公路高邊坡開挖二氧化碳膨脹破巖新工藝與應用

歐玉峰，張遠韜，肖婷

(廣東中人巖土工程有限公司， 廣東 廣州 510515)

1 工程概況

1.1 工程地質(zhì)與環(huán)境

本項目是汕頭牛市田洋快速通道高邊坡開挖施工。該項目破巖施工段分四級邊坡，高度約34 m，石方總量約10萬m3，巖石為燕山晚期花崗巖，巖性堅韌，堅硬系數(shù)f=12～14。巖體風化程度強風化～微風化不等，完整性差，大部分呈孤立狀，且形體不一，為植被與第四紀沉積物所覆蓋，見圖1。工作區(qū)內(nèi)地形較陡（自然坡度達40°以上），地表無大的水體，地下水為第四系松散層類孔隙水和塊狀基巖裂隙水，水文地質(zhì)條件簡單。

圖1 開挖工作區(qū)巖石狀況

項目工作區(qū)位于汕頭市金平區(qū)內(nèi)，與庵揭公路、南干渠緊鄰。施工區(qū)域最近距工區(qū)駐地約 100 m，距某工廠約80 m；距工區(qū)攪拌站約60 m，距220 kV高壓電塔約260 m；距某交通駕校的訓練場約160 m；邊坡東端的坡下便是一條需保護的3 m寬水泥公路。工程環(huán)境整體復雜，見圖2。

圖2 工程環(huán)境衛(wèi)星云截圖

1.2 施工難點

（1）施工區(qū)地形陡峭，設備上下開展困難。

（2）巖石分散、風化程度不一，整體性差、多呈孤立、掩埋狀，且體形不一，氣體膨脹破巖參數(shù)靈活性大，把控難度高。

（3）氣體膨脹破巖大多需人為另開新的自由面，工作量巨大。破巖工程量較大，工期僅2個月，時間十分緊迫，且區(qū)內(nèi)交叉作業(yè)頻繁，作業(yè)矛盾突出，氣體膨脹破巖施工僅限于白天其他工序工歇的時間內(nèi)進行，工效與管理的要求高、難度大。

（4）工程環(huán)境復雜，安全風險高。開挖邊坡高，為半斷面開挖，上覆土松散，施工對終了邊坡及上覆層不得過度擾動，要求氣體膨脹破巖的振動速度不得超過 0.5 cm/s。這對氣體膨脹破巖有害效應的控制極具挑戰(zhàn)性。

2 二氧化碳膨脹破巖新工藝

2.1 工藝原理

根據(jù)液態(tài)二氧化碳相變破巖機理[1-2]，工藝上，二氧化碳膨脹破巖由起爆器輸出的電流，引發(fā)充氣致裂管中的激發(fā)管里面的點火頭發(fā)火放熱；處于致裂管內(nèi)高圍壓中的激發(fā)管，其內(nèi)部在熱作用下，點火頭周邊的加熱劑（一種發(fā)熱材料）快速反應，釋放大量的熱能，這種熱能又引發(fā)管內(nèi)其他加熱劑高速反應，爆發(fā)出更多的熱能；在這種瞬時高熱作用下，致裂管中的二氧化碳被快速加熱膨脹，并瞬間氣化，壓力迅速提高到 100 MPa～300 MPa，體積膨脹到600倍以上；當氣體的壓力大于致裂管的封堵強度時，高壓氣體沖破管體焊接縫的約束，作用于致裂管周圍的炮孔巖壁上，產(chǎn)生“爆炸”現(xiàn)象，將巖石致裂和破碎；同時，通過控制裝入致裂管內(nèi)的液態(tài)二氧化碳的質(zhì)量，來控制“爆炸”做功的能力，實現(xiàn)相關工程的目的。

2.2 技術特征

本工藝采用本質(zhì)安全的激發(fā)管和致裂管，工序上先裝管入孔，炮孔填塞完后再充氣入管。即二氧化碳破巖器材全部裝配好，并置入炮孔內(nèi)，完成炮孔堵塞，且在孔內(nèi)填塞質(zhì)量達到設計要求后，才對孔內(nèi)致裂管充裝二氧化碳。

該工藝顯著的優(yōu)點是安全性高。經(jīng)檢驗，所采用的用作激發(fā)液態(tài)二氧化碳氣化的激發(fā)管在自然狀態(tài)（常態(tài)）下，不燃燒、不爆炸，也不被雷管、炸藥、自身內(nèi)置的引火頭等引爆，本質(zhì)十分安全[3-5]。這種激發(fā)管在自然狀態(tài)下進行搬運、儲存、使用等操作不會燃爆，安全風險極低。所采用的致裂管為“一次性孔內(nèi)充裝管”，管質(zhì)材料惰性、強度可靠，在常態(tài)下搬運、儲存、使用等不會變形、變質(zhì)，并且從結(jié)構(gòu)和工藝原理上，徹底消除了“飛管”的安全隱患。工藝操作上，在二氧化碳充裝入管前，因致裂管、激發(fā)管等本質(zhì)安全，所以人員操作沒有本質(zhì)安全隱患；而二氧化碳充裝入管后，致裂管、激發(fā)管已被封堵在炮孔內(nèi)，后續(xù)僅有連線與覆蓋操作工序，無關人員及設備這時均已撤離，安全風險已降至最低。

