CO2爆破致裂技術(shù)在密集建筑區(qū)域硬巖基坑開挖工程中的應(yīng)用

廖建東

(中鐵隆工程集團有限公司， 四川成都 610045)

CO2爆破致裂技術(shù)，起源于美國，最初主要是用于高瓦斯礦井，使之代替炸藥，避免引起瓦斯爆炸。該技術(shù)20世紀90年代引入我國，經(jīng)過若干年實踐，已趨于成熟。近年來，CO2爆破致裂效果得到了越來越多民爆企業(yè)的認可，推廣速度較快，目前已開始應(yīng)用于巖石爆破領(lǐng)域。

城市軌道交通工程車站建設(shè)項目，絕大多數(shù)地處城市人群集中區(qū)域，周邊環(huán)境相當復(fù)雜，車站附近建(構(gòu))筑物密集、各類管線縱橫交錯、人民群眾對噪聲和粉塵污染防治要求嚴格等。對處于硬巖區(qū)域的車站基坑開挖，既要滿足基坑開挖施工要求，又要確保周邊地下管線、建(構(gòu))筑物的安全，還要將噪聲和粉塵濃度控制在可接受范圍之內(nèi)，這是施工單位普遍面臨的難題。針對上述問題，傳統(tǒng)的開挖方式有大型機械破碎、靜態(tài)爆破及液壓擴張器致裂等方法，但這些方法普遍存在施工效率低、作業(yè)成本高、文明施工難以保證等缺點。

本文以大連地鐵5號線山花街站為例，對CO2爆破致裂技術(shù)應(yīng)用于密集建筑區(qū)域硬巖基坑開挖工程進行研究分析，總結(jié)出相應(yīng)成果，希望為類似工程提供參考借鑒。

1 工程概況

大連地鐵5號線山花街站，位于大連市甘井子區(qū)甘北路與甘井子路交叉口東北側(cè)光明健康廣場下方，為單柱雙跨框架結(jié)構(gòu)(局部為雙柱三跨)，采用明挖法施工。車站為地下2層島式車站，站臺寬度11m，車站長度203.4m，標準段寬度19.7m，基坑開挖深度最大達22.6m，車站設(shè)置4個出入口、2組風亭。

車站站位地質(zhì)情況主要以中風化白云巖為主，單軸飽和抗壓強度55～75MPa，屬中硬巖石，開挖難度大。周邊分布9棟地上2～7層磚混住宅，距基坑邊緣3.4～17.5m。車站四周有9類管線共計64根，多為老管線，歷史久遠且錯綜復(fù)雜。

2 CO2爆破致裂技術(shù)

2.1 CO2爆破致裂器工作原理

二氧化碳相變致裂屬于物理致裂過程，氣態(tài)的CO2在一定的高壓下會轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)，通過高壓灌裝設(shè)備將液態(tài)CO2灌裝在特定管狀容器內(nèi)，同時在容器下部安裝定壓剪切片，上部安裝發(fā)熱裝置及密封圈形成致裂器。

現(xiàn)場作業(yè)時，采用低壓起爆器產(chǎn)生的微電流激發(fā)致裂器內(nèi)部的發(fā)熱裝置，致裂器內(nèi)高壓液態(tài)CO2通過加熱，使其壓力急劇增至20～60MPa，高壓液態(tài)CO2沖破下部定壓剪切片后迅速轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)，體積瞬間增大到原體積的600多倍。體積膨脹后瞬間產(chǎn)生的膨脹力使致裂器周邊硬巖開裂，達到巖石致裂的目的。CO2相變致裂器工作結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 CO2相變致裂器結(jié)構(gòu)示意

2.2 基坑開挖工作原理及工藝流程

首先，在基坑內(nèi)開挖出具備臨空面的工作區(qū)，利用潛孔鉆機在工作區(qū)內(nèi)按設(shè)計孔間距成孔；其次，人工安裝CO2致裂器，起爆后利用CO2物理特性將工作面巖石沖擊開裂；最后，采用大型破碎錘將開裂的巖石破碎并取出致裂器。將基坑劃分為多個工作面，采取流水施工以提高施工進度，致裂器取出后送至加工車間進行修復(fù)和填充液態(tài)CO2后繼續(xù)多次使用。施工工藝流程見圖2。

圖2 CO2相變致裂器結(jié)構(gòu)示意

3 CO2爆破致裂開挖操作要點

3.1 施工前準備

3.1.1 致裂器準備

基坑開挖前，在后臺車間將致裂器配件及各類設(shè)備進行保養(yǎng)檢查，根據(jù)施工方案要求配備足夠數(shù)量的致裂器及配件，達到在施工現(xiàn)場具備致裂條件后能立即將致裂器運輸至現(xiàn)場并形成回收、維修、灌裝、運輸?shù)哪芰?致裂器維修、灌裝、運輸，一般由專業(yè)爆破公司負責)。

3.1.2 現(xiàn)場施工準備

車站圍護結(jié)構(gòu)和支撐體系施作完成并達到開挖條件后，按照“豎向分層、縱向分段”的開挖原則將基坑劃分成若干個工作面，一般豎向每層開挖深度2.5m，縱向每段長度25m，寬度與基坑寬度相同，形成爆破致裂所需的臨空面，同時也保證了每個作業(yè)面有足夠空間放置致裂設(shè)備、破碎設(shè)備，便于形成流水施工，提高作業(yè)效率。

