二氧化碳裂岩技术及经济性分析

2024-05-19高飞GAOFei

价值工程 2024年13期

高飞GAO Fei

（中交一公局集团有限公司海外事业部，北京 100024）

0 引言

刚果金戈马机场跑道项目位于刚果金东北部北基武省戈马市，与卢旺达接壤，该地区地势起伏，北部靠近尼拉贡戈火山，南部面临基伍湖。该项目距市中心2km，周边人口稠密，周边居民较多，因火山吸引了大量旅游爱好者前来参观，交通较便捷。该项目工期16 个月，岩石开挖方量大，按照破碎锤施工方案，石方开挖时间将超过10 个月，严重影响后续施工。在此情况下，为高效快速地完成岩石开挖任务，项目引进二氧化碳裂岩技术和设备，加快现场施工速度。

1 二氧化碳裂岩技术

1.1 二氧化碳裂岩基本原理

二氧化碳裂岩原理是，在突然迅速加热的条件下，液态二氧化碳快速气化，急剧膨胀，产生强大冲击力，通过裂岩设备进行定向定量控制，形成破岩的目的。

首先，液态二氧化碳、释能片、发热管等通过充装机装入裂岩管内，钻机钻孔，裂岩管放进钻孔内，并对钻孔封闭，检查严密性；其次，使用电流触发器，促发裂岩管内的发热管工作，导致液态二氧化碳在快速加热的条件下迅速膨胀，达到原体积的1000-2000 倍以上，从而产生强大的冲击力（可达200-400MPa）；第三，气化后的二氧化碳冲破释能片，沿裂岩管中预定的出气孔急速冲出（如图1 所示），受到密封钻孔影响，气体无法泄出，从而冲击周围的岩石，破坏岩石结构，致使裂岩。

1.2 二氧化碳裂岩特点

①安全性好。液态二氧化碳相对稳定（如表1 所示），运输存储安全便捷；充装机与裂岩管是分离的，不管是充装还是裂岩，时间都比较短；施工时安全隐患小，安全警戒距离短。二氧化碳裂岩设备，从储存、运输、携带、使用、回收等方面都具有良好的安全性。

表1 相关气体液化特性

②定向裂岩。在建筑物、桥梁、地铁、隧道等特殊环境下，施工时不会产生冲击波和破坏性震动，不会对周围环境产生破坏性影响。

③材料安全，来源丰富。可根据需要就地取材，材料管理简便，使用操作简单易学。

④审批程序简单，周期短。无需使用炸药、雷管等管制材料，减少复杂的报批审批程序和管理要求限制；可根据需要随时进行分裂作业，自由度高，更能满足工程建设需求。

⑤使用范围广。除在地上使用外，在矿井下使用，更能表现其突出的性能，瓦斯矿井、冲击地压矿井、易自燃矿井等水文地质条件复杂的矿井均可使用。

⑥有助于促进良好的社会安定。二氧化碳裂岩技术的使用，可有效减少不法分子获取炸药、雷管等管制物品的机会，促进社会安定和人民生命安全。

⑦可重复使用。裂岩后裂岩管可回收重复使用，操作简单方便，具有良好的经济性。

⑧若使用在石材开采，裂岩不会破坏石材纹理结构，成材率较高，便于二次加工。

1.3 二氧化碳裂岩设备组成

二氧化碳裂岩设备主要由裂岩管、杜瓦罐、充装机、旋紧系统等组成。裂岩管在裂岩后可回收，重新加入发热管、泄能组件和二氧化碳后再次使用。

裂岩管包括充气头、热化器、主管、泄气头、密封圈及致裂片，主管两头均需要密封圈。

1.4 二氧化碳裂岩施工流程

二氧化碳裂岩施工主要流程有：施工前准备、钻孔、装管、填塞、裂岩网路连接、裂岩、裂后检查、提管回收、二次岩石破碎。具体施工流程如图2 所示。

图2 二氧化碳裂岩施工流程图

1.5 二氧化碳裂岩施工技术要点

1.5.1 施工前准备工作

包括液态二氧化碳供应、裂岩管组装、充装液态二氧化碳及设备运输，使用前应对设备进行调试。

1.5.2 钻孔

①剥离覆盖层，避免表土、风化层等污染孔洞，为裂岩施工提供作业面。

②布孔，根据施工经验及岩石厚度（平均厚度约3m），每次施工采用15 根管、密集式布孔进行裂岩工作，孔距排距均为1m，第一排孔至临空面2-3m，如图3 所示，详细数据可参考表2；该布孔方案能使气体集中起来，形成一个短暂的高压空间，到达对岩石劈裂、松动的效果。

表2 布孔参照表

图3 布孔示意图

③管孔深度2.5-3m 不等，管孔刚刚穿透岩石，气体做功位置处于岩石和沙土之间，从而能够劈裂、松动岩石。

④确定钻孔位置后进行钻孔，钻孔尽量采用垂直孔，操作容易，方便装管；钻孔完成后做好孔洞的保护，防止雨水、碎石等杂物掉落。

1.5.3 装管

①装管前对钻孔进行清理，以免影响裂岩管放置深度。②连接裂岩管和连接杆，使用挖掘机将裂岩管放至钻孔中，连接杆漏出地面。

1.5.4 填塞

使用干燥细石粉或者小粒径碎石，慢慢放置钻孔中，尽量使石粉或者碎石压实；钻孔中不得有水，并且填充材料中不得含有石块或者含水量大的石粉，防止裂岩管在裂岩过程中飞出，影响裂岩效果。

1.5.5 裂岩网路连接

①致裂孔数较多时，必须进行网路设计，合理分区连接，减少电阻值。首先使用1.5mm2的双根平行线作为导线，从裂岩管中引出导线，然后将所有裂岩管导线串联起来。②导线连接完毕，引至100m 外安全区域，进行接通测试，电阻应在60-80Ω；若发现串联不通，逐步进行排查，重新连接。测试通过后，将导线与起爆装置连接。

