二氧化碳?xì)怏w致裂施工關(guān)鍵技術(shù)改進(jìn)與應(yīng)用

葉 靖

(中國水利水電第八工程局有限公司，湖南 長沙 410004)

1 工程概況

貴州省安順市“人和苑”項目南鄰黃果樹大道，西鄰安順市人民醫(yī)院，東臨“家運天城”小區(qū)。該項目由1#～8#塔樓及S1、S2裙樓組成，建設(shè)用地總面積36591.0 m2，總建筑面積198740.40 m2。本工程主體結(jié)構(gòu)為框剪結(jié)構(gòu)，建筑統(tǒng)一設(shè)置-2F地下室，設(shè)計±0.00標(biāo)高為1358.10 m，地下室底板標(biāo)高劃分為1349.30 m和1348.80 m兩個區(qū)域。

本工程重要性及場地復(fù)雜等級都比較高，巖土工程勘察等級為甲級。基坑開挖深度為9～10 m，石方開挖量23萬m3，周邊有重要構(gòu)筑物，如果破壞后果較嚴(yán)重。

2 氣體致裂原理

二氧化碳?xì)怏w裂巖原理，就是利用二氧化碳3種形態(tài)轉(zhuǎn)化，通過溫度控制，二氧化碳在一定的高壓下可轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)，通過高壓泵將液態(tài)的二氧化碳壓縮至儲液管內(nèi)，裝入定壓剪切片、發(fā)熱裝置及密封裝置，并擰緊合金帽等裝置，完成了爆破前的所有準(zhǔn)備工作。工程現(xiàn)場將致裂管和起爆裝置器及足夠長電源線攜至致裂現(xiàn)場，由于致裂管較重且較長，借助現(xiàn)場挖掘機(jī)破碎頭吊入鉆孔中固定好，然后用瓜米石填充，振搗器振動輔助，將其密實。各項準(zhǔn)備后連接起爆裝置電源。當(dāng)電流通過高導(dǎo)熱裝置時，短時間內(nèi)產(chǎn)生高溫并立馬擊穿安全膜，瞬間將液態(tài)二氧化碳變成氣體，氣體過程急劇膨脹，并產(chǎn)生高壓沖擊波致定壓剪切片自動打開，巖石被瞬間沖擊波向外迅猛推進(jìn)，導(dǎo)致基巖破裂，從起爆至整個結(jié)束過程時間極短，只需0.4ms，且受周圍環(huán)境影響較小，二氧化碳屬于惰性氣體非易燃易爆物質(zhì)，與周圍環(huán)境的空氣不相融合，爆破過程就是體積膨的過程，不產(chǎn)生任何有害氣體。

3 致裂器的基本結(jié)構(gòu)

二氧化碳?xì)怏w致裂管如圖1 所示。

圖1 二氧化碳?xì)怏w致裂管示意

(1)充裝閥。注入儲液管液態(tài)二氧化碳的開關(guān)，充裝放置帶有計量裝置，待注入至規(guī)定重量時關(guān)閉，要求有良好的密封性能，采取面接觸式密封。

(2)發(fā)熱裝置。由啟動器、發(fā)熱材料、保護(hù)罩或支架組成，為儲液管內(nèi)液態(tài)二氧化碳?xì)饣峁崮艿难b置。

(3)儲液管。采用高強(qiáng)度合金鋼材制作的耐高壓(≥300 MPa)、耐高溫(≥1800 ℃)管式容器，用于儲存規(guī)定重量二氧化碳。

(4)定壓剪切片。定壓剪切片是指儲液管氣體壓力超過材料剪切壓力時迅速破裂的預(yù)設(shè)壓力原件，也是控制卸能壓力的零件，可通過使用不同規(guī)格的剪切片得到不同的釋放壓力。

