复杂地质条件下二氧化碳相变致裂硬岩施工技术应用

文｜广东省基础工程集团有限公司 吴健

0 前言

根据传统的硬岩开挖方法，一般采用常规明爆破法、静态爆破法、常规机械破碎法、机械切割法等。但对于在邻近既有高铁、地铁保护范围的工程，特别是紧靠高铁、地铁站站房及站台，采用炸药爆破法开挖硬岩，对周边建筑物、行人、行车干扰非常大，且审批手续复杂、安全风险高；同时，应用这些常规方法具有开挖硬岩的效率低、成本高等难题，进而造成施工成本增大、工期延误。根据分析上述常规传统的硬岩开挖方法的应用弱点，目前可以应用新型的二氧化碳相变致裂的破岩方法解决这一技术难题。

1 工程实例

工程毗邻汕尾高铁站的站房及站台，属铁路保护范围。道路边坡主要为岩石，开挖高度约为15m，边坡坡度为1:1。根据工程地质勘查报告揭示，该段道路的地质条件依次为<1>粉质粘土、<2>砂质粘性土、<3-1>全风化花岗岩、<3-2>强风化花岗岩、<3-3>中风化花岗岩、<3-4>微风化碎屑岩。地面下1m左右就进入强风化岩，3m左右就进入中、微风化岩，部分坡顶基岩均为强风化、中风化；强度为27.6-88.6MPa，属于强硬岩质边坡。在邻近高铁、地铁站进行开挖硬岩，如何既要确保高铁站的稳定安全，又要加快开挖施工进度，最终确保工程顺利完成，是施工面临的技术难题。经多方研究，决定选用二氧化碳相变致裂岩石施工应用技术。

2 二氧化碳相变致裂技术应用原理

本施工技术的要点主要是：通过利用液态二氧化碳加热气化膨胀，使压力急速上升的物理变化原理，并对致裂施工技术工艺进行合理设计，增加致裂管填塞和阻拦加固技术设计等组合而成的技术措施。其具体操作是：通过在有临空面的岩体上进行钻孔，在孔内安装充填液态二氧化碳的致裂器，通过激发二氧化碳膨胀使岩土体发生破裂，自然滑落而形成自由空间边界面；接着在岩土发生破裂的临空面纵横方向上，进行大面积钻孔和实施二氧化碳裂岩措施，以及台阶式分层分段流水性裂岩的施工；形成一种快速、高效、安全系数高、对周边环境影响小的新型破岩施工技术。

3 二氧化碳相变致裂施工技术应用分析

3.1 施工工艺流程（如图1所示）

图1 二氧化碳致裂施工工艺流程图

3.2 施工设计及应用方法

3.2.1 二氧化碳致裂基理

对于二氧化碳气体裂岩的物理现象，是通过应用液态二氧化碳在特定方式下进行加热，随之发生急速气化而出现膨胀，进而产生强大的冲击力，同时通过适当的控制措施，使岩土体达到预期的破裂效果。

在实际操作时，先用充装机将液态二氧化碳进行压缩，并放进圆柱状的致裂管内。当微电流通过电点火头时，引起致裂管发热装置的活化剂产生高温，将液态二氧化碳瞬间气化，急速膨胀1000-2000倍以上，瞬间产生300MPa以上的膨胀压力。产生的高压气体将泄能器打开，从而对钻孔周围的岩石产生破坏作用，形成裂岩效果。

二氧化碳致裂设备由二氧化碳致裂器、液态二氧化碳储液罐、充装机、旋紧机及充装平台等组成。本工程采用95mm型号二氧化碳致裂管，同时选取直径110mm的潜孔机钻头进行配套使用。主要工作内容包括组装致裂器、充装气体、运输。

3.2.2 二氧化碳致裂施工技术工艺设计

二氧化碳致裂岩石施工工艺按钻孔布孔设计→致裂临空面沟槽施工→分层台阶式致裂岩石施工进行设计。

3.2.2.1 钻孔布孔设计

根据岩石性质，台阶高度、临空面间距合理设计布孔方式和钻孔布设间距，并在平缓无临空面的岩体上进行钻孔，具体详见图2。其钻孔参数设计如下：

①本工程的布孔方式为梅花型布孔；②孔深：L=3.0m；③钻孔孔距为1.0m进行布设（排孔布局及间距根据不同的岩石和位置情况现场适当调整）；④钻孔角度为90°。

3.2.2.2 临空面开槽施工设计

在平缓的岩石面开挖过程时，首先要在无临空面的岩体上致裂形成临空面，为后续二氧化碳致裂岩石施工时岩体破裂的泄能面。在形成临空面后，再进行大面积破岩。现根据本工法的特点在岩面布设临空面开槽孔进行临空面开槽施工：横向按抵抗线1000mm，纵向抵抗线1000mm，梅花型布设孔型，均采用垂直钻孔。临空面开槽钻孔设计图详见图3。

