CO2液-气相变膨胀破岩结合机械辅助开挖施工技术

杨卫星

摘   要：伴随着公路的发展，跨线及紧邻建设项目的情况越来越多，紧邻作业对施工的要求较高。通常采用一般方法便可化解作业中碰到的问题，但在特殊条件下，一般方法无法化解。在岩体裂隙较发育、硬度较高且附近有房屋、鐵路、隧道等构造物的路基作业过程中，不能常规爆破施工;而人工及机械拆除效率低且噪音大;在既要确保房屋安全又不影响既有线路正常通行的要求下进行路基施工时，难度极大。在某段石方路基施工时就遭遇了上述情况，经比对各种方法后，最终选择了采用CO2液-气相变膨胀破岩技术解决上述问题，特此总结本施工技术。

关键词：CO2  液一气相变膨胀  破岩技术  石方路基  紧邻施工

中图分类号：TD235                                 文献标识码：A                       文章编号：1674-098X（2020）04（c）-0020-02

1  技术特点

CO2液一气相变膨胀破岩技术是石方路基施工作业领域中一种有别于常规作业的方式方法，专门解决在特殊路段下不能采取传统爆破和采用传统方法难以满足施工要求的技术难题。本技术化解了特定环境下常规爆破方式不能正常作业的问题，确保了施工工作人员的安全。本技术与传统爆破相比（见表1），更具安全性，运输、储存和使用均不需要公安机关审批，工艺操作简单，有创新。本技术与传统方法相比，爆破过程中无破坏性震动和短波，无冲击、无飞石、噪音小，扬尘小，对周围环境影响不大。本技术爆破力度强劲、分裂体积更大、效率更高;安全、可持续使用、运行成本低。

2  适用范围

该方法适用于各类岩石作业，尤其是复杂环境条件下的岩石开挖，是炸药爆破破碎法的有益补充。在不允许爆破作业的国防、采石和采矿等特殊工程的矿岩破碎，岩石、混凝土拆除中均适用。

3  工艺原理

CO2液-气相变膨胀破岩技术是利用CO2由液态变成气态后，体积显著增大，产生高压气体，该高压气体的准静压作用及气刃劈尖作用可以贯穿岩体中的原生裂隙，从而达到破碎岩石的目的。

液态CO2加温到约80℃后会汽化，在标准状况下其体积会增进约600～1000倍。如果将其放置于事先钻好的炮孔内，可以实现暴胀作业，推开岩体;同时因气体加速进入到岩体的原生裂隙中，与岩体作用，产生气刃劈尖效应。

该原理利用的是物质的相变，是一种纯物理过程;按照控制气态物质的释放速度，可以有效调整气体的压力，从而可以实现微振动、零飞石、无冲击波的极小量伤害，以至于可以达到近人施工、接触施工。

4  工艺流程及操作要点

4.1 工艺流程

施工工艺流程主要为：相关手续报批→开工→滚石拦截装置→清理表层及松方/ CO2同步灌装→钻孔→主管安装→击发（破岩）→拆除相关装置（回收）→机械挖除碎石→验收。

4.2 操作要点

4.2.1 CO2灌装

通过机械将CO2灌装进主管内。

4.2.2 主管安装

将罐装好CO2的主管安装到钻孔内，并进行有效连接、堵塞。

4.2.3 击发

将所有钻孔的主管线路连接好，并进行通路测试，采用专用击发装置进行击发。

4.2.4 回收

击发后，及时检查破碎效果，将主管回收，并对主管进行必要的检查清洗。

4.2.5 施工参数

具体施工参数可根据现场情况调整，参照标准参数如下：（1）主管外径：73mm;（2）主管长度：1000mm;（3）钻孔直径：90mm;（4）钻孔间距：2.5～3.0m;（5）钻孔深度：3～5m;（6）最小抵抗线：2.5～3.0m;（7）钻孔角度：90°;（8）孔数：5～10个;（9）破碎方量：约1000m3。

4.2.6 注意事项

在对主管完成罐装CO2时，必需满足压力要求。完成罐装后，拧紧牢固，不允许有漏气现象存在。填塞钻孔前，要完成必要的导通;主管应填塞牢固，不允许卡在中间;最后对钻孔进行有效堵塞。所有主管的击发线形成击发回路，并完成测量导通，保证连接牢固，线路安全。现场操作人员要遵从安全管理。主要防护措施：（1）钻孔处的覆盖防护;（2）临近铁路处设置拦石墙;（3）视情况设隔音屏。

5  材料与设备

5.1 材料

主要材料为液态CO2。

5.2 设备

主要设备是成套的CO2液-气膨胀破岩基本装置，主要分为CO2储气系统、CO2加压罐装系统、CO2主管、CO2主管托架及辅助零件组成。CO2主管是整个装置的核心部件，是破岩的主体，由点火头、加热器、高压管、铜垫片、破裂片和泄压头等组成，每根主管长约1000mm，外径约73mm。可以通过主管两端的连接装置连接加长。

6  质量控制

本技术暂无专门的施工规范、标准，但可参照以下规范：《公路路基施工技术规范》JTG/T  F50-2011;《城镇道路工程施工与质量验收规范》CJJ  1-2008;《土方与爆破工程施工及验收规范》GB 50201-2012;施工项目部应建立质量保证体系，严格执行ISO9001规定。

7  安全措施

本技术执行国家、省、市、公司制定的施工现场及专业工种各种安全技术操作规程。遵循当地公安部门和其他相关部门的规定。机具设备应由专人严格按照操作规程操作。CO2钢瓶应布设在通风、阴凉处，发现有腐蚀、损坏、裂纹等欠缺时，马上安排替换。施工过程中操作人员需佩戴手套，以防产生干冰，冻伤手指。

8  环保措施

执行国家环境管理体系相关标准。应用本技术须重点做好液态CO2的储存和滚石拦截装置。

9  效益分析

采用CO2破岩方法，开挖效率虽比常规爆破稍低，但施工费用相对较低，且在特殊路段常规爆破方法受限的情况下，解决石方路基开挖施工问题，能较好的避免周围建筑物受震动损伤，还能提高施工安全性，扬尘少，有利于节能减排和环境保护，具有极佳的综合效益。

以张社大道为样本，该工程路基K9+690-K11+690段紧邻铁路隧道施工且周围有一高级中学、K4+820-K6+000段附近砖木、砖混结构房屋较多且离线路距离近，常规火工爆破石方开挖方法难以保证建筑物安全。应用本技术开挖工程量10万m3，避免了常规炸药的交通不便、减少了繁多的监管流程，确保了周围建筑的安全性，较其他方法至少节约了40～400元/m3，对节约社会资源和环境保护具有重要的意义。

10  工程实例

本技术在吉首市张社大道路基工程K9+690-K11+690段和K4+820-K6+000段石方开挖施工时获得了佳绩。

参考文献

[1] 夏军.CO2液-气相变膨胀破岩技术[J].采矿技术，2016，16（6）：119-121.

[2] 李必红.CO2液-气相变膨胀破岩机理及其安全效应测试研究[J].采矿技术，2017，17（1）：61-63，68.