复杂条件下地铁施工二氧化碳致裂技术

2019-07-19谭小春

四川建筑 2019年3期

谭小春

(中国中铁股份有限公司，广东广州 510308)

随着我国国民经济和城市快速发展，城市密集程度越来越大，人口越来越密集，交通更是拥挤不堪，给城市地铁的发展带来了前所未有的机遇。地铁已经成为一个城市的名片，是一座城市高速发展的象征。目前，城市地铁车站的基坑开挖主要还是运用露天爆破的方法进行，以此保证施工进度、施工效率。但是，随着地铁工程的发展，地铁必须穿越城市人口密集带以及城市老城区才能解决城市严重的交通拥堵问题。然而，这必然给地铁施工造成一定程度上的困难，尤其是在密集城区进行时地铁车站基坑开挖时，由于传统的露天爆破开挖范围太大，对地铁基坑周边的老式建筑物以及周边的交通带来巨大的影响，甚至会给人们的生活造成严重的影响。尤其是城市老建筑地基不深，主要采取的是传统的砖墙结构修建，在进行城市地铁车站开挖时很容易引起地基不均匀沉降，从而导致城市密集老城区建筑的严重损坏，造成严重后果。在不采用传统的露天爆破开挖情况下，地铁车站基坑施工就只能采用静态破碎以及人工机械的方式进行开挖，这样虽然减小了对周边建筑的影响，但是严重影响施工工期，施工效率低下，不能保障正常的施工进度。国内很多大城市如北京、上海、广州、深圳的地铁工程都面临同样的问题，至今都没有一个较好的解决方法。为此，本文提出一种新型的二氧化碳致裂技术以降低基坑开挖的振动，同时加快施工进度，保障基坑周围密集建筑的安全。

1 二氧化碳致裂技术分析

1.1 二氧化碳致裂原理

传统炸药爆破和二氧化碳岩石致裂技术有着本质的区别，若从最终效果来看，很容易将二氧化碳岩石致裂技术理解成是低强度的传统炸药爆破，但事实上，二者在技术实现方式上有着很大不同。

传统炸药爆破的核心是炸药爆炸，由炸药爆炸引起瞬间气体急剧膨胀从而给周围介质带来强大冲击以致破坏的一种技术。炸药爆炸的过程会涉及三个方面的变化，大量的热释放、热释放时间极短和产生大量气体。其中，炸药爆炸涉及短时间释放大量热量，因此在传统炸药爆破准备过程中必须进行防火处理，爆破时要考虑盲炮哑炮的情况，现场安全情况会受到一定影响。

二氧化碳岩石致裂技术的核心是固态二氧化碳瞬间升华后产生高压气体对周围介质进行作用。其激化原理如图1所示。

图1 二氧化碳致裂岩石激化原理

激发过程中仅有激发器在钢制药管内爆炸时会产生高温，而二氧化碳升华过程会吸收大量热量，最终产生的高压二氧化碳气体温度与常温接近，并且二氧化碳气体本身也有灭火作用。二氧化碳破岩技术在本质上不属于爆破，而是用固态二氧化碳瞬间升华的过程模拟了传统炸药爆炸的过程，在技术上完全可行，并且可控性更好，可以做到高压气体精确释放，提高破岩设计精确程度。激发过程中仅有激发器在钢制药管内爆炸时会产生高温，而固态二氧化碳升华过程会吸收大量热量，最终产生的高压二氧化碳气体温度与常温接近，并且二氧化碳气体本身也有灭火作用。二氧化碳破岩技术在本质上不属于爆破，而是用固态二氧化碳瞬间升华的过程模拟了传统炸药爆炸的过程，在技术上完全可行，并且可控性更好，可以做到高压气体精确释放，提高破岩设计精确程度，现场也不需要进行过多防火处理。

1.2 二氧化碳致裂施工流程

造临空面→打孔(孔径为45 mm)→清孔→放干冰(50 g)→装土(细沙)→捣实→放袋装催化剂(带引爆线)→放散装催化剂(640 g)→填土、压实→塞木楔，封口(穿引线)→测每个孔的引线是否导通→串联引线→测主线引线是否导通→疏散人群致安全距离警戒→盖防爆被→接主线→开始致裂→清理防爆被→炮机清理岩石。

1.3 二氧化碳致裂破岩成本分析

二氧化碳破岩技术是一种新型的岩体致裂技术，用液态二氧化碳瞬间汽化的过程模拟炸药爆炸时的效果，有安全、安静、干净、可循环、高效率、时间灵活、流程简单、机械化程度高等诸多优点。该项新兴破岩技术有很好的发展前景，尤其是破岩时振动很小，对周边的既有建筑影响较小，这是对比与传统炸药爆破的一项优势。但是也要指出，破岩技术不同于炸药爆破，对岩体产生的破坏强度难以和炸药相提并论，其平破岩效果不如传统炸药爆破但远远超过静态破碎，在施工时可以因地制宜，合理选用施工方法。经过现场考察，炸药爆破、二氧化碳破岩技术以及静态岩体致裂技术三者成本依次增加。炸药爆破约50元/m3，二氧化碳破岩技术约120元/m3，静态致裂约300元/m3(以上价格均未考虑时间效应)。

2 二氧化碳致裂实例分析

2.1 工程概况

广州地铁十一号线天河公园站岩层较完整、微风化岩面埋深相差较大，呈“夹层风化”现象。透水性大，不利于明挖段围护结构施工与土方开挖。风化岩中广泛分布砾岩，砾石含量大，砾径相差大，强度较高，对盾构施工影响较大，切削砾石颗粒及风化岩与刀具摩擦大，造成刀具(刀盘)壁磨损严重，推进缓慢。线路沿线地下水水位埋藏较浅，地下水位的变化与地下水的赋存、补给及排泄关系密切，每年4～9月为雨季，大气降雨充沛，水位会明显上升，而在冬季因降水减少，地下水位随之下降，水位年变化幅度为2.5～3.0 m。地下水按赋存方式分为第四系土层孔隙水，层状基岩裂隙水、块状基岩裂隙水、碳酸盐岩类裂隙溶洞水。

2.2 二氧化碳致裂破岩设计参数

采用双排布孔，总药量28 kg(14根)，单排孔数为7，单段起爆最大药量为2 kg，具体的破岩设计参数如表1所示。

表1 二氧化碳致裂破岩参数设计

2.3 二氧化碳破岩现场作业与炮孔布置

根据现场双排布孔，孔间距为60 cm，孔排距为60 cm，距离临空面45 cm，炮孔和测点布置剖面如图2所示；炮孔和测点布置俯视如图3所示；现场布孔装药作业如图4、图5所示。

图2 炮孔和测点布置剖面

图3 炮孔和测点布置俯视

图4 安放二氧化碳破岩装置

图5 连线完毕的二氧化碳破岩装置

2.4 二氧化碳致裂破岩效果

2017年1月11日下午，位于广州地铁十一号线天河公园站进行了第三次二氧化碳破岩技术的试验。激发二氧化碳破岩装置时，现场人员仍可以近距离对试验现场进行观察记录，现场未搭设任何扬尘阻挡物现场图如图6所示。在二氧化碳破岩结束后，基本无大块剥离岩体，大多数剥离岩体可直接装载运出。但是，多排布孔的缺点也有体现，破岩过程中出现了一根破岩设备的弯曲，但可矫正后继续投入使用。现场破岩效果如图7～9所示。