文｜廣東省基礎(chǔ)工程集團(tuán)有限公司 吳健

0 前言

根據(jù)傳統(tǒng)的硬巖開(kāi)挖方法，一般采用常規(guī)明爆破法、靜態(tài)爆破法、常規(guī)機(jī)械破碎法、機(jī)械切割法等。但對(duì)于在鄰近既有高鐵、地鐵保護(hù)范圍的工程，特別是緊靠高鐵、地鐵站站房及站臺(tái)，采用炸藥爆破法開(kāi)挖硬巖，對(duì)周邊建筑物、行人、行車(chē)干擾非常大，且審批手續(xù)復(fù)雜、安全風(fēng)險(xiǎn)高；同時(shí)，應(yīng)用這些常規(guī)方法具有開(kāi)挖硬巖的效率低、成本高等難題，進(jìn)而造成施工成本增大、工期延誤。根據(jù)分析上述常規(guī)傳統(tǒng)的硬巖開(kāi)挖方法的應(yīng)用弱點(diǎn)，目前可以應(yīng)用新型的二氧化碳相變致裂的破巖方法解決這一技術(shù)難題。

1 工程實(shí)例

工程毗鄰汕尾高鐵站的站房及站臺(tái)，屬鐵路保護(hù)范圍。道路邊坡主要為巖石，開(kāi)挖高度約為15m，邊坡坡度為1:1。根據(jù)工程地質(zhì)勘查報(bào)告揭示，該段道路的地質(zhì)條件依次為<1>粉質(zhì)粘土、<2>砂質(zhì)粘性土、<3-1>全風(fēng)化花崗巖、<3-2>強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、<3-3>中風(fēng)化花崗巖、<3-4>微風(fēng)化碎屑巖。地面下1m左右就進(jìn)入強(qiáng)風(fēng)化巖，3m左右就進(jìn)入中、微風(fēng)化巖，部分坡頂基巖均為強(qiáng)風(fēng)化、中風(fēng)化；強(qiáng)度為27.6-88.6MPa，屬于強(qiáng)硬巖質(zhì)邊坡。在鄰近高鐵、地鐵站進(jìn)行開(kāi)挖硬巖，如何既要確保高鐵站的穩(wěn)定安全，又要加快開(kāi)挖施工進(jìn)度，最終確保工程順利完成，是施工面臨的技術(shù)難題。經(jīng)多方研究，決定選用二氧化碳相變致裂巖石施工應(yīng)用技術(shù)。

2 二氧化碳相變致裂技術(shù)應(yīng)用原理

本施工技術(shù)的要點(diǎn)主要是：通過(guò)利用液態(tài)二氧化碳加熱氣化膨脹，使壓力急速上升的物理變化原理，并對(duì)致裂施工技術(shù)工藝進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，增加致裂管填塞和阻攔加固技術(shù)設(shè)計(jì)等組合而成的技術(shù)措施。其具體操作是：通過(guò)在有臨空面的巖體上進(jìn)行鉆孔，在孔內(nèi)安裝充填液態(tài)二氧化碳的致裂器，通過(guò)激發(fā)二氧化碳膨脹使巖土體發(fā)生破裂，自然滑落而形成自由空間邊界面；接著在巖土發(fā)生破裂的臨空面縱橫方向上，進(jìn)行大面積鉆孔和實(shí)施二氧化碳裂巖措施，以及臺(tái)階式分層分段流水性裂巖的施工；形成一種快速、高效、安全系數(shù)高、對(duì)周邊環(huán)境影響小的新型破巖施工技術(shù)。

3 二氧化碳相變致裂施工技術(shù)應(yīng)用分析

3.1 施工工藝流程（如圖1所示）

圖1 二氧化碳致裂施工工藝流程圖

3.2 施工設(shè)計(jì)及應(yīng)用方法

3.2.1 二氧化碳致裂基理

對(duì)于二氧化碳?xì)怏w裂巖的物理現(xiàn)象，是通過(guò)應(yīng)用液態(tài)二氧化碳在特定方式下進(jìn)行加熱，隨之發(fā)生急速氣化而出現(xiàn)膨脹，進(jìn)而產(chǎn)生強(qiáng)大的沖擊力，同時(shí)通過(guò)適當(dāng)?shù)目刂拼胧?，使巖土體達(dá)到預(yù)期的破裂效果。

