裂施工技術(shù)人員對起爆網(wǎng)絡(luò)連接進行最后一次檢查后，并確認警戒有效、人員設(shè)備全部撤離、炮區(qū)無安全隱患后，發(fā)出準許起爆指令。

(4)二氧化碳干冰致裂破巖結(jié)束20 min，二氧化碳干冰致裂工程師組織二氧化碳干冰致裂安全檢查人員進入炮區(qū)進行檢查。若存在盲炮、拒爆等意外情況時，宣布警戒繼續(xù)有效，同時通知前方施工生產(chǎn)指揮部門。及時提出應(yīng)對措施，通知并報送咨詢工程師批準后進行處理；若安全檢查確認通過，則撤除警戒。

3.3 二氧化碳干冰致裂試驗效果評價

(1)首先組織有關(guān)專業(yè)的技術(shù)人員對爆堆、二氧化碳干冰致裂試驗對相鄰區(qū)巖體的影響進行描述和初步評價；若爆碴有利用要求，為滿足其級配、塊度要求，可同時安排取樣進行試驗，其結(jié)果將作為調(diào)整二氧化碳干冰致裂參數(shù)的依據(jù)。

(2)外觀描述、評價結(jié)束后，巖碴由液壓反鏟裝大型吊機吊運至碴場或指定地點。對邊坡、基礎(chǔ)面清理結(jié)束后，組織有關(guān)專業(yè)的技術(shù)人員對殘留炮根、開挖基礎(chǔ)面、開挖邊坡等進行地質(zhì)效果描述。

4 結(jié)束語

(1)本文對城市復(fù)雜環(huán)境條件下二氧化碳干冰致裂破巖技術(shù)從理論分析，技術(shù)設(shè)計到具體施工技術(shù)進行了詳細分析，對二氧化碳干冰致裂基本原理、參數(shù)設(shè)計、施工工藝流程和方法進行討論和研究，在基坑開挖過程中產(chǎn)生的沉降變形，振動控制、噪聲降解、消防和經(jīng)濟成本等方面二氧化碳干冰破巖技術(shù)與傳統(tǒng)的基坑爆破施工開挖方法均有很大的提升。

(2)在二氧化碳干冰致裂破巖過程中，設(shè)計參數(shù)合理的情況下，可以取得良好的破巖效果，大塊率很低，不需二次破碎即可裝車出渣。