CO2膨胀破岩技术在拆除工程中的应用

龚 政

(广东省水利电力勘测设计研究院，广东 广州 510635)

1 研究现状

CO2膨胀破岩技术，也称液态CO2相变致裂技术、CO2液—气相变膨胀破岩技术、液态CO2爆破技术，其技术原理基本一致。最初是由英国Cardox公司于1914年研制，主要用于富含瓦斯的煤矿开采工程中，由于其做工过程不产生火花，且在地下有限空间环境下不产生有毒气体，因此被广泛推广。我国于20世纪90年代开始引进该技术，进入21世纪后，国内才开始出现CO2破岩器材生产企业，2014年以来，CO2膨胀破岩技术应用案例日渐增多，国内研究及相关规范也在逐步丰富与完善。夏军，陶良云[1]等研究了该技术在台阶破岩、块体破岩、孤石破岩、隧道掘进等环境下的应用，得出其破岩引起的振动、飞石、噪声等危害较炸药爆破破岩的危害小。谢晓峰，李夕兵[2]等研究了液态CO2相变破岩技术在硬岩桩井开挖中的可应用性，得出单位质量CO2的能量释放为TNT的12.8%，并通过实验得出单根CO2致裂器，压碎区直径为管径的3～4倍，破裂区直径为管径的10～15倍。陶明，赵华涛[3]等通过计算比较了CO2与炸药破碎单位体积岩石的气体生成量、成分及其对环境的影响，得出CO2相变致裂技术能有效提高能量的利用率，且能有效降低爆破震动。

2 基本原理

2.1 CO2性质及相变过程

CO2在常温常压下是一种无色、无味的无毒气体化合物，其化学性质稳定，为惰性气体，可阻燃。在特定温度及压力条件下，该气体可以液态、固态和超临界态存在。其部分物理参数见表1所示。

表1 CO2部分物理常数

CO2在不同温度及压力条件下，相变过程如图1所示。

由图1可知，在低温高压条件下，CO2以固体形态存在，俗称干冰，随着温度及压力的变化，CO2可以多种状态存在，当压力高于7.38 MPa，温度高于31.4℃时，CO2进入超临界态，该状态是一种不同于其它3种相态的特殊状态，其分子扩散系数高，接近于气体的扩散系数，同时密度高，接近于液体的密度，可由常温常压下的常态连续变化到超临界相态，没有边际效应。当受热后，液态CO2快速转变为气态，体积膨胀约600倍[1]，实际工程中正是利用CO2这个快速膨胀过程对岩石做功。

图1 二氧化碳相变示意

2.2 CO2致裂器构造

在了解上述有关CO2相变特征后，制造出一种特殊的装置，即CO2致裂器来控制该气体膨胀做功。其大致构造如图2所示。

图2 二氧化碳致裂器构造示意

致裂器主要由灌注端、激发管、主管体、破裂片、密封件及喷射段组成。

目前市场上主要有一次性致裂器与可回收管材的致裂器，两者在构造形式上有较大区别。

一次性致裂器：由灌注端、激发管、主管体、密封件组成，主管体材料为PVC管。当管体灌注液态CO2后，在激发管作用下，CO2迅速转变为气态，管体内压力迅速增大，破碎管体，气体直接作用于炮孔做工。

可回收致裂器：由灌注端、激发管、主管体、破裂片、密封件及喷射段组成，主管体材料一般为钢管。破裂片也称定压剪切片，可根据要求设置该剪切片强度。当管体内压力超过剪切片强度时，剪切片破裂，高压气体从喷射端喷出后作用于炮孔做功，钢管可回收重复利用。

3 工程概况

韶关南水水库供水工程[4]是从主电站输水管道上开岔管引水，将原水通过管道输送至韶关市区的调水工程。现有南源电站φ1.8 m输水钢管即是从主电站输水管上接入，该管从原修建南水电站输水隧洞的4#施工支洞铺设进去，在与主电站输水管接头处浇筑了长约40 m的外包混凝土。本工程须将现有φ1.8 m输水钢管拆除，同时将4#施工支洞扩挖，然后铺设φ2.4 m输水钢管。

4#施工支洞长约165 m，洞轴线方向S52°E，断面呈城门拱形，宽5.8 m，高3～4 m。附近地层岩性主要为泥盆系中下统桂头群(D1-2gtb)石英砂岩夹粉细砂岩，岩层产状为N60°～70°E/SE∠60°～80°。隧洞沿线地表多为第四系坡积层(Qdl)或全风化带(Ⅴ)所覆盖，覆盖层厚度一般为2～3 m，局部(如洞口处)可见弱风化基岩裸露。隧洞在弱风化石英砂岩中进洞，洞口处上覆弱～微风化岩石厚度约3 m。洞身围岩以弱～微风化灰褐色中粒石英砂岩为主，层厚一般为20～30 cm，局部夹薄层粉砂岩或细砂岩，岩质坚硬，岩体完整。洞顶以上弱～微风化岩石厚度3～75 m，大部分(约90%)洞段上覆弱～微风化岩石厚度大于3倍洞径(17.4 m)

主电站停水检修时间定在2017年10月—2018年3月。本次拆除工程是在主电站停水期间施工，由于工期与安保的要求，排除了常规炸药爆破拆除方案。拆除点紧靠主洞，要求拆除过程中不能对主洞造成破坏。拆除点位于半山腰，山脚下方为南水电站管理区，厂内人员及来往车辆较多，需严格控制飞石。后经综合比较，选用CO2膨胀破岩方案。

4 CO2膨胀破岩技术拆除包封混凝土

包封砼拆除前，先采用机械切割方法将钢管拆除，拆除后可作为临空面。目前常用致裂器型号主要有51#，73#，95#，108#，分类主要以管体直径划分，本拆除工程选择51#致裂器。手风钻钻孔，孔径51 mm，孔深1.5 m，堵塞长度0.5 m。拆除断面周边孔间距0.6 m，中间孔间距0.75～0.8 m(断面布孔见图3)。

图3 包封砼CO2膨胀破岩孔布置示意

在破岩实施前，采用成都爆破研究所生产的Blast-UM型爆破测振仪对掌子面后方10 m处围岩及掌子面前方10 m未拆除段围岩进行监测，详见图4～5。

图4 掌子面后方10 m处监测点布置示意

以2017年12月23日破碎时，位于离掌子面后方10 m处隧洞围岩测点测得的数据进行分析，监测波形如图6所示。

图6 质点振速监测示意

经分析，得到本次破岩过程中各项监测数据(见表2所示)。

图5 掌子面前方10 m处监测点布置示意

表2 监测数据

与《爆破安全规程》(GB 6722—2014)[5]振动安全标准对水工隧洞的规定进行比较，本次破岩振速均小于规程要求的7～15 cm/s。

破碎后对现场散落块体大小进行初步分析，大部分块度粒径均在0.30 m以下，不用进行二次破碎，满足洞内小型挖机装车运渣，说明破碎块度满足施工要求。

5 结论与建议

本引水工程采用CO2膨胀破岩技术，成功的实施了对包封混凝土的拆除，保证了工程的工期要求，同时较好的控制了拆除过程中振动、飞石及有害气体，保证了主电站输水管道及电站管理区的安全，解决了特殊环境下不允许使用炸药破岩的难题。但是该技术方案破岩单价成本较高，较常规乳化炸药破岩单价高出许多，因此限制了该技术在南水工程其它部位的应用。