城市環(huán)境下二氧化碳破巖安全控制技術(shù)

王洪坤

(中鐵二十局集團(tuán)有限公司，陜西西安 710016)

隨著我國城鎮(zhèn)化的發(fā)展，城市的建筑越來越密集，出于安全的考量，在城市工程建設(shè)中，一些傳統(tǒng)的炸藥破巖往往受到很多限制，給城市建設(shè)帶來了諸多不便，為加快城市建設(shè)的進(jìn)度，必須提出新型的破巖方法作為傳統(tǒng)破巖方式的重要補充。對于二氧化碳干冰破巖方法，在煤礦工業(yè)中已經(jīng)有所應(yīng)用但在建筑密集的城市老城區(qū)修建地鐵車站應(yīng)用較少，老城區(qū)的建筑類型復(fù)雜，安全控制標(biāo)準(zhǔn)不一，這給老城區(qū)的地鐵車站基坑開挖施工帶來了艱巨的挑戰(zhàn)。本文對二氧化碳干冰致裂爆破安全控制技術(shù)進(jìn)行了研究分析，為相關(guān)的工程施工提供參考。

1 二氧化碳干冰破巖技術(shù)

在基坑開挖工程中，尤其是在復(fù)雜周邊環(huán)境開挖地鐵基坑，為保證既有建筑在施工中的安全，常常禁止用炸藥進(jìn)行爆破開挖。二氧化碳干冰致裂技術(shù)是一種新型的致裂技術(shù)，初步被運用到城市密集帶的基坑開挖工程中，二氧化碳干冰致裂技術(shù)不但對周邊建筑物影響小的同時能夠滿足基坑開挖的需要，對城市基坑工程施工意義重大。

1.1 技術(shù)可行性

人們應(yīng)當(dāng)正確區(qū)分傳統(tǒng)炸藥爆破和二氧化碳干冰巖石致裂技術(shù)，若從最終效果來看待二者，很容易將二氧化碳干冰巖石致裂技術(shù)理解成是低強度的傳統(tǒng)炸藥爆破，但事實上，二者在技術(shù)實現(xiàn)方式上有著很大不同。

傳統(tǒng)炸藥爆破的核心是炸藥爆炸，由炸藥爆炸引起瞬間氣體急劇膨脹從而給周圍介質(zhì)帶來強大沖擊以致破壞的一種技術(shù)，炸藥爆炸的過程會涉及三個方面的變化，大量的熱釋放、熱釋放時間極短和產(chǎn)生大量氣體。其中，炸藥爆炸涉及短時間釋放大量熱量，因此在傳統(tǒng)炸藥爆破準(zhǔn)備過程中必須進(jìn)行防火處理，爆破時要考慮盲炮、啞炮的情況，現(xiàn)場安全情況會受到一定影響。

二氧化碳干冰巖石致裂技術(shù)的核心是固態(tài)二氧化碳干冰瞬間汽化后產(chǎn)生高壓氣體對周圍介質(zhì)進(jìn)行作用。其激化原理是：人工合閘→催化激發(fā)產(chǎn)生高溫→固態(tài)二氧化碳干冰瞬間加熱汽化產(chǎn)生高壓→高壓氣態(tài)二氧化態(tài)干冰對巖壁產(chǎn)生強烈沖擊→巖體破裂。

激發(fā)過程中僅有催化劑在破巖孔內(nèi)會產(chǎn)生高溫，而二氧化碳汽化過程會吸收大量熱量，最終產(chǎn)生的高壓二氧化碳?xì)怏w溫度與常溫接近，并且二氧化碳?xì)怏w本身也有滅火作用。

因此，二氧化碳干冰破巖技術(shù)在本質(zhì)上不屬于爆破，而是用固態(tài)二氧化碳干冰瞬間汽化的過程模擬了傳統(tǒng)炸藥爆炸的過程，在技術(shù)上完全可行，并且可控性更好，可以做到高壓氣體精確釋放，提高破巖設(shè)計精確程度，現(xiàn)場也不需要進(jìn)行過多防火處理。

