液态CO2相变破岩技术在地铁基坑开挖中的应用

李启月，刘小雄，吴正宇，谢晓锋



液态CO2相变破岩技术在地铁基坑开挖中的应用

李启月，刘小雄，吴正宇，谢晓锋

(中南大学 资源与安全工程学院，湖南 长沙 410083)

针对硬岩地质的地铁基坑开挖工程，传统的炸药破岩技术存在着炸药审批困难、储存运输风险高和爆破能量难以控制等问题。为解决上述问题，以长沙某地铁基坑开挖工程为背景，运用液态CO2相变破岩技术替代传统炸药爆破进行破岩开挖，并对其破岩效果和安全性进行分析与监测。研究结果表明：液态CO2相变破岩技术在破岩效果上能替代传统炸药爆破的方式，在安全性上符合爆破安全规程规定，可在类似硬质岩体的开挖工程中推广使用。

液态CO2相变破岩；地铁基坑开挖；监测分析

在地铁基坑开挖过程中，常常遇到无法直接机械开挖的硬质地段。在处理该问题时，通常采用炸药爆破方案进行破岩开挖。但随着地铁基坑工程周围环境条件日益复杂，传统的爆破方案出现了受限条件多和安全隐患高等问题[1−3]。因此，寻求一种新的能够克服传统炸药爆破弊端、满足地铁基坑开挖中破岩需求的技术方法就显得迫在眉睫。液态CO2相变破岩技术起源于20世纪60~70年代，由于其可以有效替代炸药爆破，避免煤矿中瓦斯爆炸危险，因此主要运用于高瓦斯煤矿开采。直至20世纪80年代，Singh[4]在PCF(Penetrating Cone Fracture)理念中指出液态CO2相变破岩技术没有炸药爆破制约，可高效率持续作业，适用于岩石开挖。20世纪90年代开始，徐颖[5]开展该技术的破煤机理模型及系统等相关研究，液态CO2相变破岩技术作为一种安全高效的破岩方法，逐步成功应用于煤层増透[6]、瓦斯抽取[7]、放顶[8]和煤矿掘进[9]等煤矿工程。上述的应用结果表明，液态CO2相变破岩技术安全可靠，在破岩效果上可成功替代传统的炸药爆破，理论上完全满足地铁基坑开挖工程中的破岩需求。因此，本文在长沙某地铁基坑开挖中运用液态CO2相变破岩技术开挖岩体，并设计孔网参数、测振方案及具体施工工艺，分析监控量测数据，论证其现场破岩效果及安全可靠性，为液态CO2相变破岩技术在地铁基坑开挖工程中的实施和类似条件下的破岩工程应用提供参考。

1 液态CO2相变破岩技术

液态CO2相变破岩技术实质上为呈液态的二氧化碳受热后迅速气化，物理相变做功以致周边岩体破裂的过程。工作时，将充装有液态二氧化碳的相变管置于破岩孔内，连接起爆网络并激发管内加热器，二氧化碳迅速受热气化，体积膨胀，管内压力剧增，最大可达300 MPa。当管内高压超过定压剪切片临界强度时，气体会冲破剪切片，经由泄能头释放，冲击、压缩周围岩石介质，引起近区岩石的压缩变形、径向位移，形成切向拉应力产生径向裂隙，同时，压缩变形、径向位移过程中积蓄的弹性变性能释放，形成朝向泄能中心的径向拉应力，在已形成的径向裂隙间产生环状裂隙；期间，CO2气体渗入裂隙内，发挥气楔作用，使裂隙进一步扩展、逐步相互贯通。整个破岩过程不超过1 s，具体工作原理如图1所示。

液态CO2相变破岩技术主要特点包括：1)能量源为CO2，限制少，来源广泛；2)CO2属于惰性气体，抑燃抑爆，无毒害；3)处于相变管内的液态CO2相变仅由内置加热器启动，充装储存运输及使用时的安全性高；4)反应过程处于密闭空间，不受破岩环境的高温、高热、高湿和高寒等影响；5)气爆压力可由定压剪切片的厚度控制以满足不同的破岩要求；6)破岩完毕后的二氧化碳相变管可回收重复利用；7)破岩效果可观等。

