二氧化碳气体致裂配合机械法进行路基石方施工技术应用研究

李达钦

摘 要：采用二氧化碳气体致裂配合机械法施工技术对路基石方进行开挖作业，能够有效地避免对周围特殊设施造成影响，满足对特殊设施的保护要求，且受政策影响的因素更小。文章结合东莞至番禺高速公路桥头至沙田段工程施工第1合同段厚街南互通立交K55+315～K55+855段路基工程石方开挖的施工实例，介绍二氧化碳气体致裂配合机械法进行路基石方施工技术应用，可为类似工程提供借鉴参考。

关键词：二氧化碳;气体致裂;机械法;路基石方

0 前言

本文以东莞市莞番高速一期工程东莞至番禺高速公路桥头至沙田段工程施工第1合同段为依托，研究了二氧化碳气体致裂配合机械法进行路基石方施工技术应用。路基石方施工，常规的做法是采用炸药爆破配合机械凿除进行施工，但是如果受施工场地周边环境和属地政策因素的影响，将无法使用炸药爆破施工。莞番高速施工第一合同段厚街南互通立交K55+315～K55+855段为路基工程，位于山地，约有20万方石方挖方。因该路段上方高压电力线路密集，为确保电力设施的安全，供电部门不允许施工单位使用炸药进行爆破施工。但由于该项目工期较紧，且施工单位拟在该段路基施工完成后，建设一座预制梁场，因此该段路基施工工期将严重影响到项目总工期，然而上跨高压线迁改等级高，需要省级部门审批，迁改进度缓慢，等待迁改完成后再进行石方开挖不能满足工期要求，故如何在保证不影响项目工期和高压线安全的前提下，安全顺利快速地完成该段路基石方施工成为了技术难题。

施工单位在根据施工现场周边环境、现有国内施工技术条件和方案比选，采用了在煤矿中使用的二氧化碳无炸药气体致裂法、配合机械凿除的工艺进行施工，最终在保证安全和进度的前提下，圆满顺利地完成了相关施工任务。

1 工艺原理

液态二氧化碳相变致裂技术是一种理念先进、方法安全、效果显著的爆破技术，属于物理爆破技术，具有爆破过程无火花外露、威力大、无需验炮、操作简便、不属于民爆产品，其运输、储存和使用获豁免审批等优点，被广泛应用于岩体爆破、采煤、清堵、建筑物拆除等。

二氧化碳致裂器的原理：二氧化碳气体在一定的高压下可转变为液态，通过高压泵将液态的二氧化碳压缩至圆柱体容器（致裂管）内，装入破裂片、导热棒和密封圈，拧紧合金帽即完成了致裂前的准备工作。将致裂管和安全云毫差起爆器及电源线携至致裂现场，把致裂管插入钻孔中固定好，连接起爆器电源。当微电流通过高导热棒时，产生高温击穿安全膜，瞬间将液态二氧化碳气化，急剧膨胀产生高压冲击波致泄压阀自动打开，被爆破物品或堆积物受几何级当量冲击波向外迅猛推进，从起爆至结束整个过程只需0.4毫秒，且是低温下运行，与周围环境的液体，气体不相融合，不产生任何有害气体，不产生电弧和电火花，不受高温、高热、高湿、高寒影响，无震荡。二氧化碳属于惰性气体非易燃易爆物质，致裂过程就是体积膨胀的过程，物理做功而非化学反应。

经过二氧化碳气体致裂后，确认无盲炮及其他安全隐患即可解除警戒，继续进行致裂或机械法解小工作。

2 工艺优势

二氧化碳气体致裂配合机械法进行施工的优势体现在安全性能、环保效益等方面，主要优势有：

（1）二氧化碳具有本质的安全特性，从储存、运输、携带、使用等方面均十分安全。主机与致裂器材分离，从灌装至致裂结束时间较短;液态二氧化碳灌注仅需1～3分钟，起爆至结束仅需4毫秒;实施过程无哑炮，无需验炮;安全警戒距离短，无安全隐患;致裂管回收方便，可连续使用。