1.2 破巖效率

傳統(tǒng)炸藥爆破在爆破施工過程中，除了炸藥審批和復(fù)雜的監(jiān)管報備流程所消耗的時間外，現(xiàn)場鉆孔(通常為人工鉆孔)和炸藥布置連線，以及最后揚塵幕布搭設(shè)都會占去較多的工作時間，再加之起爆階段需進(jìn)行大范圍人員安全清場流程，使得現(xiàn)場其他施工工序的連續(xù)性和安全性都受到影響。巨大的噪音和較明顯的地震效應(yīng)使得炸藥爆破實施時間通常被審批機關(guān)限制在特定時間段，以免干擾市民正常工作生活?？傊瑢嵤﹤鹘y(tǒng)炸藥爆破方案不僅要考慮自身各方面流程復(fù)雜性，還要考慮起爆階段對其周圍工人工作的連續(xù)性影響，并且起爆時間由監(jiān)管機關(guān)限制，時間機動性較弱，遇上突發(fā)情況對工期進(jìn)度影響較大。

二氧化碳干冰破巖技術(shù)作為新型巖石致裂技術(shù)，在施工進(jìn)度控制方面有著十分明顯的優(yōu)勢。首先，前面已經(jīng)提到，二氧化碳干冰破巖技術(shù)不屬于傳統(tǒng)炸藥爆破，核心裝藥是固態(tài)二氧化碳干冰而不是炸藥，方案設(shè)計時不需要向地方公安機關(guān)作審批報備，因而破巖時間選擇也不受約束，時間機動性大大提高；其次，二氧化碳干冰破巖設(shè)備為機械套裝，包括鉆孔、清孔、洗管、裝藥等等環(huán)節(jié)都有特定的設(shè)備完成，機械化程度高，所有待命的破巖管都由鋼索串聯(lián)，以便破巖后迅速吊起撤出進(jìn)行再利用。最后，由于二氧化碳干冰破巖時對周圍影響小，因此可以將鉆孔和破巖流程獨立分開進(jìn)行，大幅提高工作連續(xù)性和施工進(jìn)度。

另外，相較于靜態(tài)巖石破碎技術(shù)而言，二氧化碳干冰破巖技術(shù)在時間進(jìn)度把控上完全處于優(yōu)勢。

2 二氧化碳干冰致裂破巖參數(shù)設(shè)計

2.1 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(jìn)行設(shè)計L0的大小，從而確定孔深L，孔深為循環(huán)進(jìn)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)。

2.2 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(jìn)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，其中有巖石的物理力學(xué)性質(zhì)、斷面、二氧化碳干冰的純度、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(1)進(jìn)行計算，同時可以參考原煤炭工業(yè)局制定的斜井掘進(jìn)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。

(1)

表1 裝干冰直徑對單位耗藥量的影響系數(shù)

表2 炮眼深度對單位耗藥量的校正系數(shù)

總裝二氧化碳干冰量Q可以根據(jù)單位巖體炸藥消耗量q、斜井?dāng)嗝婷娣eS和炮孔孔深L計算確定見式(2)。

Q=qSL0

(2)

式中：Q為總裝干冰量，kg；q為單位巖體干冰消耗量，kg/m3；S為隧道斷面面積，m2；L0為循環(huán)進(jìn)尺，m。

2.3 孔徑、孔距和排距以及炮孔數(shù)目

合理選用鉆眼機械設(shè)備以及相應(yīng)規(guī)格的鉆頭，從而確定鉆孔孔徑。在隧道工程中孔距a一般可設(shè)為0.8～1.2 m；排距一般可設(shè)為0.6～1.0 m。在露天破巖中最小抵抗線一般為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。

炮眼數(shù)目由式(3)進(jìn)行計算。

(3)

式中：N為計算炮眼數(shù)目，不包括未裝干冰的空眼數(shù)；q為單位干冰消耗量kg/m3；s為開挖面積m2；η為炮眼裝填系數(shù)；γ為每米藥卷長度的干冰重量kg/m。

3 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)雖然比起爆破工程的風(fēng)險較低，但是也需要對其安全進(jìn)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(dāng)，將各種有害效應(yīng)降低到最小程度的范圍內(nèi)，主要做到以下幾個方面：

3.1 振動安全允許距離

對于密集建筑老城區(qū)的地鐵車站基坑開挖施工過程的監(jiān)測應(yīng)重點加強，不僅要對支護(hù)樁的水平位移和豎向位移、地下水位、鋼(混凝土)支撐軸力等常規(guī)施工監(jiān)測項目進(jìn)行監(jiān)測，還要對周邊建(構(gòu))筑物的沉降、傾斜、周邊管線的沉降和地表路面的沉降進(jìn)行監(jiān)測。二氧化碳干冰最大用量按式(4)計算。