在實(shí)際操作時(shí)，先用充裝機(jī)將液態(tài)二氧化碳進(jìn)行壓縮，并放進(jìn)圓柱狀的致裂管內(nèi)。當(dāng)微電流通過(guò)電點(diǎn)火頭時(shí)，引起致裂管發(fā)熱裝置的活化劑產(chǎn)生高溫，將液態(tài)二氧化碳瞬間氣化，急速膨脹1000-2000倍以上，瞬間產(chǎn)生300MPa以上的膨脹壓力。產(chǎn)生的高壓氣體將泄能器打開(kāi)，從而對(duì)鉆孔周?chē)膸r石產(chǎn)生破壞作用，形成裂巖效果。

二氧化碳致裂設(shè)備由二氧化碳致裂器、液態(tài)二氧化碳儲(chǔ)液罐、充裝機(jī)、旋緊機(jī)及充裝平臺(tái)等組成。本工程采用95mm型號(hào)二氧化碳致裂管，同時(shí)選取直徑110mm的潛孔機(jī)鉆頭進(jìn)行配套使用。主要工作內(nèi)容包括組裝致裂器、充裝氣體、運(yùn)輸。

3.2.2 二氧化碳致裂施工技術(shù)工藝設(shè)計(jì)

二氧化碳致裂巖石施工工藝按鉆孔布孔設(shè)計(jì)→致裂臨空面溝槽施工→分層臺(tái)階式致裂巖石施工進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3.2.2.1 鉆孔布孔設(shè)計(jì)

根據(jù)巖石性質(zhì)，臺(tái)階高度、臨空面間距合理設(shè)計(jì)布孔方式和鉆孔布設(shè)間距，并在平緩無(wú)臨空面的巖體上進(jìn)行鉆孔，具體詳見(jiàn)圖2。其鉆孔參數(shù)設(shè)計(jì)如下：

①本工程的布孔方式為梅花型布孔；②孔深：L=3.0m；③鉆孔孔距為1.0m進(jìn)行布設(shè)（排孔布局及間距根據(jù)不同的巖石和位置情況現(xiàn)場(chǎng)適當(dāng)調(diào)整）；④鉆孔角度為90°。

3.2.2.2 臨空面開(kāi)槽施工設(shè)計(jì)

在平緩的巖石面開(kāi)挖過(guò)程時(shí)，首先要在無(wú)臨空面的巖體上致裂形成臨空面，為后續(xù)二氧化碳致裂巖石施工時(shí)巖體破裂的泄能面。在形成臨空面后，再進(jìn)行大面積破巖?，F(xiàn)根據(jù)本工法的特點(diǎn)在巖面布設(shè)臨空面開(kāi)槽孔進(jìn)行臨空面開(kāi)槽施工：橫向按抵抗線1000mm，縱向抵抗線1000mm，梅花型布設(shè)孔型，均采用垂直鉆孔。臨空面開(kāi)槽鉆孔設(shè)計(jì)圖詳見(jiàn)圖3。

圖2 鉆孔布孔設(shè)計(jì)圖

圖3 臨空面開(kāi)槽鉆孔設(shè)計(jì)圖

圖4 臺(tái)階法流水順序圖

圖5 臺(tái)階法分層分段流水順序圖

表1 二氧化碳?xì)怏w致裂設(shè)備數(shù)據(jù)采集

3.2.3 臺(tái)階法分層分段流水施工設(shè)計(jì)

本工程需分層開(kāi)挖，采取分層分段臺(tái)階式跳臺(tái)流水施工的方法。對(duì)于此跳臺(tái)的施工流程是：先在下臺(tái)階進(jìn)行鉆孔；然后移動(dòng)鉆機(jī)到上臺(tái)階位置；接著在下臺(tái)階實(shí)施致裂破巖，同時(shí)上臺(tái)階進(jìn)行鉆孔；最后下臺(tái)階進(jìn)行清渣，同時(shí)上臺(tái)階實(shí)施致裂破巖。臺(tái)階式跳臺(tái)法致裂鉆孔設(shè)計(jì)詳見(jiàn)圖4、圖5。

3.2.4 二氧化碳致裂管填塞和阻攔加固技術(shù)

3.2.4.1 致裂孔填塞

鉆孔完成后，用空壓機(jī)將雜物清理干凈。將裝有二氧化碳?xì)怏w的致裂器先與提升桿進(jìn)行連接處理，并且擰緊而成一根管方便操作，然后把此致裂器放進(jìn)已鉆的孔內(nèi)，注意確保連接致裂器的部分提升桿露出巖土表面，提升桿外露長(zhǎng)度為0.3m～0.5m。