（2）既可定向又可延时控制，特别是在特殊环境下，如居民区、隧道、地铁、高压线下及需特别保护的设施等环境，实施过程中无破坏性震动和短波，对周围环境无破坏性影响。

（3）无需火工库，管理简便，操作易学，操作人员少，无需专业人员值守。

（4）材料来源丰富，可就地取材，化工廠、充气站都有液态二氧化碳。使用二氧化碳致裂技术能增加效益，降低成本，减少繁杂的报批审核程序和管理限制。

（5）定向泄能对周围环境不产生破坏，不产生一氧化碳及氮氧化物等有害气体。

由于本项目路基施工对高压线的保护要求高，采用二氧化碳致裂效果突出。

3 二氧化碳气体致裂配合机械法施工在本案中的具体应用

主要流程图如图1所示。

3.1 二氧化碳气体致裂配合机械法工艺操作流程

3.1.1 施工准备

（1）致裂准备与测量同步，在放线的同时，准备导线，组装致裂器，并对组装好的致裂器进行试验。

（2）致裂器装管采用直径102 mm的二氧化碳致裂器，直径120 mm潜孔钻头钻致裂器孔，孔深3 m，每孔装1根致裂器。致裂器使用前，需严格对其进行外观和结构检查。主要检查内容有：

①有无明显划痕、锈蚀及肉眼可见裂痕;

②泄能器结构应能使储液管内高压二氧化碳在达到泄放压力后充分泄放;

③试验密封性：将组装好的致裂器置于水中，观测2 min，所有连接处有无气泡溢出，无气泡溢出，则说明致裂器密封性良好;

④检查液体二氧化碳、致裂器产品合格证;

⑤检查发热装置：脚线、电阻、抗震性能、安全电流、最小发火电流、静电感度等技术指标。具体构造见图2。

（3）致裂器组装：

①将致裂器储液管放在陈列架上，将铁丝插入主管中，并使带钩的一端从主管刻字的一端伸出。然后把用铁丝勾住加热装置的导线并拉动铁丝使导线从储液管的另一端伸出;

②将定压剪切装上密封垫，并与加热装置的导线连接在一起（注意定压剪切片凸起的一端朝里）。然后拉出加热装置，使定压剪切片完全进入储液管内;

③先拧紧释放管，再拧紧充装阀，均拧到手无法拧动为止;

④将拧好的致裂器放在拆装机钳口上，并将充装阀一头插入拆装头里。然后顺时针旋转急停按钮，按下启动按钮以启动拆装机;

⑤按住夹紧按钮压力上升到 10 MPa 以上后放开。然后按住紧固按钮当压力上升至 10 MPa 时，放开紧固按钮;

⑥按住松开按钮，然后将致裂器掉头;

⑦重复步骤⑤;

⑧测量电阻，电阻在1～2欧姆为正常。

（4）致裂器充气：

①致裂器放在充装台上对好充装孔，拧紧夹紧杆并用内六角扳手打开充装阀。然后打开致裂器所对应的球阀，关闭没有致裂器的球阀;

②按下充装机上的清零键，将称重仪表清零;

③放气：每天首次工作前，需要放气，将整个管道排空。先打开充装台上的进口球阀和出口球阀。然后按下放气按钮，直到出口球阀喷出连续不断的白色气体后，关闭出口球阀;

④洗管：按下放气按钮后，关闭进口球阀然后打开出口球阀，将致裂器内的二氧化碳放出，放出一大部分后关闭出口球阀。本项操作重复两到三次;

⑤充装：关闭出口球阀后，按下增压按钮，待致裂器充满后机器会自动停止。机器停止后，用内六角扳手将致裂器的充装阀关闭，然后关闭进口球阀，再打开出口球阀将多余气体放出;

⑥测试密封性：将致裂器的充装阀和释放管分别放入水中，确保没有大量气泡。

3.1.2 布孔设计

根据工程特点、岩石性质、临空面间距、边坡坡率等分别布置，本工程因存在大量花岗岩孤石，根据现场实际情况进行布孔设计：钻孔直径为120 mm，孔深3 m，孔距1 m～1.5 m，每次放20炮，每天放4～5次，可出料600～800方。