图2 钻孔布孔设计图

图3 临空面开槽钻孔设计图

图4 台阶法流水顺序图

图5 台阶法分层分段流水顺序图

表1 二氧化碳气体致裂设备数据采集

3.2.3 台阶法分层分段流水施工设计

本工程需分层开挖，采取分层分段台阶式跳台流水施工的方法。对于此跳台的施工流程是：先在下台阶进行钻孔；然后移动钻机到上台阶位置；接着在下台阶实施致裂破岩，同时上台阶进行钻孔；最后下台阶进行清渣，同时上台阶实施致裂破岩。台阶式跳台法致裂钻孔设计详见图4、图5。

3.2.4 二氧化碳致裂管填塞和阻拦加固技术

3.2.4.1 致裂孔填塞

钻孔完成后，用空压机将杂物清理干净。将装有二氧化碳气体的致裂器先与提升杆进行连接处理，并且拧紧而成一根管方便操作，然后把此致裂器放进已钻的孔内，注意确保连接致裂器的部分提升杆露出岩土表面，提升杆外露长度为0.3m～0.5m。

致裂管放入钻孔后，需对致裂孔进行填塞。致裂孔填塞时要选用理想的填塞物。本工程致裂孔填塞时选用中粗砂和3～5mm石屑作为填塞物，填塞时要边填塞边用炮杆或振动器将填塞物捣实。

填塞作业注意事项如下：

①填塞材料不得含有碎石块或潮湿中粗砂、石屑；②致裂孔内有水时，在填塞过程中容易形成泥浆或悬空，是致裂器周围无法填塞密实；③严禁无填塞致裂。

3.2.4.2 致裂管连接固定

致裂管填塞后，将致裂管采用钢丝绳串联的阻拦加固设计。采用双根钢丝分别对所有致裂管进行串联连接固定，并采用绳卡固定法对接头处进行连接，确保致裂管处于整体连接状态，起双层保护作用。

具体施工方法为：采用1根国标22mm钢丝绳对所有致裂管进行连接固定，并采用绳卡固定法对接头处进行连接，确保致裂管处于整体状态，在受强劲冲力后不会单个飞出；再同样采用1根国标22mm钢丝绳对所有致裂管进行连接固定，并采用绳卡固定法对接头处进行连接，起双层保护作用。

4 二氧化碳致裂施工操作关键点

总体施工流程步骤为：二氧化碳充装（主要包括组装致裂器、充装气体）→钻孔布控设计→钻孔→致裂器安装→致裂。

4.1 二氧化碳充装

二氧化碳致裂设备由二氧化碳致裂器、液态二氧化碳储液罐、充装机、旋紧机及充装平台等组成。本工程采用95mm型号二氧化碳致裂管，同时选取直径110mm的潜孔机钻头进行配套使用。相关设备数据采集见表1。

4.2 网路联结

根据二氧化碳致裂的基本原理，使用微电流通电激活致裂管的活化剂，使其产生高温将液态二氧化碳气化。因此，导电网路的连接是致裂的一个关键工序。由于在二氧化碳岩石致裂过程中一次多孔致裂，网路联结采取并联方式。

4.3 激发致裂

致裂是由具有致裂经验的专业技术施工员进行操作。相关致裂专业施工员检查网络确保无误后，用导线把所有装有二氧化碳的致裂器进行串联连接，然后一齐连接在激发器上，并将此激发器放在安全的位置，马上将现场的所有施工人员撤离到安全区域后，再启动激发器的开关，激发致裂岩石。

5 结论

综上所述，在岩土坚硬、岩层较厚等复杂地质条件以及邻近高铁、地铁站等不利环境下进行石方开挖施工，是可以采取优越和积极的措施予以解决的。事实证明，采用二氧化碳致裂的替代方法及组合工艺设计的技术措施，能够提高破岩速度，加快开挖的进度，并可以节省了施工工期，降低了施工成本。同时，创造性的解决了禁止采用爆破法硬岩开挖施工的难题。