城市环境下二氧化碳破岩施工技术

吴应明

(中铁二十局集团有限公司，陕西西安 710016)

当前，城市地铁车站的开挖主要还是运用露天爆破的方法进行基坑开挖，以此保证施工的进度，施工效率非常可观。但是，随着地铁工程的发展，地铁必须穿越城市的人口密集带以及城市的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技术的振动太大，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。在城市密集老城区施工更是如此，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的，在进行城市地铁车站开挖的时候很容易引起地基的不均匀沉降从而导致城市密集老城区建筑的严重损坏，造成严重的后果。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，这样一来虽然减小了对周边建筑的影响，但是严重影响施工的工期，施工效率低下，不能保障正常的施工进度。

为解决此问题，对施工工艺、施工方法以及施工方法进行优化，共同引进了二氧化碳干冰致裂破岩技术，并对二氧化碳干冰致裂破岩技术如何运用到城市密集老城区地铁车站基坑开挖的施工程序和工艺进行了科研攻关，形成了一套较为成熟的城市密集老城区地铁车站基坑开挖二氧化碳干冰致裂破岩技术的施工方法，从而解决了传统露天爆破技术难以运用到城市老城区地铁基坑开挖而延误工期的难题。

1 二氧化碳干冰破岩技术

1.1 技术特点

(1)通过对二氧化碳干冰升华体积剧烈膨胀原理的研究，将二氧化碳干冰致裂破岩技术运用到城市密集老城区地铁车站基坑开挖，突破了常规施工中只能利用传统炸药施工、静态破碎以及人工机械开挖的局限性，并成功的降低了对基坑周围建筑的影响，保障了施工进度，降低安全风险。

(2)二氧化碳干冰是二氧化碳的固态形式，经过处理后能够在常温保存3 h，完全可以满足施工时间上的要求。

(3)二氧化碳干冰在短时间内在炮孔内升华，具有很大的膨胀力，能够满足致裂破岩要求。

(4)通过对二氧化碳干冰用量的控制，以及炮眼间距的合理布置，能够控制由于二氧化碳干冰升华所导致的振动，通过对现场二氧化碳干冰致裂破岩试验研究，基坑周围的振动速度在0.7～1.5 cm/s之间，其主振频率在60～150 Hz之间，完全在《爆破安全规程》中所规定的安全振动速度的控制标准以内。

(5)二氧化碳干冰就是二氧化碳，在运用二氧化碳干冰致裂破岩技术进行基坑开挖后不会对周围环境造成不良影响。

1.2 适用范围

适用于城市密集区地铁车站基坑开挖、禁止采用炸药包破区基坑开挖、城市建筑基坑开挖等，尤其适用于城市密集老城区的地铁车站开挖。

1.3 工艺原理

采用理论分析、现场工艺性试验和现场生产实践相结合，借鉴相关工程的施工经验，结合依托工程特点，通过二氧化碳干冰升华产生大量气态二氧化碳的原理研究总结出新型固气相变二氧化碳干冰城市地铁开挖施工技术。