3.1.3 鉆孔

钻孔采用潜孔钻，各致裂孔底部误差不得大于设计深度的5%，致裂孔出现深度不够，少孔或间距出入太大时一律按规定进行补钻。边坡致裂孔施工时，根据边坡坡率，最外一排孔设置成与坡比一致的斜孔。

3.1.4 计算二氧化碳与充装

根据工程特点，岩石性质，台阶高度及临空面间距，致裂管孔径以及直列顺序分别计算每孔致裂管二氧化碳充装数量，并在致裂管上标注直列顺序。常规采用致裂管直径102 mm，每根致裂管二氧化碳灌装量控制在6 kg左右。

3.1.5 清孔

致裂孔成型后，装管前要对致裂孔进行检查，一是检查致裂孔内杂质是否清理干净，二是检查致裂孔是否符合致裂参数设计要求的深度、孔距、排距等。

3.1.6 填塞

致裂孔填塞时要选用理想的填塞物，采用小石子或砂砾，致裂孔有水时要排水后方可作业。填塞时要边填塞边用炮杆将填塞物捣实，绝对避免在填塞时造成致裂孔卡堵，填塞不实的现象，一旦出现致裂孔卡堵填塞不实的情况，操作员必须做好标记，并报告作业班长，致裂前要做好充分的覆盖措施，严防引发飞石事故。禁止装管后无填塞致裂。

3.1.7 致裂管连接固定

用尼龙绳对所有致裂管进行第一道连接固定，然后再用钢丝绳进行第二道连接固定，采用双保险，确保致裂管处于整体状态，在受到强劲冲力后不会单个飞出，造成安全事故。

3.1.8 网路联结

网路联结由有经验的技术员操作，采取串联方式。网路联结完成后，由专人逐个检查每根致裂管的电阻，确保网路的连通性良好。

3.1.9 覆盖

为保证施工区域上方高压线的绝对安全，致裂前对致裂区域进行全覆盖，防止飞石对高压线的破坏，是整个施工过程的关键。

根据以往的施工经验以及对高压线特殊保护的要求，采取三道覆盖保护，所需材料有：胶桶、废旧输送带、蓬布、绳网等。通过试验，以下两种覆盖方法效果较为理想。

（1）覆盖层组合：胶桶+蓬布+绳网。将容量200 L的胶油桶中间切断做两半，每半的高度50 cm，并在桶无盖端刻U型槽，致裂管第一道尼龙绳连接固定时，尽量贴地，第二道钢丝绳连接固定时，不要绷紧，然后每根致裂管上套一个胶桶，尼龙绳和钢丝绳置于胶桶的U型槽内，用尼龙绳连接胶桶;在胶桶连接完成后，在上面覆盖蓬布（帆布），要求致裂区域全部覆盖;盖好蓬布后，在蓬布上再盖一张尼龙绳网，尼龙绳网用拉绳固定在四周的大石上，用尼龙绳网的好处是防止蓬布被致裂时产生的气浪掀翻，另外，因尼龙绳的弹性，致裂瞬间岩体裂开体积膨胀时，绳网不致于绷断，并起到缓冲作用。

（2）覆盖层组合：胶皮+蓬布+绳网。此种方法是利用宽度1 m左右的废旧输送带，切割成四方形，然后在其中央部位割一个约105 mm的圆孔（致裂管直径102 mm），在装管前套在致裂管上，蓬布和尼龙绳网的覆盖同上。

3.1.10 警戒

以致裂作业区为中心，50 m范围内区域为致裂警戒范围，作业时无关人员禁止进入，致裂警戒范围再向外辐射至附近的进山口，均须设警戒点，致裂时，人员和机械均需撤至警戒区以外，致裂后经检查，确认安全并经致裂负责人准许方可撤除警戒。