(5)釋放管。釋放管指儲液管氣體壓力造成定壓剪切片破裂，高壓氣體瞬間從管中噴射出來的原件。

4 致裂的比選

爆破法是最傳統(tǒng)、最主流的方法，具有快速、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點，但同時爆破易產(chǎn)生飛石、振動、粉塵、噪音等，爆破飛石、噪音可通過控制單耗以及加強(qiáng)防護(hù)等措施控制，爆破振動可通過采用數(shù)碼電子雷管控制單孔單段藥量進(jìn)行控制，爆破粉塵可采用噴霧進(jìn)行控制，這些措施的采用將使爆破成本增加。最主要的是目前爆破器材管理嚴(yán)格，單次爆破炸藥的運輸成本至少2000元，且器材供應(yīng)時間不可控，對于小規(guī)模爆破已不具備經(jīng)濟(jì)、快速等優(yōu)點。

膨脹劑靜態(tài)破碎，具有無聲、無振動等特點，然而施工效率低、施工條件惡劣、施工成本高，不利于大規(guī)模作業(yè)，特別是在巖土中，膨脹劑將沿孔壁裂縫流入巖體，導(dǎo)致保護(hù)區(qū)的破裂，僅適合振動、飛石、粉塵控制要求極嚴(yán)的部位開挖。

液壓錘機(jī)械破碎，具有作業(yè)人員勞動強(qiáng)度低、基本無飛石等特點，但持續(xù)噪聲及粉塵對環(huán)境污染大，對工作面有一定要求，不適合小洞子等狹窄地段施工。

二氧化碳相變致裂破巖是近年引入國內(nèi)并推廣使用的破巖技術(shù)。該技術(shù)具有快速、安全等特點，由于二氧化碳相變致裂在孔內(nèi)產(chǎn)生的氣體壓力遠(yuǎn)低于同孔量常規(guī)爆炸在孔內(nèi)產(chǎn)生的壓力，因此，破巖過程中產(chǎn)生的飛石、粉塵及振動遠(yuǎn)低于爆破所產(chǎn)生的飛石、粉塵及振動，且不產(chǎn)生有毒有害氣體。適合環(huán)境復(fù)雜，對振動、飛石、噪聲及粉塵控制要求嚴(yán)格的區(qū)域施工。

本項目周邊建筑全部建設(shè)完成，且距離較近，為確保施工安全，且工期要求緊。如采用鉆爆方式每次爆破流程較長，而且離建筑物及鐵軌較近，很大可能無法完成，且鉆爆所產(chǎn)生的噪音、震動、飛石、粉塵較大，會直接影響到電廠內(nèi)建筑物及職工的日常生活、辦公。根據(jù)類似工程經(jīng)驗，擬采用二氧化碳相變致裂破巖技術(shù)對巖石進(jìn)行施工。

5 致裂試驗情況

經(jīng)實地勘查，該致裂區(qū)域的基巖為巖溶化原山地，屬典型的喀斯特峰叢、峰林，主要為溶蝕山間槽谷地貌，其間錐狀峰林與平坦開闊的溶丘平地、溶蝕壩地廣布，總體地勢高差不大。巖石鈣質(zhì)膠結(jié)良好，巖石分布不勻，節(jié)理錯亂，呈不規(guī)則形態(tài)產(chǎn)狀，部分區(qū)域有巖溶水溢出。巖體為中硬巖石，普氏巖石系數(shù)f=8～12。待致裂區(qū)出露地層有：第四系、二疊系上統(tǒng)、二疊系下統(tǒng)，石炭系下統(tǒng)；區(qū)內(nèi)構(gòu)造為斷裂，大都為隱伏斷層，受巖性和構(gòu)造影響，局部地段巖體破碎，巖石性質(zhì)為泥質(zhì)砂巖，出露基巖為石灰?guī)r，地表土覆蓋層一般厚度在1.5～4 m之間，分布不均勻。

