城市地铁施工二氧化碳致裂振动效应测试与分析

唐开富

(中国中铁股份有限公司， 广东广州 510308)

随着城市建设的快速发展, 城市交通面临越来越大的压力, 城市地铁的建设是解决城市交通拥堵的有效手段。但是地铁沿线大多穿越城市中心地带, 建(构)筑物密布、各种管线纵横交错、交通繁忙、行人密集, 使地铁施工难度系数增大。随着广州地铁二十一号线和十一号线天河公园站开挖的进行，目前已经开挖至地下10m深的位置，在车站开挖期间，二氧化碳破岩技术作为一种新兴非破岩技术所产生的地震波对周边既有建筑、车站边墙和车站既有结构的安全是否构成威胁以及其影响程度都需要试验进行测试。

通过试验达到以下目的：通过二氧化碳破岩现场试验，对岩石破裂效果，石块大小和飞石等进行评估分析，为后续本方法的可行性及其施工控制参数提供可靠依据；通过二氧化碳破岩地震效应试验，测试二氧化碳破岩过程产生的振动，以探究在开挖过程中对周边邻近构筑物和居民的影响是否在安全范围内；通过二氧化碳破岩现场试验，评估施工效率，为施工方案设计，现场安全管理办法提供依据和参考，论证二氧化碳破岩在该地铁车站的适用性。

1 二氧化碳破岩地震效应现场测试方案

1.1 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2.5～3.0m。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。

1.2 二氧化碳破岩试验程序

二氧化碳破岩试验程序见图1。

图1 二氧化碳破岩试验程序

1.3 二氧化碳破岩测试方案

通过二氧化碳破岩地震效应试验和破岩破坏范围试验的结果判断破岩参数的优劣。

(1)二氧化碳破岩地震效应试验

采用破岩振动测试仪(TC-4850)配TCS-B3振动速度传感器进行破岩地震效应试验，在选定的测点上用石膏固定好传感器底座，传感器安装上后，将传感器与记录仪连接好，待采集完成后，与计算机连接，读取存储数据，进行波形分析等。

振动速度测量系统由传感器、记录仪和笔记本电脑组成。采用中科院四川动态测试研究所生产的TS4850型二氧化碳破岩振动记录仪记录振动信号，振动记录仪直接与传感器连接，将传感器输入的模拟电压量转换成数字量进行存储，再经自身的RS232接口和计算机相接，通过专用软件在计算机上进行波形显示、数据分析和结果输出。振动记录仪的最高采样频率为200KHz，记录仪可分八段独立记录数据，每段存储深度16K，采样延时范围-4～ -12K，触发模式分为内触发和外触发两种形式，仪器最大量程±20V。传感器采用中测院振动室生产的TC-3型速度传感器度传感器。

(2)振动记录仪的参数设置

在进行二氧化碳破岩地震测试时，必须合理设置二氧化碳破岩振动记录仪的采样频率和量程。为保证记录的波形不至于失真，采样频率一般应高于被测信号频率的10倍以上。但采样频率越高其记录信号的时间也就越短，所以，选择采样频率应注意两者兼顾。二氧化碳破岩设计采用二氧化碳破岩，整个二氧化碳破岩地震持续时间在1s左右，因此，仪器采样延时设置为-100ms，采样率设置为10K，仪器可记录1.2s的振动事件，可完整记录二氧化碳破岩地震波形。

在进行振动仪的参数设置时，仪器量程设置非常关键。如果量程设置太大则测量精度不够，太小又会使波形产生削波现象，根据预估的振速状况和传感器的灵敏度，为保证记录到完整准确的振速波形，将二氧化碳破岩振动记录仪量程设定为10.0V，为了避免误触发，测试时将触发电平设置为0.1cm/s。

(3)二氧化碳破岩破坏范围试验

①在表面采用宏观调查和地质描述方法。

破坏标准：有下述情况之一时，判断为破岩破坏。

I.发现破岩裂隙，或裂隙频率、裂隙率增大；

II.节理裂隙面、层面等弱面张开(或压缩)、错动；

III.地质锤锤击发出空声或哑声。

②在隐蔽部位采用弹性波纵波波速观测法。

运用岩石超声波测试仪(SYC-2)进行破岩破坏范围测试，测试方法是在破岩区(底部或边坡位置)钻3个测试孔，孔深为伸入预计开挖线下3m，孔径80mm。用水做耦合剂，将发射换能器和接收换能器置于孔内，沿孔深方向由下往上每隔0.2m测试一次并记录。破岩前和破岩后分别测量一次。

二氧化碳破岩：梯段底部进行破岩破坏范围试验，检验预留保护层厚度是否合理；梯段后冲向进行破岩地震效应试验，检验质点振动速度是否超过允许值。

1.4 二氧化碳破岩效果评价标准

1.4.1 二氧化碳破岩效果评价标准

(1)破岩石碴的块度和爆堆，应能适合挖掘机械作业；石碴有利用要求，其级配、块度应满足合同文件要求。

(2)破岩对紧邻爆区岩体的破坏范围小，爆区底部爆根少。

(3)破岩地震效应和空气冲击波(噪音)小，破岩飞石少。

(4)相邻两炮孔间岩面的不平整度，不应大于15cm，炮孔壁不应有明显破岩裂隙。

1.4.2 二氧化碳破岩对邻近构筑物影响评价标准

(1)满足规范标准要求；

(2)产生的破岩振动不对邻近构筑物或周围居民造成安全影响。

2 二氧化碳破岩测试结果与分析

2.1 第一次二氧化碳破岩测试结果与分析

2.1.1 二氧化碳破岩设计参数

炮眼直径为110mm；设计炮孔深度3m；炮孔间距1m；炮孔排距1m；单孔装药量： 2kg；堵塞长度：0.3m(表1)。

表1 第一次二氧化碳破岩设计参数

2.1.2 现场施工作业与炮孔布置

目前岩石开采基本采用单排致裂，在地铁施工中排距较短, 功效较低，可试验多排(2～3排)同时分批次致裂，试验采用相应的措施制造临空面。本次试验采用的是单排布孔实验。根据现场单排布孔，孔间距为a，距离临空面L，其布置情况见图2～图4。

