二氧化碳裂巖技術(shù)及經(jīng)濟(jì)性分析

高飛GAO Fei

（中交一公局集團(tuán)有限公司海外事業(yè)部，北京 100024）

0 引言

剛果金戈馬機(jī)場跑道項(xiàng)目位于剛果金東北部北基武省戈馬市，與盧旺達(dá)接壤，該地區(qū)地勢起伏，北部靠近尼拉貢戈火山，南部面臨基伍湖。該項(xiàng)目距市中心2km，周邊人口稠密，周邊居民較多，因火山吸引了大量旅游愛好者前來參觀，交通較便捷。該項(xiàng)目工期16 個(gè)月，巖石開挖方量大，按照破碎錘施工方案，石方開挖時(shí)間將超過10 個(gè)月，嚴(yán)重影響后續(xù)施工。在此情況下，為高效快速地完成巖石開挖任務(wù)，項(xiàng)目引進(jìn)二氧化碳裂巖技術(shù)和設(shè)備，加快現(xiàn)場施工速度。

1 二氧化碳裂巖技術(shù)

1.1 二氧化碳裂巖基本原理

二氧化碳裂巖原理是，在突然迅速加熱的條件下，液態(tài)二氧化碳快速氣化，急劇膨脹，產(chǎn)生強(qiáng)大沖擊力，通過裂巖設(shè)備進(jìn)行定向定量控制，形成破巖的目的。

首先，液態(tài)二氧化碳、釋能片、發(fā)熱管等通過充裝機(jī)裝入裂巖管內(nèi)，鉆機(jī)鉆孔，裂巖管放進(jìn)鉆孔內(nèi)，并對鉆孔封閉，檢查嚴(yán)密性；其次，使用電流觸發(fā)器，促發(fā)裂巖管內(nèi)的發(fā)熱管工作，導(dǎo)致液態(tài)二氧化碳在快速加熱的條件下迅速膨脹，達(dá)到原體積的1000-2000 倍以上，從而產(chǎn)生強(qiáng)大的沖擊力（可達(dá)200-400MPa）；第三，氣化后的二氧化碳沖破釋能片，沿裂巖管中預(yù)定的出氣孔急速沖出（如圖1 所示），受到密封鉆孔影響，氣體無法泄出，從而沖擊周圍的巖石，破壞巖石結(jié)構(gòu)，致使裂巖。

1.2 二氧化碳裂巖特點(diǎn)

①安全性好。液態(tài)二氧化碳相對穩(wěn)定（如表1 所示），運(yùn)輸存儲安全便捷；充裝機(jī)與裂巖管是分離的，不管是充裝還是裂巖，時(shí)間都比較短；施工時(shí)安全隱患小，安全警戒距離短。二氧化碳裂巖設(shè)備，從儲存、運(yùn)輸、攜帶、使用、回收等方面都具有良好的安全性。

表1 相關(guān)氣體液化特性

②定向裂巖。在建筑物、橋梁、地鐵、隧道等特殊環(huán)境下，施工時(shí)不會產(chǎn)生沖擊波和破壞性震動，不會對周圍環(huán)境產(chǎn)生破壞性影響。

③材料安全，來源豐富?？筛鶕?jù)需要就地取材，材料管理簡便，使用操作簡單易學(xué)。

④審批程序簡單，周期短。無需使用炸藥、雷管等管制材料，減少復(fù)雜的報(bào)批審批程序和管理要求限制；可根據(jù)需要隨時(shí)進(jìn)行分裂作業(yè)，自由度高，更能滿足工程建設(shè)需求。

⑤使用范圍廣。除在地上使用外，在礦井下使用，更能表現(xiàn)其突出的性能，瓦斯礦井、沖擊地壓礦井、易自燃礦井等水文地質(zhì)條件復(fù)雜的礦井均可使用。

⑥有助于促進(jìn)良好的社會安定。二氧化碳裂巖技術(shù)的使用，可有效減少不法分子獲取炸藥、雷管等管制物品的機(jī)會，促進(jìn)社會安定和人民生命安全。