3 二氧化碳膨脹破巖技術方案

3.1 破巖開挖方案的選擇

根據(jù)總體開挖方案，邊坡分四級臺階開挖，每級高10 m，終了邊坡各級臺階預留寬2.0 m（見圖3），同時結(jié)合巖石狀況及工程實際，破巖確定采用“液態(tài)二氧化碳膨脹+機械破碎”方案和“鉆爆法+孔內(nèi)充裝”新工藝，按自上而下的順序依次進行“小臺階作業(yè)法”施工，即破巖作業(yè)臺階高度為3.5 m～10.0 m，寬度由裝孔、二次破碎等設備作業(yè)與騰挪的安全要求確定為不小于4.0 m。

圖3 邊坡開挖典型斷面

對體積＞5 m3的孤石或整體性差的巖石，采用“鉆爆破解法”連續(xù)鉆孔、分批次集中處理，體積≤5 m3的孤石或整體性差的巖石，采用液壓錘機械破解隨機處理。

3.2 破巖器材的選用

氣體膨脹破巖器材主要包括二氧化碳儲氣容器及充裝機、激發(fā)器以及致裂器。二氧化碳儲氣容器與充裝機選用合格的專用杜瓦罐與充裝機，激發(fā)器選用防爆型電脈沖專用發(fā)爆器，致裂器選用經(jīng)鑒定確定安全性能高、裝配式電熱激發(fā)管[3]和具有只能在孔內(nèi)充裝液態(tài)二氧化碳功能的新型一次性孔內(nèi)充裝致裂管。本項目鉆孔直徑為 90 mm～105 mm，與其相適配致裂器的技術參數(shù)見表1。

表1 破巖器材技術參數(shù)

3.3 破巖參數(shù)的確定

綜合相關文獻成果[6-9]并結(jié)合本工程實際，氣體膨脹破巖參數(shù)分“臺階破巖”和“孤石破巖”2種類型，經(jīng)優(yōu)化具體見表2、表3。

表2 臺階破巖主要參數(shù)

表3 孤石破巖主要參數(shù)

表3中各參數(shù)取值情況如下。

（1）鉆孔深度Lg由式（1）確定：

式中，Lg為鉆孔深度，m；Le為巖體質(zhì)心到自由面的距離，m；Lc為致裂管長度，m。

（2）單孔破巖，在巖體幾何中心沿長軸向鉆一個炮孔；多孔破巖，采用以質(zhì)心長軸線為中軸桶形直線平行鉆孔，孔數(shù)取 3～4個（體形超大孤石按完整性差的超大巖體處理），在保證最小抵抗線尺寸的前提下，孔間距取3～5倍炮孔直徑。

（3）整體性差的超大巖體，沿其長軸向中心線按“一字形”布置單排孔（相關參數(shù)參考臺階破巖孔網(wǎng)相應參數(shù)確定）。

（4）整體性差的超大巖體在其寬大于 3 倍臺階最小抵抗線時，按“臺階破巖”鉆爆處理。

3.4 炮孔裝管結(jié)構(gòu)及布孔方式

參考相關文獻[9]及結(jié)合實際經(jīng)驗，當炮孔深度≤8 m時，采用單管裝孔。炮孔深度＞8 m時，采用雙管間隔裝管結(jié)構(gòu)，炮孔裝管結(jié)構(gòu)見圖4。

炮孔分別按臺階破巖“單排一字形”和“多排梅花形”布孔（見圖6）、孤石單孔破巖與多孔破巖（見圖7）、完整性差的超大巖體破巖（見圖8）等多種方式布置。

3.5 激發(fā)網(wǎng)路

二氧化碳膨脹激發(fā)網(wǎng)路采用電激發(fā)網(wǎng)路。單排孔激發(fā)采用瞬時激發(fā)網(wǎng)路，聯(lián)網(wǎng)采用“串聯(lián)”方法。多排孔激發(fā)，采用延時激發(fā)網(wǎng)路，聯(lián)網(wǎng)采用“并-串”方式，即孔內(nèi)致裂器并聯(lián)，同排孔串聯(lián)，延時通過使用延時繼電控制器來實現(xiàn)，前排孔先激發(fā)先響。后排孔后激發(fā)后響。激發(fā)網(wǎng)路見圖9。

圖5 “臺階單排一字形”炮孔布置

圖6 “臺階梅花形”炮孔布置

圖7 孤石鉆孔布置

圖8 超大巖體破巖炮孔布置

孔內(nèi)致裂管激發(fā)網(wǎng)路，按照爆破振動安全閾值和一次性激發(fā)規(guī)模進行選擇。當一次性激發(fā)規(guī)模的量所產(chǎn)生的振動，小于振動安全閾值時，選用瞬時齊發(fā)網(wǎng)路，當一次性激發(fā)規(guī)模的量所產(chǎn)生的振動，大于振動安全閾值時，選用延時激發(fā)網(wǎng)路。研究表明[1]，微差激發(fā)的微差間隔時間取20 ms～40 ms為宜。