3.1.11 致裂

致裂由有经验的致裂施工员操作，前面各项工作做完之后，派有经验的致裂施工员检查网络，清理施工现场，一切机械和人员撤至安全地点，由致裂负责人发布起爆指令后方可致裂。

3.1.12 机械法解小

路基石质路堑经过二氧化碳气体致裂后，岩体被分为适当厚度的石块。可以采用PC360炮机进行机械法解小作业，然后采用汽车将解小的石块运出施工现场。

3.2 二氧化碳气体致裂配合机械法工艺操作要点

（1）精确布孔是首要的关键，必须保证路基边坡不受破坏，钻孔工人应严格按设计施工，并接受现场技术人员的指导监督。所有的致裂孔均应经过检查验收后才能装管。钻孔时，必须注意各级边坡的坡率，根据设计坡比布设斜孔，防止掏空边坡，破坏边坡的稳定性。

（2）装管前检查孔位、孔深、孔距等参数，包括孔深、倾斜度是否满足要求，孔内有无杂物积水，致裂孔间距等。

（3）堵塞应保证长度和密实度，不得堵入石块，采用小石子和砂砾，注意保护起爆网路。采用串联法时，联结完后，必须逐根检查电阻，保证网路连通良好。

（4）致裂前十五分钟，开始警戒，致裂区周围的人员及器具撤出危险区，警戒完毕后等待起爆令。致裂后进行安全检查，确定无危险因素，解除警戒。覆盖措施必须落实到位，杜绝飞石，保证高压线的安全。

4 效益分析

该工法与常规土石方爆破工法相比，具有以下优势和效益：

4.1 施工组织

由于二氧化碳不同于火药，火药的使用前需要报公安机关报批，并受公安机关严格监管，而二氧化碳为非爆炸物品，非危化品，无需报公安机关审批，省去繁琐程序。二氧化碳供应极其便利，选取专业化队伍，施工组织方便。施工环境要求不高，对周边环境影响也小。相比于常规火药爆破施工，气体致裂更加安全、高效，且由于莞番一标项目工期紧、任务重，采用该施工方法，较高压线迁改后爆破施工节约工期约7个月。

4.2 施工质量

由于气体致裂可以根据孔眼布设以及致裂器选择，可定向又可延时控制，减小因爆破对山体的影响，同时可以保质保量的完成施工任务，达到了预期的效果。

4.3 施工安全

二氧化碳的物理、化学特性优越，非常安全。二氧化碳的化学性质不活泼，热稳定性很高，通常也不支持燃烧。因此，整个爆破过程中，只是液态二氧化碳到气态二氧化碳的相变变化，不产生新的有害气体和有害物质，与炸药爆破产生大量的一氧化碳等有害氣体不同，二氧化碳致裂是物理反应过程，在地面爆破完全没有危害，根据多个爆破工程的检测，一米高度以上从来没有超标的有害气体。

4.4 施工节能、环保及社会经济效益

二氧化碳获得便利，且不消耗其他能源，不发生任何化学反应，制作仅为物理反应。从物理角度来看，由于二氧化碳临界温度很高，液化难度低，运输储存容易。二氧化碳不会污染大气环境，从液态二氧化碳气化成二氧化碳气体，不产生其他有害气体、有害物质以及大量粉尘，对周边环境和住户的日常生活没有影响。二氧化碳采用的是化工厂或者是燃煤燃油等电厂的废气，是废气的再利用。它是已经存在的物品，不用再消耗能源去生产，因此，不像炸药和其他气体生产会造成新的污染。二氧化碳致裂的噪音很小，震动很小，基本没有噪音污染，可以用于严禁使用炸药的其他工程项目。

5 结语

综上所述，二氧化碳气体致裂配合机械法施工工艺成功应用于东莞至番禺高速公路桥头至沙田段工程施工第1合同段K55+315～K55+880段路基石方施工，有效地促进了现场的施工安全、进度控制，确保了特殊设施（电力塔）的整体安全，减小了施工对山体的扰动影响，节约了工期，提高了项目的经济效益、社会效益和环境效益。该方法安全性突出，特别适用于硬度较大的石方及受限于特殊环境的施工现场，具有着较高的可靠性和实用性，是促进社会可持续发展的有效技术性措施，值得在类似工程项目推广应用。

参考文献：

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