⑦可重復(fù)使用。裂巖后裂巖管可回收重復(fù)使用，操作簡單方便，具有良好的經(jīng)濟(jì)性。

⑧若使用在石材開采，裂巖不會破壞石材紋理結(jié)構(gòu)，成材率較高，便于二次加工。

1.3 二氧化碳裂巖設(shè)備組成

二氧化碳裂巖設(shè)備主要由裂巖管、杜瓦罐、充裝機(jī)、旋緊系統(tǒng)等組成。裂巖管在裂巖后可回收，重新加入發(fā)熱管、泄能組件和二氧化碳后再次使用。

裂巖管包括充氣頭、熱化器、主管、泄氣頭、密封圈及致裂片，主管兩頭均需要密封圈。

1.4 二氧化碳裂巖施工流程

二氧化碳裂巖施工主要流程有：施工前準(zhǔn)備、鉆孔、裝管、填塞、裂巖網(wǎng)路連接、裂巖、裂后檢查、提管回收、二次巖石破碎。具體施工流程如圖2 所示。

圖2 二氧化碳裂巖施工流程圖

1.5 二氧化碳裂巖施工技術(shù)要點(diǎn)

1.5.1 施工前準(zhǔn)備工作

包括液態(tài)二氧化碳供應(yīng)、裂巖管組裝、充裝液態(tài)二氧化碳及設(shè)備運(yùn)輸，使用前應(yīng)對設(shè)備進(jìn)行調(diào)試。

1.5.2 鉆孔

①剝離覆蓋層，避免表土、風(fēng)化層等污染孔洞，為裂巖施工提供作業(yè)面。

②布孔，根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)及巖石厚度（平均厚度約3m），每次施工采用15 根管、密集式布孔進(jìn)行裂巖工作，孔距排距均為1m，第一排孔至臨空面2-3m，如圖3 所示，詳細(xì)數(shù)據(jù)可參考表2；該布孔方案能使氣體集中起來，形成一個(gè)短暫的高壓空間，到達(dá)對巖石劈裂、松動的效果。

表2 布孔參照表

圖3 布孔示意圖

③管孔深度2.5-3m 不等，管孔剛剛穿透巖石，氣體做功位置處于巖石和沙土之間，從而能夠劈裂、松動巖石。

④確定鉆孔位置后進(jìn)行鉆孔，鉆孔盡量采用垂直孔，操作容易，方便裝管；鉆孔完成后做好孔洞的保護(hù)，防止雨水、碎石等雜物掉落。

1.5.3 裝管

①裝管前對鉆孔進(jìn)行清理，以免影響裂巖管放置深度。②連接裂巖管和連接桿，使用挖掘機(jī)將裂巖管放至鉆孔中，連接桿漏出地面。

1.5.4 填塞

使用干燥細(xì)石粉或者小粒徑碎石，慢慢放置鉆孔中，盡量使石粉或者碎石壓實(shí)；鉆孔中不得有水，并且填充材料中不得含有石塊或者含水量大的石粉，防止裂巖管在裂巖過程中飛出，影響裂巖效果。

1.5.5 裂巖網(wǎng)路連接

①致裂孔數(shù)較多時(shí)，必須進(jìn)行網(wǎng)路設(shè)計(jì)，合理分區(qū)連接，減少電阻值。首先使用1.5mm2的雙根平行線作為導(dǎo)線，從裂巖管中引出導(dǎo)線，然后將所有裂巖管導(dǎo)線串聯(lián)起來。②導(dǎo)線連接完畢，引至100m 外安全區(qū)域，進(jìn)行接通測試，電阻應(yīng)在60-80Ω；若發(fā)現(xiàn)串聯(lián)不通，逐步進(jìn)行排查，重新連接。測試通過后，將導(dǎo)線與起爆裝置連接。

