二氧化碳预裂爆破技术研究

徐晓玲 XU Xiao-ling

（中铁十四局集团有限公司市政工程分公司，青岛 266061）

0 引言

淮河西路（科大五号路至珠宋路）道路工程线路K2+000～K2+180段南侧紧靠2016年完工的居民区，北侧为舍埠林村。K2+640～K3+642段南侧为黄埠岭社区，北侧为正友驾校及建筑物。周边居民区密集，采取常规火工爆破工艺，对周边居民影响较大，施工工艺由传统的火药爆破变更为二氧化碳致裂施工，可以减少施工引起的风险因素，减少对环境的污染，降低施工成本，对周边社会的影响大大降低。

1 工程背景

道路里程K2+640～K3+642段存在大量石方路基，岩层主要为坚硬的中风化、低风化花岗岩，最大挖方深度43.72m，该处挖方段距离小区（黄埠岭社区）高层建筑物等距离最大为83m，最小为30m。

图1 阴影处为二氧化碳预裂区域

2 二氧化碳预裂施工工艺

2.1 主要施工方案

通过充装机将液态的二氧化碳充装到致裂管内，充装速度1kg-4kg/分钟，再放入激发管、破裂片、组合密封圈，把充气头和泄能头拧紧，完成相关准备工作。将致裂触发器、致裂筒、电源线等设备运输到作业场地，将致裂管插入已经检验合格的致裂钻孔中，用砂石将致裂管周边填埋密实，连接整个致裂网络和起爆器电源。当微电流通过激发管加热，使液态的二氧化碳瞬间气化，产生了大量的二氧化碳气体，释放出高压气体能量，急剧膨胀产生能量将泄压阀冲击开，二氧化碳气体渗入岩石孔隙和缝隙中，岩石受到能量冲击形成破裂面，达到破裂岩石的目的。

2.2 工艺流程

图2 致裂施工工艺流程图

2.3 布孔设计

根据岩体特性、岩石机理分部走向、施工范围、临空面距离等因素布置孔位，本工程选用直列并排布孔方式。

图3 直列并排布孔方式示意图

临空面台阶高度：H=6m；

①超深：h=0.2m；

②孔深：L=6m。

2.4 钻孔

本工程采用一台双动力液压挖改钻机钻孔，钻孔前为修建钻孔平台，钻机平台大于6-8m，钻孔孔径为135mm，钻孔深度6m。钻孔前按照设计的孔位进行放线，确保钻孔位置准确，钻进过程中保证孔位的垂直度，误差小于致裂孔深度的5%。如出现致裂孔孔深不足、钻孔间距差距太大时，要对相应的孔位进行补钻，保证爆破效果。

2.5 二氧化碳计算与充装

2.5.1 系统主要结构

二氧化碳气体致裂系统设备由二氧化碳致裂器、液态二氧化碳储液罐、灌装机、气动旋紧设备、5工位充装身等构成。每次致裂爆破后，更换激发管泄能器件和充装二氧化碳气体便可以循环重复使用。

2.5.2 充装过程中注意事项

在充装二氧化碳液体时，先提前观察充装罐的压力表，当压力值超过0.8MPa时，可以直接充装二氧化碳液体。否则，要先充装二氧化碳气体进行增压，使得压力超过0.8MPa后才可以进行二氧化碳液体充装。

2.5.3 现场充装操作说明

充装作业开始前对设备进行全面检查，确保设备性能满足使用要求，尤其要保证设备接地性能良好，各设备及周边要保证干净、整洁，充装过程中停止周边挖掘机破碎作业和钻孔作业，防止作业过程中震动影响液态二氧化碳充装，造成液态二氧化碳泄漏造成作业人员出现伤亡事故。

①开机前，进气管端与液态氧化碳罐的[出液口]连接，另一端与二氧化碳充装机的进气口相连；充气管的两端与出气口、阀门相连。最后，将连接好的管路按照要求全方位检查后，接通380V/220V电源。

②打开电源开关，注意，电源的设备参数出厂前已经按照要求设置完毕，操作过程中严禁私自改动参数。

③慢慢松开储液罐的出液阀，二氧化碳液体因为压力释放后变成气体，缓慢的流出，当液态二氧化碳罐内压力与二氧化碳充装机压力一致时，将液态二氧化碳罐出液阀门完全打开，开始充装工作。

④将组装完毕二氧化碳致裂器放到五工位充装台上，二氧化碳致裂器充气头的进气孔与充装台台的出气嘴紧密连接，拧紧固定螺丝，每次最多可充5根二氧化碳致裂器。

⑤用六角扳手将二氧化碳致裂充气头上的进气孔阀顶计松开，将称重器归零。

⑥松开排气阀，使其喷出的液态二氧化碳呈白雾状，通过排出其他试验排气阀的稳定性和使用性，确认适用性能后关闭排气阀。

⑦洗管操作：松开五工位充装台上的3个阀门，1#阀门、2#阀门、3#阀门，使其持续喷出液态二氧化碳气化后的雾状气体，开启二氧化碳致裂充装机上启动键，将气体二氧化碳灌入二氧化碳致裂器内，充注到额定压力值后，停止充注。关上1#阀门，打开2#阀门，排出致裂器内的二氧化碳气体，这样就完成整个洗管过程，当室温低于20℃时可不用洗管，直接充装。

⑧灌装操作：松开五工位充装台上3个阀门，1#阀门、2#阀门、3#阀门，持续喷出二氧化碳液体气化后雾状气体，然后关闭2#阀门，开始对二氧化碳致裂管进行充装，达到设定的额定压力值时停下充注气体，立即关上1#阀门，随后用把充气头的进气闸阀关上并拧紧。打开2#阀，把多余的气体排净，拧开固定用的螺丝，拿下二氧化碳致裂管，完成了灌装。