5.1 試驗?zāi)康?/h3>

由于基坑周邊建筑物密集，特別是市人民醫(yī)院建筑物距施工邊線最小距離十幾米，經(jīng)幾種常規(guī)爆破施工工藝，不能滿足現(xiàn)場安全需要，通過二氧化碳?xì)怏w致裂關(guān)鍵技術(shù)改進(jìn)的試驗，調(diào)整各項參數(shù)，是否能解決硬巖開挖難題。通過試驗確定臨空面、鉆孔孔深、孔距、裝管長度和堵塞長度等相關(guān)參數(shù)，為分析和提高二氧化碳?xì)怏w致裂工效提供各項數(shù)據(jù)。通過試驗檢測該致裂各項參數(shù)對周邊震動、飛石、污染、噪音等的影響。

5.2 試驗參數(shù)

本次試驗塊選取人工預(yù)先鑿好臨空面且具有代表性，本工程采用致裂管參數(shù)為：選用122型致裂管，充裝的二氧化碳重量為9.9 kg，以及配選108型致裂管，充裝的二氧化碳重量為6.8 kg，本項目單耗二氧化碳量為0.3～0.45 kg，本工程綜合致裂方量約為35 m3/管。致裂工作面及鉆孔等參數(shù)擬采用以下參數(shù)：①預(yù)造臺階深度：H=4.5 m；②超孔孔深：h=0.5 m；③鉆孔總深度：L=H+h=5.0 m；④孔間距：a=(0.4～0.6)L，在此取2.5 m;⑤排距：b=2～2.5 m;⑥最小抵抗線：Wm=2.5～3 m;⑦堵塞長度：ho=2.1 m;⑧裝管長度：h1=2.5 m(圖2)。

圖2 鉆孔布置平面示意及臺階鉆孔布置剖面

5.3 致裂振動安全振速的計算、校核

此項目施工現(xiàn)場區(qū)域，綜合考慮周邊建筑物的重要性，對致裂作業(yè)環(huán)境相求較為嚴(yán)格，主要對破碎后產(chǎn)生飛石的控制要求極高，每次致裂的震源與需保護(hù)目標(biāo)之間的距離是已知的，施工時必須采取切實可行的安全防范措施，本項目主要保護(hù)對象所在地兩個指標(biāo)即：基礎(chǔ)質(zhì)點峰值振動速度和主振動頻率，在致裂前專業(yè)人員計算出致裂時致裂最大單段致裂量及允許的最大致裂量，其公式結(jié)合二氧化碳致烈的測量結(jié)果，結(jié)合此數(shù)據(jù)(第一個點距離40 m，測震0.2，第二個點距離17.5 m，測震0.2，第三個點的距離22 m。測震0.3)

在本工程中，分別對周圍建筑物和管線進(jìn)行單段允許藥量核算如下：V=1.5 cm/s(圖3)。

5.4 致裂效果

本次二氧化碳?xì)怏w致裂試驗效果非常明顯，試驗區(qū)域巖層全部破除，致裂效果圖片如圖4 所示。

5.5 試驗總結(jié)

(1)試驗結(jié)果表明氣體致裂能力基本滿足中風(fēng)化巖層施工要求，可操作性強(qiáng)，工藝簡單。本次試驗通過試驗發(fā)現(xiàn)該裂巖方法對基坑周邊震動、飛石、污染、噪音等的影響等較小，二氧化碳致裂可控性比普通爆破好很多。

(2)采用二氧化碳?xì)怏w致裂施工關(guān)鍵技術(shù)改進(jìn)，工藝簡單，對中風(fēng)化巖層致裂效果總體受控，達(dá)到預(yù)先效果且對周邊環(huán)境影響較小。滿足本工程石方總體開挖進(jìn)度，同時也能滿足周邊建筑物安全性要求，同時對推廣市政建筑及無法使用爆破施工的石方開挖起到了一定借鑒作用。

6 致裂參數(shù)優(yōu)化研究

6.1 致裂影響因素

①鉆孔內(nèi)有積水：容易導(dǎo)致致裂管飛管；②致裂巖層有裂隙：導(dǎo)致漏氣，致裂效果不佳，易產(chǎn)生大體積塊石；③致裂延時問題：目前采取單排或雙排致裂施工，效率不高；④致裂臨空面及爆破方向：目前是垂直方向致裂施工，水平致裂易產(chǎn)生飛石，無足夠臨空面會導(dǎo)致致裂效果不佳。