图2 测点布置剖面

图3 测点布置俯视

图4 测点布置空间示意

2.1.3 现场二氧化碳破岩效果

该二氧化碳破岩技术能够有效的切割撕裂岩层，但是剥离岩石的块度较大，需要进一步二次破岩。现场二氧化碳破岩效果如图5所示。

图5 现场二氧化碳爆破效果

2.1.4 振动速度波形及其数据处理

第一次实测二氧化碳破岩振动速度波形时，测试仪器没有被触动，所以并没有振动速度波形图。由于二氧化碳破岩技术的振动很小以及本检测仪器的触发振动波速为0.1cm/s,从现场实测结构可知TC4850型二氧化碳破岩振动记录仪并没有测试到振动数据，振动检测仪并没有被触动。表明该项二氧化碳破岩技术的对周边环境的影响非常小，很难对周边既有建筑造成危害，通过现场二氧化碳破岩情况可知，二氧化碳破岩的时候所产生的噪声也不大，说明这项技术比较适合在老城区既有建筑周围使用。

2.2 第二次二氧化碳破岩测试结果与分析

2.2.1 二氧化碳破岩设计参数

炮眼直径为110mm；设计炮孔深度3m；炮孔间距0.6m；炮孔排距0.6m；单孔装药量： 2kg；堵塞长度：0.3m(表2)。

表2 第二次二氧化碳破岩设计参数

2.2.2 现场施工作业与炮孔布置

现场施工作业与炮孔布置见图6～图9。

图6 测点布置剖面

图7 测点布置俯视

图8 炮孔布置

图9 测点与爆区的空间关系

2.2.3 现场二氧化碳破岩效果

该二氧化碳破岩技术能够有效的切割撕裂岩层，但是剥离岩石的块度较大，需要进一步二次破岩。现场二氧化碳破岩效果如图10所示。

图10 现场二氧化碳爆破效果

2.2.4 振动速度波形及其数据处理

试验两台TC-4850测振仪均触发。在爆区边缘(3.5m处的近点)的4#测点显示，其最大振动速度垂直于地面方向，最大速度为4.187cm/s；水平面方向X、Z中，最大振动速度为2.867cm/s。其中水平方向的振动对建筑物影响较大，水平方向的加速度能使建筑物产生水平剪力；高层建筑达到一定高度后产生明显边梢效应，使用者会产生不适感。边墙上的2#测点显示，最大振动速度来自于X方向，达到2.817cm/s，其次为Z方向1.989cm/s，而竖向振动仅为0.75cm/s，差异可能是因为边墙带来的边梢效应所引起(表3)。

表3 广州地铁天河公园站二氧化碳破岩振动速度测试结果

此次破岩效果达到预期，效果理想，破岩程度良好，由于是该技术的本质是破岩而不是爆破，所以在实际中，仍有少量岩体需要进行二次破碎，但相较于完整岩体的破碎，对由该技术产生的岩体进行二次破碎容易很多，一方面是这些岩块体积并不大，仅仅是需要破碎以便装载，另一方面这些岩体经过二氧化碳破岩后，内部裂隙发展，大大降低二次破碎难度。

2.3 第三次二氧化碳破岩测试结果与分析

2.3.1 二氧化碳破岩设计参数

炮眼直径为110mm，设计炮孔深度3m；炮孔间距0.6m；炮孔排距0.6m；单孔装药量： 2kg；堵塞长度：0.3m。(表4)

表4 第三次二氧化碳破岩设计参数

2.3.2 现场施工作业与炮孔布置

根据现场单排布孔，孔间距为a，距离临空面L，其布置情况见图11～图13。

图11 测点布置剖面

图12 测点布置俯视图

图13 测点布置空间示意图

2.3.3 现场二氧化碳破岩效果

该二氧化碳破岩技术能够有效的切割撕裂岩层，但是剥离岩石的块度较大，需要进一步二次破岩。现场二氧化碳破岩效果如图14所示。

图14 现场二氧化碳爆破效果

2.3.4 振动速度数据处理

振动速度数据处理见表5。

破岩实验中，两台振动监测仪都被触发。其中，距离爆区最近的的4#测点，其最大振动速度为0.767cm/s，远点边墙上2#振动检测仪测得最大振动速度为0.12cm/s，二者均小于规范要求值，安全性得以体现。

3 结 论

(1)二氧化碳破岩技术从技术而言，是非常安全的，并且安全余量充沛，可以进一步提高破岩强度。从现场破岩实验情况来看，二氧化碳破岩过程中，工作人员可以近距离观察破岩点情况而不需要进行清场撤离。

表5 广州地铁天河公园站二氧化碳破岩振动速度测试结果

(2)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。