表1 依据致裂设备提供数据参数表

根据岩体特性、成孔深度、成孔孔径等因素，分别计算每孔致裂管二氧化碳液体充装重量，根据计算，每根108mm致裂管，最大充气量为7kg，总重为98kg，充装过程中额定压力14MPa，最高压力20MPa。现场根据实际情况进行计算具体充装重量，确保满足爆破要求。

2.6 清孔

钻孔成型后，使用提前准备好的标尺对孔深进行检测，孔深达到要求后及时对钻孔进行临时封堵，防止周边碎石等杂物落入孔内。对于已经落入孔中的石子，用长柄钳子将石子夹出，以免造成致裂管卡堵，影响致裂效果。

2.7 填塞

致裂孔填塞物可以选用打孔的孔渣、细沙石作为填塞物；致裂孔内有积水时，要先排除积水再填塞作业。

填塞完成后现场负责人和工程技术人员对填塞效果进行检查，验收合格后才能开始致裂作业。

2.8 网络连接

网络连接采取串联（并联）方式。

合理分配导电网络的连接区域，在减少导电网路电阻值的同时。尽可能保持各线路的电流值、电阻值平衡，在网路连接后再次检测导电网络的电阻值，把导电网络实测电阻值和计算值电阻值进行比对，如果电阻值差距较大，应逐一排查线路，找出原因，排查故障后再次连接网络，再次检测电阻值，达到规定值后再进行致裂作业，保证起爆效果。

图4 网络连接示意图

2.9 安全验算

2.9.1 致裂振动计算

根据《爆破安全规程》（GB6722-2019）的要求，采取主振频率和质点峰值振动速度指标作为致裂振动判定依据，按照规范理论上验算振动。致裂振动安全允许标准范围如表2所示。

表2 致裂振动安全允许标准

致裂振动监测应同时测定质点振动相互垂直的三个分量。

注：表中质点振动速皮为三个分量中的最大值，振动频率为主振率。

注2：频率范图根据现场实测波形确定成按如下数据选取：室致裂f小于20z；露天深孔致裂f在10Hz-60Hz之间；露天浅孔致裂f在40Hz-100Hz之间；地下深孔致裂f在30Hz-100Hz之间；地下浅孔致裂f在60Hz-300Hz之间。

石方爆破作业周边是居民小区，根据作业安全规程要求，一般民用建筑物a安全允许振速V=2.0cm/s-2.5cm/s，露天浅孔致裂f在40Hz-100Hz，拟选取V=2.2cm/s作为安全允许振速标准。

道路线路走向与社区方向不平行，按照震源最近点30m距离，与需社区间的间距作为计算依据，依据《爆破安全规程》计算公式，计算出致裂允许的最大起爆量。根据厂家提供108#二氧化碳的测量结果，按照致裂区域与社区之间的最短距离30m计算安全允许振速，具体验算如下：

根据公式：

式中：V——振动速度cm/s；

K——CO2耗量系数，取10孔共计37；

R——现场最近的居民楼（R=30 m）；

Q——最大装液量6.8kg；

a——与致裂点地质、地形等条件有关的衰减指数取1.4。

计算结果：V=k（Q1/3/R）a=0.77cm/s

根据计算结果，将震动速度控制在2.2cm/s之内，不会对30m以外的居民社区造成影响。

2.9.2 致裂飞石安全距离的确定

致裂后，抛掷的石子的距离与致裂位置、岩石的硬度等因素有关，依据以下公式计算：R=20Kn2W

R——飞石安全距离（m）；

K——与岩石性质、地形、地质、气候有关的系数，一般取0.1-1.5；迎风向取最大值，背风向取最小值；

n——最大一个CO2的致裂作用指数，取0.83；

W——最大一个CO2的最小抵抗线，取1.5（m）。

按照迎风向最大值1.5得出的安全距离为R=20Kn2W=31m，按照背风向最大值0.1得出的安全距离为R=20Kn2W=2.1m。

现场实际致裂施工过程中，尽量避免在有风的天气进行致裂作业。如确实需要作业，在作业过程中采取安全保护措施，防止飞石对社区及人员、设备造成影响。可以在致裂孔顶部塞上较软的毛毡，再覆盖橡胶炮已加强防护，控制飞石的抛掷距离。

2.10 警戒

致裂准备工作全部完毕，人员、各类机械设备均撤至警戒区，对致裂作业区域进行安全警戒。以致裂作业区域为中心，在线路两侧、靠近居民区位置40m处范围设置安全警戒，警戒人员要穿着明显安全标志，防止致裂过程中周边居民进入致裂现场。

2.11 致裂

采用高能脉冲式起爆。各项工作做完之后，派由现场负责人、技术人员和安全管理人员共同检查网络情况。起爆前，首先检查起爆器、网络电阻值、电压值是否达到起爆要求，检查合格后，将主线与起爆器连接，等待起爆命令。现场致裂负责人组织作业人员、机械设备、相关物资撤离至警戒线意外，得到可以爆破的指令后再起爆。

2.12 解除警戒

致裂完成10分钟后，由现场相关管理人员共同对现场进行核查，确认无危险后解除安全警戒，允许其他作业人员、设备进场开始后续作业。

3 结束语

采用二氧化碳预裂爆破技术对周围环境不会产生破坏，不产生有毒有害气体，降低了对环境的污染和对施工人员身体健康的影响。该爆破技术属于物理膨胀技术，做工过程短暂、无明火、震动、烟尘、冲击波，对周边居民区和建筑物影响较少，利于市区内土石方作业。同时二氧化碳系统便于充灌、可重复使用，施工成本远低于静态爆破成本。