致裂管放入鉆孔后，需對(duì)致裂孔進(jìn)行填塞。致裂孔填塞時(shí)要選用理想的填塞物。本工程致裂孔填塞時(shí)選用中粗砂和3～5mm石屑作為填塞物，填塞時(shí)要邊填塞邊用炮桿或振動(dòng)器將填塞物搗實(shí)。

填塞作業(yè)注意事項(xiàng)如下：

①填塞材料不得含有碎石塊或潮濕中粗砂、石屑；②致裂孔內(nèi)有水時(shí)，在填塞過(guò)程中容易形成泥漿或懸空，是致裂器周?chē)鸁o(wú)法填塞密實(shí)；③嚴(yán)禁無(wú)填塞致裂。

3.2.4.2 致裂管連接固定

致裂管填塞后，將致裂管采用鋼絲繩串聯(lián)的阻攔加固設(shè)計(jì)。采用雙根鋼絲分別對(duì)所有致裂管進(jìn)行串聯(lián)連接固定，并采用繩卡固定法對(duì)接頭處進(jìn)行連接，確保致裂管處于整體連接狀態(tài)，起雙層保護(hù)作用。

具體施工方法為：采用1根國(guó)標(biāo)22mm鋼絲繩對(duì)所有致裂管進(jìn)行連接固定，并采用繩卡固定法對(duì)接頭處進(jìn)行連接，確保致裂管處于整體狀態(tài)，在受強(qiáng)勁沖力后不會(huì)單個(gè)飛出；再同樣采用1根國(guó)標(biāo)22mm鋼絲繩對(duì)所有致裂管進(jìn)行連接固定，并采用繩卡固定法對(duì)接頭處進(jìn)行連接，起雙層保護(hù)作用。

4 二氧化碳致裂施工操作關(guān)鍵點(diǎn)

總體施工流程步驟為：二氧化碳充裝（主要包括組裝致裂器、充裝氣體）→鉆孔布控設(shè)計(jì)→鉆孔→致裂器安裝→致裂。

4.1 二氧化碳充裝

二氧化碳致裂設(shè)備由二氧化碳致裂器、液態(tài)二氧化碳儲(chǔ)液罐、充裝機(jī)、旋緊機(jī)及充裝平臺(tái)等組成。本工程采用95mm型號(hào)二氧化碳致裂管，同時(shí)選取直徑110mm的潛孔機(jī)鉆頭進(jìn)行配套使用。相關(guān)設(shè)備數(shù)據(jù)采集見(jiàn)表1。

4.2 網(wǎng)路聯(lián)結(jié)

根據(jù)二氧化碳致裂的基本原理，使用微電流通電激活致裂管的活化劑，使其產(chǎn)生高溫將液態(tài)二氧化碳?xì)饣?。因此，?dǎo)電網(wǎng)路的連接是致裂的一個(gè)關(guān)鍵工序。由于在二氧化碳巖石致裂過(guò)程中一次多孔致裂，網(wǎng)路聯(lián)結(jié)采取并聯(lián)方式。

4.3 激發(fā)致裂

致裂是由具有致裂經(jīng)驗(yàn)的專(zhuān)業(yè)技術(shù)施工員進(jìn)行操作。相關(guān)致裂專(zhuān)業(yè)施工員檢查網(wǎng)絡(luò)確保無(wú)誤后，用導(dǎo)線把所有裝有二氧化碳的致裂器進(jìn)行串聯(lián)連接，然后一齊連接在激發(fā)器上，并將此激發(fā)器放在安全的位置，馬上將現(xiàn)場(chǎng)的所有施工人員撤離到安全區(qū)域后，再啟動(dòng)激發(fā)器的開(kāi)關(guān)，激發(fā)致裂巖石。

5 結(jié)論

綜上所述，在巖土堅(jiān)硬、巖層較厚等復(fù)雜地質(zhì)條件以及鄰近高鐵、地鐵站等不利環(huán)境下進(jìn)行石方開(kāi)挖施工，是可以采取優(yōu)越和積極的措施予以解決的。事實(shí)證明，采用二氧化碳致裂的替代方法及組合工藝設(shè)計(jì)的技術(shù)措施，能夠提高破巖速度，加快開(kāi)挖的進(jìn)度，并可以節(jié)省了施工工期，降低了施工成本。同時(shí)，創(chuàng)造性的解決了禁止采用爆破法硬巖開(kāi)挖施工的難題。