1.5.6 裂岩

①检查起爆装置正常，将起爆装置打开充电按钮，起爆装置进行充电。②约两分钟即可充电完毕，电压达到2400V；接到起爆指令后，进行起爆，起爆时间为2 毫秒。③起爆完成后，及时切断电源，将导线与起爆装置分离。

1.5.7 裂后检查

裂岩完成五分钟后，由专业技术员先进入现场进行检查，检查是否裂岩堆是否稳定，是否存在危险边坡、危石等；检查完毕确定无危险后，解除警戒，允许其他工作人员进入现场。

1.5.8 提管

岩石经过裂岩后，石层遭到破坏，裂岩管位置发生改变，部分裂岩管被埋置岩石下方，对于漏出岩石的裂岩管，使用挖掘机延连接杆一致方向提出，切勿暴力提拉。对于无法一次提出的或者埋置压实下方的裂岩管，经过破碎锤二次破碎后取出，再次使用。

1.5.9 岩石二次破碎

裂岩过程中，不可避免地产生大块岩石，无法直接装车运输，因此使用破碎锤进行二次破碎，将大块松动岩石破碎成小块岩石，再使用挖掘机（或装载机）将岩石装载到自卸车中，运输至指定地点。

1.6 安全、环境保护措施

本文案例中提及的项目为世界银行出资，对安全环保要求严格，在施工中做好相关措施：①除正常劳保服、劳保鞋、手套、安全帽等用品外，钻孔施工时还需配备护目镜、防尘口罩。②现场施工前，对周围居民进行宣传教育，讲解施工顺序以及可能产生的异响，避免造成不必要的影响。③裂岩管安装后，使用草帘或者苫布，对裂岩孔进行覆盖，避免裂岩片飞出，并减少粉尘量，等。④安全警戒。根据施工现场情况，安全警戒范围为50-100m。警戒人员穿戴有明显标志的衣服，在交通路口用警示带拦住过往的车辆和行人，确保无人闯入施工区。

1.7 二氧化碳裂岩效果及影响因素

岩石裂岩后，裂岩效果明显，整体裂缝长15m 左右，宽度7-9m，特别是裂岩管放置区域（长7m，宽5m），尤为显著，裂缝纵横交错，岩石层全部被破坏，只需使用破碎锤简单二次破碎即可。

经过多次施工及分析，影响裂岩效果的因素主要有以下几点：①石质要求，该项目岩石均为火山岩，岩石孔隙多，岩层厚2-3m，岩层底部与旧地面有断层，密封性较差，不利于二氧化碳气体做功，降低裂岩效果。②钻孔孔距，该机场跑道项目前后左右孔距均为1m，梅花状密集分布，此分布方式不仅裂岩效果好，裂岩范围大，达到高效、节约成本的目的。③裂岩管数量，随着裂岩管数量增加，将提高裂岩效果和范围，但不一定达到最高效。因此不同地点、不同材质，需多次试验，调整裂岩管数量和孔距，提高裂岩效果。

2 二氧化碳裂岩技术的经济性分析

根据现场施工测算，在该项目使用二氧化碳裂岩设备进行岩石开挖的施工成本约10.11 美元/方，详情见表3；使用破碎锤进行岩石开挖的施工成本约9.84 美元/方，详情见表4。此单价不包含其他直接费、间接费和管理费。

表3 二氧化碳裂岩设备岩石开挖施工成本明细工程量：1000 方

表4 破碎锤岩石开挖施工成本明细工程量：1000 方

经过表3 和表4 对比分析，得出以下结论：①在该机场项目，使用二氧化碳裂岩设备进行岩石开挖的施工方案较破碎锤施工方案，工序更复杂，需要投入更多的人员、设备和材料，施工成本约10.11美元/方，略高于使用破碎锤进行岩石开挖的施工成本（约9.84 美元/方）。②二氧化碳裂岩设备的使用，虽然增加了钻孔、二氧化碳裂岩的时间，但是大大减少了破碎锤的使用时间，但是增加了准备工作时间，每完成1000 方岩石开挖，共需要约8 个工日；在相同设备配置条件下（同一台破碎锤和一台挖机），每完成1000 方岩石开挖，共需要约11.5 个工日。因此，在相同条件下，二氧化碳裂岩设备施工比破碎锤单独施工速度更快，可以减少施工时间及相应的管理费用。③影响二氧化碳裂岩经济性的因素：1）二氧化碳裂岩的效果，裂岩效果的好坏将直接影响二次破碎的工程量，裂岩效果越好，二次破碎的时间将会大大减少，从而降低石方开挖的总体成本；2）二氧化碳裂岩需要更多的人工成本，主要用于二氧化碳裂岩前的准备工作，如二氧化碳购买运输、裂岩管充装、钻孔、裂岩管安装，提高了二氧化碳裂岩的施工成本；3）液态二氧化碳的材料费用，当地市场是否根据施工需要及时提供充足的二氧化碳，充分考虑液态二氧化碳的采购和运输成本；4）当地市场设备的供应和台班价格，本案例中，由于当地缺少潜孔钻和二氧化碳裂岩设备，需要充国内海运至非洲，增加了施工的准备时间，提高了设备的使用费用，是影响二氧化碳裂岩经济性的重要因素之一。

本次经济性比较基于项目石方特点、当地人材机单价及功效等条件而得出，其他项目在确定施工方案时，可根据项目的石料特点、现场调价、材料来源情况、机械设备配置，编制施工方案，再结合项目工期和成本计划要求，进行分析比较，选择最优石方开挖施工方案。