Qmax=(V/K)3/a×R3

式中：Qmax為二氧化碳干冰量，kg。

V為保護(hù)對象所在地質(zhì)點振動安全允許速度，cm/s。民房磚混結(jié)構(gòu)取2 cm/s，塔基鋼混結(jié)構(gòu)取3 cm/s。

K、a為與破巖點至計算保護(hù)對象間的地形，地質(zhì)條件有關(guān)的系數(shù)和衰減系數(shù)，按《破巖安全規(guī)程》規(guī)定的參數(shù)選定(在進(jìn)行二氧化碳干冰致裂時可以通過實驗進(jìn)行確定，暫時可以根據(jù)傳統(tǒng)炸藥破巖進(jìn)行設(shè)計)。

R為距離破巖點最近處需要保護(hù)的建筑物的距離。

3.2 二氧化碳干冰致裂破巖沖擊波安全允許距離

二氧化碳干冰致裂破巖是同樣會產(chǎn)生空氣沖擊波。在露天破巖中，空氣沖擊波容易衰減，波強較弱。人員一般都在警戒區(qū)外，它對人員的傷害主要表現(xiàn)在視覺上。對于破巖施工，應(yīng)合理優(yōu)化干冰致裂破巖設(shè)計參數(shù)，避免采用過大的最小抵抗線，防止產(chǎn)生沖天炮；選擇合理的微差起爆方案和微差間隔時間，保證巖石能充分松動；保證填塞質(zhì)量，防止高壓氣體從孔口沖出。

3.3 破巖飛散物安全距離

二氧化碳干冰致裂破巖時只要最小抵抗線正確，按設(shè)計要求保證堵塞長度和質(zhì)量，一般不會產(chǎn)生飛石現(xiàn)象，為防止意外的地質(zhì)小構(gòu)造造成飛石，其安全距離估算見式(5)。

Rf=20n2wkf

(5)

式中：Rf為個別飛散物的安全允許距離，m；n為破巖作用系數(shù)(可通過實驗得到)；W為最小抵抗線，m;kf為安全系數(shù)，取1.5。

若是不滿足安全距離，設(shè)計可采用了以下幾種措施，能有效地控制破巖飛石。

表3 安全距離與抵抗線關(guān)系 m

(1)破巖抵抗線朝向空地方向。

(2)選擇合理單位耗藥量是控制飛石的關(guān)鍵，單孔裝二氧化碳干冰量過大，必然造成大量飛石過遠(yuǎn)等現(xiàn)象，必須選擇合理的單位耗藥量。

(3)處理好有水孔，加強堵塞，保證良好的堵塞質(zhì)量。堵塞長度不夠或堵塞質(zhì)量不好，特別是有水炮孔，勢必造成沖炮，出現(xiàn)大量飛石。

(4)覆蓋保護(hù)是有效的防護(hù)措施，破巖前采用沙袋+膠簾+沙袋對破巖區(qū)域進(jìn)行覆蓋防護(hù)，樁井口嚴(yán)格按防護(hù)設(shè)計采用鋼板、沙袋和鐵絲網(wǎng)進(jìn)行覆蓋。

(5)每次破巖的前排均采用分層裝二氧化碳干冰方式(根據(jù)現(xiàn)場臺階實際情況也可采取連續(xù)裝二氧化碳干冰)。

4 結(jié)束語

(1)在城市環(huán)境下利用二氧化碳干冰破巖，應(yīng)重點分析地質(zhì)條件和周邊的建筑環(huán)境，在破巖前進(jìn)行爆破參數(shù)的選取，根據(jù)明捷利公式確定單耗和總藥量，并明確炮眼個數(shù)，在設(shè)計階段進(jìn)行安全控制，保證二氧化碳干冰破巖的施工安全和破巖質(zhì)量。

(2)破巖施工前要對二氧化碳干冰致裂進(jìn)行安全校核，對振動安全允許距離、二氧化碳干冰破巖致裂沖擊波安全允許距離和破巖飛散物安全距離進(jìn)行計算校核，并采用一系列措施，保證工程的安全和質(zhì)量。