2 二氧化碳干冰破岩技术设计

2.1 二氧化碳干冰致裂破岩设计的基本原则

(1)为控制二氧化碳干冰致裂破岩振动和飞石，采用布密集孔、控制单孔药量和单段二氧化碳干冰用量等方式进行干冰致裂破岩。

(2)根据周边建筑物及地形情况，致裂区抵抗线方向朝向空旷地带，不得朝向高压线、公路、居民房和其他可能造成安全隐患的方向。

(3)每次二氧化碳干冰致裂破岩的布孔形式，都需要根据地形灵活掌控。

(4)对复杂环境地段采取间接或直接防护措施。

2.2 二氧化碳干冰致裂破岩设计要点

(1)根据现场的工程地质条件及以往的施工经验，选择合适的二氧化碳干冰致裂破岩技术方案，进行合理的设计炮孔布置参数。

(2)制造一定倾角和高度的临空面，为二氧化碳干冰致裂破岩创造较好的破岩条件，提高破岩效率。

(3)根据设计的炮眼大小选择相应直径的钻头以及相关的设备。

(4)在钻孔完成后对炮孔按照顺序装入二氧化碳干冰、催化剂、填塞物，最后利用木塞对炮孔进行堵塞。

(5)选择合适的起爆方式，并对炮孔进行连线，连线之前必须用监测仪对催化剂上的导线进行检查其是否形成回路。

(6)根据设计要求选用相应的起爆器材。

(7)进行现场警戒，警戒完成后进行起爆作业。

(8)破岩后对炮孔进行检查是否存在盲炮，检查完成后再取消警戒。

2.3 二氧化碳干冰致裂破岩参数设计

2.3.1 循环开挖L0和孔深L

本阶段可根据循环开挖的地质条件或者按照设计要求一次性开挖深度进行设计L0的大小，从而确定孔深L，孔深为循环进尺长度加上炮孔超深长度，其中一般炮孔超深长度定为0.2 m，若有设计掏槽眼，则掏槽孔的超深长度一般情况下可定为0.4 m(垂直深度，掏槽孔实际孔深根据设计图确定)。

2.3.2 单耗q与总装二氧化碳干冰量Q

单位岩体二氧化碳干冰消耗量不仅影响岩石破碎块度、岩石飞散距离和爆堆形状，而其影响炮眼利用率、钻眼工作量、劳动生产率、材料消耗、掘进成本、断面轮廓质量、开挖基坑的平整度以及围岩的稳定性。合理的单耗决定于多种因素，其中有岩石的物流力学性质、断面、干冰的纯度、炮眼直径和深度等。由于二氧化碳干冰致裂破岩技术还不成熟，研究不够深入，故暂时可以采用明捷利公式进行计算，同时可以参考原煤炭工业局制定的斜井掘进经验值和预算定额，根据两者综合分析确定最终的单耗设计值。

2.3.3 孔径、孔距和排距

在露天进行破岩施工时最小抵抗线一般为25～30倍孔径，孔距a一般为1～1.5倍的最小抵抗线；排距一般为0.75～1.0倍的炮孔间距。

2.3.4 炮孔数目

炮眼数目可根据进行计算。

(1)

N为计算炮眼数目，不包括未装干冰二氧化碳的空眼数；q为单位二氧化碳干冰消耗量(kg/m3)；s为开挖面积(m2)；η为炮眼装填系数；γ为药卷单位长度的二氧化碳干冰重量(kg/m)。

绘制炮孔布置图、二氧化碳干冰致裂破岩参数表以及起爆网络图。

2.3.5 确定炮孔堵塞长度

在岩层内破岩，炮眼深度不足0.9 m时，装二氧化碳干冰长度不得大于炮眼深度的1/2；炮眼深度为0.9 m以上时，装二氧化碳干冰长度不得大于炮眼深度的2/3。在煤层中破岩，装二氧化碳干冰长度不得大于炮眼深度的1/2。所有炮眼的剩余部分应用炮泥封堵，炮眼封泥不足或不严不应进行破岩。炮泥应用水炮泥和黏土泡泥。水炮泥外剩余的炮眼部分应用黏土炮泥填满封实。严禁用煤粉、块状材料或其他可燃性材料作炮泥。

2.3.6 防飞石措施

为了防止个别飞石溅出造成伤害，二氧化碳干冰致裂破岩时除了对每个炮孔进行密实填塞外，还可对破岩区域采用挡式覆盖，覆盖面积大于破岩可能的飞石区域。或者每个炮孔部位，临空面采用沙袋、橡胶链或竹排(钢板)等覆盖。

2.3.7 二氧化碳干冰致裂破岩安全校核

二氧化碳干冰致裂破岩技术虽然比起破岩工程的风险较低，但是也需要对其安全进行校核。施工作业过程，施爆过程中有可能对周边建(构)筑物、人员及其他重要设施等构成危害必须做到预防为主、方法合理、措施得当，将各种有害效应降低到最小程度的范围内，可参考《爆破安全规程》主要做到保证振动安全允许距离、二氧化碳干冰致裂破岩冲击波安全允许距离、破岩飞散物安全距离。

3 二氧化碳干冰破岩技术施工

3.1 施工工艺流程

二氧化碳干冰致裂破岩技术主要施工工艺流程见图1。

图1 干冰致裂破岩技术施工工艺流程

制造临空面→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。

3.2 施工方法

3.2.1 准备工作

(1)道路：通过施工道路支线进入石料场，其道路布置及参数要有具体的说明。

(2)施工用风、水、电系统：由于基坑施工的深度较小故施工用风主要为自然风；施工用水采用自来水管供水；施工用电采用工业用电。

3.2.2 场地清理

利用TY320推土机剥离干冰致裂试验区范围内风化层以上全部覆盖，并进行集中堆积，最后由反铲装32 t自卸汽车运走；局部覆盖层较厚部位采用液压反铲直接下挖，用大型吊机直接吊至碴场或指定地点。