圖3 致裂振動速率現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集

圖4 二氧化碳?xì)怏w致裂試驗效果

6.2 致裂工作面的現(xiàn)場參數(shù)改進(jìn)優(yōu)化

液態(tài)二氧化碳相變致裂技術(shù)通過在本項目的實施應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)了影響或制約致裂效果的因素，如孔內(nèi)積水、巖層存在裂隙、致裂延時問題及致裂臨空面和致裂方向等因素。前期在方案實施過程中，因受以上因素影響，導(dǎo)致致裂效果不理想。為使該致裂技術(shù)能更好地發(fā)揮致裂效果，達(dá)到降低成本、增強(qiáng)功效、提高效率的目的，在方案實施的后期要不斷對參數(shù)進(jìn)行試驗調(diào)整。

(1)根據(jù)地勘資料顯示，本項目巖層地下水位較高、巖層裂隙發(fā)育，針對孔內(nèi)積水的鉆孔，在臨空面底部設(shè)置排水溝，采用高壓風(fēng)對鉆孔進(jìn)行沖洗，確?？變?nèi)無積水；通過調(diào)整鉆孔間距或排距，在裂隙區(qū)域加密鉆孔布置，以保證達(dá)到致裂效果；

(2)針對致裂延時問題，根據(jù)巖層結(jié)構(gòu)分布結(jié)合現(xiàn)場工作面實際，調(diào)整鉆孔間距、排距及增加鉆孔深度(調(diào)整致裂管的長度及管徑)，采用多排延時致裂(排間設(shè)置延時器起爆)，以提高爆破質(zhì)量和工作效率；

參照文獻(xiàn)[7]中的實驗網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌梅阑饓⒌湫推髽I(yè)網(wǎng)絡(luò)隔離為允許外網(wǎng)直接訪問的DMZ區(qū)和不允許外網(wǎng)直接訪問的內(nèi)網(wǎng)辦公區(qū)，其中DMZ區(qū)部署1臺Web服務(wù)器，內(nèi)網(wǎng)辦公區(qū)部署1臺數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和3臺辦公主機(jī)，允許Web服務(wù)器訪問內(nèi)網(wǎng)辦公區(qū)的數(shù)據(jù)庫服務(wù).下面通過MATLAB仿真分析單、多脆弱性變換下，脆弱性數(shù)量、變換周期及變換空間與NDD有效性的關(guān)系.

(3)針對致裂臨空面及爆破方向問題，根據(jù)現(xiàn)場條件適時調(diào)整鉆孔傾斜角度、鉆孔深度、間距等，以提高爆破質(zhì)量效果。

7 二氧化碳?xì)怏w致裂實施工藝

7.1 鉆孔布置

根據(jù)本項目地勘提供巖石性質(zhì)，致裂管長度及裝約量，臨空面間距、臺階高度等分別布置，根據(jù)本工程裂隙分布特點，不同的巖石性質(zhì)，臺階布置不同，本項目選用的布孔方式為直列布孔方式。根據(jù)現(xiàn)場實際進(jìn)行局部調(diào)整。

7.2 鉆孔

鉆孔設(shè)備采用KY130型露天潛孔鉆機(jī)進(jìn)行施工，鉆孔深度4.5 m，各致裂孔底部誤差均，不得大于致裂孔深度的5%。巖面一般布設(shè)兩排孔，且呈梅花型布置，鉆孔孔徑為140 mm，致裂孔深度必須滿足技術(shù)及規(guī)范要求，對不合格的孔按規(guī)一律定進(jìn)行補鉆，直至達(dá)到要求。