3.6 參數(shù)應用試驗

在施工區(qū)內(nèi)選擇位置安全可靠、巖體能代表本工程不同類別的典型巖石，分別對臺階、孤石、大體形巖石等破巖參數(shù)進行少組量參數(shù)應用試驗。試驗成功后，按優(yōu)化選定的參數(shù)及工序進行相應破巖施工。

3.7 施工順序

工藝每循環(huán)施工的順序為：作業(yè)面清整→布孔、鉆孔→確定破巖激發(fā)時間及時驗孔→做好破巖前的準備（處理不合格孔、專用器材檢測及預裝配、混制填塞材料、預制防護材料、專用設備檢查與維護、核定二氧化碳用量）→人員、材料、裝備入場→無關人員退場、停止附近其他作業(yè)→裝配并檢測破巖器材、裝管入孔→炮孔填塞、再次檢測孔內(nèi)破巖器材→富余人員及裝備退場→對炮孔內(nèi)的致裂管充氣→激發(fā)網(wǎng)路連接與檢測→落實安全防護→清場與安全警戒→激發(fā)起爆→安全檢查與處理→撤崗恢復。

3.8 安全警戒

據(jù)相關工程實踐經(jīng)驗，類似二氧化碳膨脹破巖飛石飛散距離一般不超過30 m[10]。因此，本項目工藝施工按50 m安全距離布置安全警戒線，設置警戒崗哨封鎖進入該范圍的各通道，禁止人員、車輛等進入，并對警戒區(qū)進行清場。

圖9 起爆網(wǎng)路

4 安全技術措施

4.1 振動防范措施

振動控制與防范，采取下述措施：

（1）通過膨脹破巖試驗，優(yōu)化參數(shù)，將振動及個別飛石控制在規(guī)定的振動與飛石安全閾值內(nèi)；

（2）每次氣體膨脹破巖，確保抵抗線指向主要被保護對象的相反方向；

（3）保證堵塞質(zhì)量和堵塞長度，淺孔堵塞長度應大于0.6L，中深孔堵塞長度應大于最小抵抗線的 1.2 倍以上，防止“沖孔”；

（4）鉆孔應精準，質(zhì)量符合設計要求；

（5）及時清運破下的巖石，為后續(xù)破巖創(chuàng)造良好的臨空面；

（6）嚴格控制單次齊發(fā)規(guī)模和延時間隔激發(fā)的單響規(guī)模，采用延時間隔破巖技術，前后排間隔時間以不超過40 ms為宜。

4.2 飛石的防護

對氣體膨脹破巖溢散飛石的控制，一方面合理選擇最小抵抗線的方向，控制飛石飛出方向，不斷優(yōu)化破巖參數(shù)，減小飛石飛散距離。另一方面對激發(fā)破巖的炮孔采取覆蓋防護的措施。對臺階破巖采用炮孔整體全覆蓋方式，對孤石破巖采用巖塊整體全包裹緊貼方式，見圖10。

圖10 飛石防護方式

5 施工管理要素

施工管理要素主要由工藝、質(zhì)量、安全以及專用器材組成。其管理要點是，工藝上應做到設計合理、施工有序、操作精細、防護得當；質(zhì)量上應工序合理、作業(yè)完整、參數(shù)精準、指標達標；安全上應做到技術可靠、措施得當、機制健全、落實有效、人員持證上崗、設備材料正規(guī)合格、施工規(guī)范、作業(yè)標準；專用器材方面，二氧化碳存儲容器的操作與使用，執(zhí)行“壓力容器”使用與操作管理規(guī)程，激發(fā)管存儲、使用管理，執(zhí)行“易制爆”管控標準[11]。

6 破巖效果及體會

在該項目應用中，本工藝保證了工程任務的如期圓滿完成，實施的功效及破碎效果令人滿意，安全效果優(yōu)勢突出，實現(xiàn)了飛石弱、振動弱、噪聲弱的“四弱”施工，顯示了對高邊坡開挖過程的邊坡穩(wěn)定性保持、安全敏感區(qū)等復雜環(huán)境下破巖作業(yè)時的具有不可替代性的優(yōu)勢。

經(jīng)現(xiàn)場檢測和統(tǒng)計，飛石均未飛出30 m，振動微弱，對高邊坡擾動影響極微，距爆區(qū)20 m處，振動速度值不足 0.23 cm/s，人員基本體察不到震感，沖擊波影響距離不足20 m，噪聲小，最大不足70 dB。

但需要指出，在工程實踐中，致裂管的氣密性、激發(fā)管的供熱狀況、工程地質(zhì)條件（尤其是地質(zhì)弱面的影響）對液態(tài)二氧化碳膨脹破巖的作用過程以及宏觀效果具有不可忽視的影響，應引起高度重視，并加強深入研究。