1.5.6 裂巖

①檢查起爆裝置正常，將起爆裝置打開充電按鈕，起爆裝置進(jìn)行充電。②約兩分鐘即可充電完畢，電壓達(dá)到2400V；接到起爆指令后，進(jìn)行起爆，起爆時(shí)間為2 毫秒。③起爆完成后，及時(shí)切斷電源，將導(dǎo)線與起爆裝置分離。

1.5.7 裂后檢查

裂巖完成五分鐘后，由專業(yè)技術(shù)員先進(jìn)入現(xiàn)場進(jìn)行檢查，檢查是否裂巖堆是否穩(wěn)定，是否存在危險(xiǎn)邊坡、危石等；檢查完畢確定無危險(xiǎn)后，解除警戒，允許其他工作人員進(jìn)入現(xiàn)場。

1.5.8 提管

巖石經(jīng)過裂巖后，石層遭到破壞，裂巖管位置發(fā)生改變，部分裂巖管被埋置巖石下方，對于漏出巖石的裂巖管，使用挖掘機(jī)延連接桿一致方向提出，切勿暴力提拉。對于無法一次提出的或者埋置壓實(shí)下方的裂巖管，經(jīng)過破碎錘二次破碎后取出，再次使用。

1.5.9 巖石二次破碎

裂巖過程中，不可避免地產(chǎn)生大塊巖石，無法直接裝車運(yùn)輸，因此使用破碎錘進(jìn)行二次破碎，將大塊松動巖石破碎成小塊巖石，再使用挖掘機(jī)（或裝載機(jī)）將巖石裝載到自卸車中，運(yùn)輸至指定地點(diǎn)。

1.6 安全、環(huán)境保護(hù)措施

本文案例中提及的項(xiàng)目為世界銀行出資，對安全環(huán)保要求嚴(yán)格，在施工中做好相關(guān)措施：①除正常勞保服、勞保鞋、手套、安全帽等用品外，鉆孔施工時(shí)還需配備護(hù)目鏡、防塵口罩。②現(xiàn)場施工前，對周圍居民進(jìn)行宣傳教育，講解施工順序以及可能產(chǎn)生的異響，避免造成不必要的影響。③裂巖管安裝后，使用草簾或者苫布，對裂巖孔進(jìn)行覆蓋，避免裂巖片飛出，并減少粉塵量，等。④安全警戒。根據(jù)施工現(xiàn)場情況，安全警戒范圍為50-100m。警戒人員穿戴有明顯標(biāo)志的衣服，在交通路口用警示帶攔住過往的車輛和行人，確保無人闖入施工區(qū)。

1.7 二氧化碳裂巖效果及影響因素

巖石裂巖后，裂巖效果明顯，整體裂縫長15m 左右，寬度7-9m，特別是裂巖管放置區(qū)域（長7m，寬5m），尤為顯著，裂縫縱橫交錯(cuò)，巖石層全部被破壞，只需使用破碎錘簡單二次破碎即可。

經(jīng)過多次施工及分析，影響裂巖效果的因素主要有以下幾點(diǎn)：①石質(zhì)要求，該項(xiàng)目巖石均為火山巖，巖石孔隙多，巖層厚2-3m，巖層底部與舊地面有斷層，密封性較差，不利于二氧化碳?xì)怏w做功，降低裂巖效果。②鉆孔孔距，該機(jī)場跑道項(xiàng)目前后左右孔距均為1m，梅花狀密集分布，此分布方式不僅裂巖效果好，裂巖范圍大，達(dá)到高效、節(jié)約成本的目的。③裂巖管數(shù)量，隨著裂巖管數(shù)量增加，將提高裂巖效果和范圍，但不一定達(dá)到最高效。因此不同地點(diǎn)、不同材質(zhì)，需多次試驗(yàn)，調(diào)整裂巖管數(shù)量和孔距，提高裂巖效果。

2 二氧化碳裂巖技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性分析

根據(jù)現(xiàn)場施工測算，在該項(xiàng)目使用二氧化碳裂巖設(shè)備進(jìn)行巖石開挖的施工成本約10.11 美元/方，詳情見表3；使用破碎錘進(jìn)行巖石開挖的施工成本約9.84 美元/方，詳情見表4。此單價(jià)不包含其他直接費(fèi)、間接費(fèi)和管理費(fèi)。