7.3 氣體量控制

根據(jù)本項目特點，根據(jù)地勘資料查出不同巖石性質(zhì)，也根據(jù)現(xiàn)場裂隙走向設(shè)置臺階高度，根據(jù)不同巖石硬度及致裂管孔徑及致裂管二氧化碳充裝數(shù)量布置臨空面間距、沿裂隙方向布置一條線，項目技術(shù)負(fù)責(zé)人與致裂廠家專業(yè)人員檢查。

7.4 成孔檢查

鉆孔成型后，裝致裂管前要對鉆孔進(jìn)行檢查，主要進(jìn)行二方面檢查：一是檢查鉆孔平面布置是否符合設(shè)計要求間排距等參數(shù)，二是檢查鉆孔深度、成孔質(zhì)量及完成后雜質(zhì)是否清理干凈。

7.5 致裂管吊裝及填充

成孔后現(xiàn)場采用挖掘機(jī)破碎頭吊裝入孔，然后向孔填內(nèi)填選好中粗砂作為填充物；致裂孔有水時要做排水后方可作業(yè)，如果孔內(nèi)水排不盡時采用水泥等膠凝材料參合物進(jìn)行固化?？變?nèi)填塞時要邊填塞邊用炮桿搗實，為了保證每個孔內(nèi)都填實要求，還輔助振動器振動致裂管。對填孔時造成致裂孔卡堵、填孔不實的現(xiàn)象，一旦出現(xiàn)致裂孔卡堵填塞不實的情況，采用挖掘機(jī)將其吊出，然后處理孔，再次吊裝，直至全部達(dá)到要求。

7.6 致裂管連接及防護(hù)

本項目巖石分布情況，采用2根φ30 mm鋼絲繩對所有致裂管進(jìn)行連接，確保致裂管處于整體狀態(tài)，每個致裂管端頭吊鉤用繩卡固定法與鋼絲繩連接，在啟爆時不會單個飛出，為了絕對安全，額外還用一條布帶(10T)把每個致裂管頭部再次連接起雙層保護(hù)作用，最后防啟爆飛石采用廢舊車胎編制而成炮被(規(guī)格2 m×2 m)對每一個孔覆蓋且用鐵絲與鋼絲繩綁扎，從而達(dá)到三層防護(hù)。

7.7 網(wǎng)絡(luò)聯(lián)結(jié)

網(wǎng)絡(luò)聯(lián)結(jié)由有經(jīng)驗的技術(shù)員操作，采取串聯(lián)方式(圖5)。

圖5 串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)示意

7.8 激發(fā)

將現(xiàn)場裝好所有致裂器用導(dǎo)線聯(lián)好，依次連接到激發(fā)器上，由專業(yè)人員將激發(fā)器移至安全位置，現(xiàn)場進(jìn)行警戒的，待人員全部撤離警戒區(qū)域即方可激發(fā)裂巖。

7.9 回收

將現(xiàn)場致裂完成后的致裂器運到操作間，把致裂器放在拆裝臺；由專業(yè)人員按流程處理致裂器，首先將外形損傷的及時進(jìn)行修理，達(dá)到要求；由專業(yè)人員對致裂器進(jìn)行拆卸，將其內(nèi)部的殘渣進(jìn)行清理，達(dá)到下次使用要求，最后全部放置陳列架上。

8 結(jié)語

本工程成功應(yīng)用二氧化碳致裂關(guān)鍵技術(shù)改進(jìn)相關(guān)參數(shù)，通過預(yù)先人為制造臨空面，然后在巖體上進(jìn)行鉆孔裂巖施工，使巖體致裂后通過機(jī)械輔助將其滑動，運出后再次形成臨空界面，繼續(xù)沿著裂巖后的臨空面方向鉆孔，進(jìn)行二氧化碳?xì)怏w致裂施工，逐漸循環(huán)直至開挖邊線。這樣能高效快速地完成深基坑石方的開挖。對類似明挖基坑施工起到一定借鑒作用，同時也可促進(jìn)城市建設(shè)石方施工技術(shù)的安全，并滿足城市建設(shè)的綠色施工要求。