3.2 機械鉆孔

采用自行式履帶潛孔鉆機鉆孔，孔徑φ115mm?？组g距1.5m×1.2m，梅花形布置。孔深比致裂器少0.2m(可根據(jù)基坑巖層本身特性和致裂器長度進行參數(shù)調(diào)整)，基坑最外圈的孔距離兩側(cè)圍護結(jié)構(gòu)0.3m，各個鉆孔應(yīng)保證適當?shù)拇怪倍?。鉆孔過程中，遇到巖石內(nèi)部裂縫節(jié)理發(fā)育而引起個別鉆孔串孔的情況時，須正確記錄孔位編號，采用碎石及粘性材料對串孔鉆孔進行封堵，封堵完成后在原鉆孔附近重新鉆孔。

3.3 安裝CO2致裂器

采用帶鉛錘的測繩測量孔深，務(wù)必保證孔口至孔底深度比致裂器短20cm左右，使致裂器頂端外露，便于爆破后拔出。致裂器由后臺加工廠灌裝后運輸至施工現(xiàn)場，用龍門吊或汽車吊將致裂器吊裝至爆破作業(yè)區(qū)域，再采用人工搬運并將致裂器逐根安放在鉆好后的鉆孔內(nèi)。致裂器安裝見圖3。

圖3 人工安裝CO2致裂器

3.4 瓜子石填塞封孔

為保證致裂效果，防止爆破時飛管，需用直徑小于5mm的瓜子石填塞致裂器與孔壁間空隙。在填塞瓜子石的同時，采用振搗器不斷振動致裂器鋼管，以增大致裂器鋼管與孔壁摩擦力，達到填塞密實的目的。填塞封孔見圖4、圖5。

圖4 致裂器與孔壁空隙填塞瓜子石

圖5 振搗器振動致裂器

3.5 連線、鎖管

用導線將致裂器逐一連接，確認回路通暢后接入起爆器。為防止個別致裂器因安裝不牢而于爆破后飛出，采用φ28mm鋼絲繩將所有致裂器串聯(lián)起來，并在鋼絲繩與致裂器交點處安放橡膠護墊，避免鋼絲繩斷裂。致裂器連線、鎖管見圖6、圖7。

圖6 致裂器連線

圖7 鋼絲繩鎖管

3.6 安全防護

CO2致裂器引爆后，雖能保證振動可控，但受CO2物理特性影響，個別孔內(nèi)致裂器受各種因素影響會出現(xiàn)豎向反力，導致致裂器鋼管向上飛出。針對密集建筑區(qū)域硬巖基坑開挖，尤其是人員車輛密集之處，應(yīng)特別注意飛管防護，做到百分之百安全。施工時采用帶支腿的鋼板罩遮住爆破區(qū)域，鋼板間隙及鋼板四周縫隙用膠皮炮被作覆蓋防護，必要時可在鋼板上增加配重防止飛石。安全防護見圖8。

圖8 鋼板罩安全防護

3.7 起爆

做好安全防護后，按照國家相關(guān)規(guī)定進行警戒，對工作面周邊50m范圍內(nèi)的外部車輛、人員暫時禁行，基坑內(nèi)所有人員設(shè)備疏散至安全地點后方可進行起爆作業(yè)。在確認所有致裂器連接導線通暢后，采用智能云安全起爆器對致裂器進行起爆。爆破效果見圖9。

圖9 CO2爆破致裂效果

3.8 機械破碎

爆破完成后，移開防護鋼板，觀察致裂效果。針對大塊巖石，用破碎錘進行破碎，破碎程度符合渣土運輸條件即可。同時將致裂器逐個拔出，需要注意的是，拔出致裂器鋼管時要垂直上拔，避免斜拔、野蠻操作，以免損壞致裂器。

3.9 致裂器回收

將現(xiàn)場拔出的致裂器送至維修灌裝車間，經(jīng)過維修、灌裝液態(tài)CO2后重復(fù)使用。

3.10 分段、分層開挖

第一段爆破完成后，利用形成的新的臨空面，實施后續(xù)爆破開挖，按照“分段、分層，多工作面流水”的原則將基坑開挖完成。

4 工程應(yīng)用

4.1 應(yīng)用情況

該技術(shù)于2018年3月起應(yīng)用于大連地鐵5號線山花街站，施工期間，通過連續(xù)監(jiān)測，各類管線的沉降值均滿足規(guī)范要求，周邊建筑物未出現(xiàn)開裂破損情況，也未發(fā)生人員傷亡事故，受到了業(yè)主及監(jiān)管單位的高度評價和廣泛贊譽。

4.2 技術(shù)經(jīng)濟對比

與傳統(tǒng)機械開挖方式相比，采用CO2爆破致裂技術(shù)進行密集建筑區(qū)域硬巖基坑開挖，具有以下優(yōu)勢：

(1)成本節(jié)約。機械開挖的單價約為165元/m3，CO2爆破致裂開挖的單價約為85元/m3，可節(jié)省80元/m3。

(2)工期縮短。機械開挖的工效約為100m3/d，CO2爆破致裂開挖的工效約為250m3/d，開挖速度可提高1.5倍。

(3)安全可控。CO2爆破振動較小，加之安全防護到位，對管線沉降、建筑物變形以及開挖本身安全，都能達到很好的控制效果。

5 結(jié)束語

本文針對大連地鐵5號線山花街站深基坑開挖所進行的工藝創(chuàng)新，不斷進行總結(jié)歸納，提煉出“密集建筑區(qū)域硬巖基坑CO2爆破致裂開挖”施工技術(shù)，可作為類似工程的參考。