场面清理经施工技术人员验收后，利用推土机进行平整，以便于钻机就位和钻孔作业。

3.2.3 测量放线

(1)场面平整后，测量人员根据二氧化碳干冰致裂试验方案对二氧化碳干冰致裂试验区工作面进行平面、高程测量，并做记录。

(2)测量技术人员根据二氧化碳干冰致裂试验方案对炮孔开口孔位放线，并用红油漆对每个孔位进行标识。同时提供各相应孔位的地面高程,形成记录。

3.2.4 钻孔

(1)二氧化碳干冰致裂试验主炮孔采用手风钻Y0-20；二氧化碳干冰致裂试验预裂孔采用液压钻机进行钻孔。钻头直径为45 mm。

(2)钻机进入工作面后进行就位、调整。钻机调整包括钻机整机水平调整和钻孔方向角度调整。开钻前，施工技术人员用水平仪和刻度罗盘对其调整进行复核，并形成记录。

(3)开钻时，钻机开孔孔位与设计孔位误差不能超过一个钻头直径。在钻进过程中，每隔2 m则应对钻孔角度进行一次复核，及时进行调整。由于地质原因不宜钻进、卡钻或不易成孔时，及时通知施工技术人员，提出修改或替代方案，并形成记录。

(4)施工技术人员根据钻机钻进过程中难易程度和岩粉性状，提出可能存在的地质情况沿孔深变化的初步评价并形成记录，以利于二氧化碳干冰致裂试验参数的调整和二氧化碳干冰致裂效果的分析。

3.2.5 清孔

(1)钻孔结束后，利用高压风进行吹孔，直至岩屑和石碴全部清除出孔外。由施工技术人员对孔号、孔径、孔深、钻孔角度进行编录。

(2)清孔结束后，用塑料膜将孔口覆盖对炮孔进行保护。

3.2.6 装药、堵塞、起爆网络连接、起爆、安检

(1)二氧化碳干冰致裂材料进入现场，在开始装药前对整个二氧化碳干冰致裂试验施工现场进行警戒，同时在进出炮区道路设置路障，严禁闲杂车辆、人员、动物进入。

(2)炮工在二氧化碳干冰致裂施工技术人员的指导下，根据二氧化碳干冰致裂试验方案进行装药、堵塞、起爆网络连接等的操作。

(3)二氧化碳干冰致裂施工技术人员对起爆网络连接进行最后一次检查后，并确认警戒有效、人员设备全部撤离、炮区无安全隐患后，发出准许起爆指令。

(4)二氧化碳干冰致裂破岩结束20 min，二氧化碳干冰致裂工程师组织二氧化碳干冰致裂安全检查人员进入炮区进行检查。若存在盲炮、拒爆等意外情况时，宣布警戒继续有效，同时通知前方施工生产指挥部门。及时提出应对措施，通知并报送咨询工程师批准后进行处理；若安全检查确认通过，则撤除警戒。

3.3 二氧化碳干冰致裂试验效果评价

(1)首先组织有关专业的技术人员对爆堆、二氧化碳干冰致裂试验对相邻区岩体的影响进行描述和初步评价；若爆碴有利用要求，为满足其级配、块度要求，可同时安排取样进行试验，其结果将作为调整二氧化碳干冰致裂参数的依据。

(2)外观描述、评价结束后，岩碴由液压反铲装大型吊机吊运至碴场或指定地点。对边坡、基础面清理结束后，组织有关专业的技术人员对残留炮根、开挖基础面、开挖边坡等进行地质效果描述。

4 结束语

(1)本文对城市复杂环境条件下二氧化碳干冰致裂破岩技术从理论分析，技术设计到具体施工技术进行了详细分析，对二氧化碳干冰致裂基本原理、参数设计、施工工艺流程和方法进行讨论和研究，在基坑开挖过程中产生的沉降变形，振动控制、噪声降解、消防和经济成本等方面二氧化碳干冰破岩技术与传统的基坑爆破施工开挖方法均有很大的提升。

(2)在二氧化碳干冰致裂破岩过程中，设计参数合理的情况下，可以取得良好的破岩效果，大块率很低，不需二次破碎即可装车出渣。