表3 二氧化碳裂巖設(shè)備巖石開挖施工成本明細(xì) 工程量：1000 方

表4 破碎錘巖石開挖施工成本明細(xì) 工程量：1000 方

經(jīng)過表3 和表4 對比分析，得出以下結(jié)論：①在該機(jī)場項(xiàng)目，使用二氧化碳裂巖設(shè)備進(jìn)行巖石開挖的施工方案較破碎錘施工方案，工序更復(fù)雜，需要投入更多的人員、設(shè)備和材料，施工成本約10.11美元/方，略高于使用破碎錘進(jìn)行巖石開挖的施工成本（約9.84 美元/方）。②二氧化碳裂巖設(shè)備的使用，雖然增加了鉆孔、二氧化碳裂巖的時(shí)間，但是大大減少了破碎錘的使用時(shí)間，但是增加了準(zhǔn)備工作時(shí)間，每完成1000 方巖石開挖，共需要約8 個(gè)工日；在相同設(shè)備配置條件下（同一臺破碎錘和一臺挖機(jī)），每完成1000 方巖石開挖，共需要約11.5 個(gè)工日。因此，在相同條件下，二氧化碳裂巖設(shè)備施工比破碎錘單獨(dú)施工速度更快，可以減少施工時(shí)間及相應(yīng)的管理費(fèi)用。③影響二氧化碳裂巖經(jīng)濟(jì)性的因素：1）二氧化碳裂巖的效果，裂巖效果的好壞將直接影響二次破碎的工程量，裂巖效果越好，二次破碎的時(shí)間將會大大減少，從而降低石方開挖的總體成本；2）二氧化碳裂巖需要更多的人工成本，主要用于二氧化碳裂巖前的準(zhǔn)備工作，如二氧化碳購買運(yùn)輸、裂巖管充裝、鉆孔、裂巖管安裝，提高了二氧化碳裂巖的施工成本；3）液態(tài)二氧化碳的材料費(fèi)用，當(dāng)?shù)厥袌鍪欠窀鶕?jù)施工需要及時(shí)提供充足的二氧化碳，充分考慮液態(tài)二氧化碳的采購和運(yùn)輸成本；4）當(dāng)?shù)厥袌鲈O(shè)備的供應(yīng)和臺班價(jià)格，本案例中，由于當(dāng)?shù)厝鄙贊摽足@和二氧化碳裂巖設(shè)備，需要充國內(nèi)海運(yùn)至非洲，增加了施工的準(zhǔn)備時(shí)間，提高了設(shè)備的使用費(fèi)用，是影響二氧化碳裂巖經(jīng)濟(jì)性的重要因素之一。

本次經(jīng)濟(jì)性比較基于項(xiàng)目石方特點(diǎn)、當(dāng)?shù)厝瞬臋C(jī)單價(jià)及功效等條件而得出，其他項(xiàng)目在確定施工方案時(shí)，可根據(jù)項(xiàng)目的石料特點(diǎn)、現(xiàn)場調(diào)價(jià)、材料來源情況、機(jī)械設(shè)備配置，編制施工方案，再結(jié)合項(xiàng)目工期和成本計(jì)劃要求，進(jìn)行分析比較，選擇最優(yōu)石方開挖施工方案。

3 結(jié)束語

二氧化碳裂巖技術(shù)的引進(jìn)，一方面大大減少管制材料和施工方案的審批程序，減少施工周期，提高現(xiàn)場施工效率，縮短施工時(shí)間，促進(jìn)二氧化碳裂巖技術(shù)推廣；但其經(jīng)濟(jì)性需要根據(jù)實(shí)際情況研究分析。同時(shí)，鼓勵(lì)中國企業(yè)不斷把新技術(shù)、新設(shè)備引進(jìn)到非洲，加速非洲基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，促進(jìn)和諧發(fā)展。