图1 液态CO2相变破岩的工作原理图

2 地铁基坑开挖应用

2.1 工程背景概况

长沙某地铁站台基坑开挖工程沿南北向布置。基坑区域地质条件较为简单，坚固性系数为5~8，上层土体以黏土为主，下覆基岩为板岩。具体地质条件如表1所示。

基坑工程周边控制性建(构)筑物繁多，环境条件复杂，主要控制性建(构)筑物分布示意图如图2所示。基坑东侧布置有越野摩托车赛场，距离基坑最近处只有13.21 m；基坑西北侧为民用住房，距离基坑边最近处仅为16.18 m；基坑南侧为福元路湘江大桥，最近桥墩距离基坑约21.5 m。

表1 地层特性简表

图2 周边环境平面布置图

该基坑工程处硬岩地段，其地质条件无法实现直接机械开挖，同时基坑周边环境复杂，传统的炸药爆破存在作业危险，震动损害，污染环境等隐患。因此引进二氧化碳相变破岩这一安全高效的技术进行破岩开挖。

2.2 方案设计与实施

依照工程要求，沿基坑北面向南面开挖推进。破岩方案采用“横向分区，纵向分段”的方式，充分运用侧向自由面提高破碎效果，单段破岩中的2个开挖工作面分别称为第1破岩区和第2破岩区。工程采用73型二氧化碳相变管，该管的具体参数如表2所示。由于目前液态CO2相变破岩技术的理论研究尚浅，董庆祥等[10]认为二氧化碳相变破岩时释放能量可以等效为一定质量下炸药爆破时释放的能量。因此参考传统炸药爆破设计理论及施工方案进行该地铁基坑开挖工程的孔网参数设计。通过计算可知单根73型二氧化碳相变管的相变所释放能量等同0.383 7 kgTNT爆破所释放的能量，参考露天台阶中深孔爆破的孔网参数设计公式[11]，求得孔网参数如表3所示，其具体孔网布置示意图如图3所示。

表2 73型相变管参数表

表3 孔网参数设计表

具体施工方式为：依次按照如图4所示的工艺流程，采用配备型号37scf-8螺杆空压机和kt100潜孔钻，根据设计方案进行钻孔施工，在钻孔操作时，注意清理干净作业台阶表面浮渣及破碎自由面；钻孔后利用纤维袋堵好孔口，防止杂屑进入；使用万用表检查相变管的导通性，然后按照2根相变管和1根提拉杆标准布置于钻孔内；采用预先准备的黄沙、钻屑配合手持振动设备填塞密实，并覆盖防爆毯以阻止飞石细屑。依据破岩钻孔数量，采用串联起爆网络，检验支路电阻平衡；确认人员位置后，按哨声命令起爆；专业爆破人员首先入场，确认是否存在安全隐患；清理炮被后，沿提拉管方向拔出相变管，杜绝暴力拔管影响重复使用；同时查看岩石破碎效果，判断是否需要二次破碎；最后，挖机铲车入场完成一次循环作业。

图3 孔网布置示意图

图4 工艺流程图

3 破岩有效性与安全性分析

3.1 破岩效果及分析

参考相关文献[12]，结合液态CO2相变破岩技术特点，考虑岩石破碎质量、对环境影响和技术经济效益3方面影响，以岩石块度、根底率、飞石距离、噪音污染、综合破岩成本、CO2单耗(即破碎单位岩体的CO2消耗量)和单段破岩开挖方量7个因素作为评价指标，分析评价该地铁基坑开挖工程中液态CO2相变破岩技术的破岩效果，得到评价结果如表4所示。

表4 液态CO2相变破岩效果评价表

二氧化碳相变破岩后，破岩孔周边岩体破碎明显，岩石块度分布较为均匀，无需2次破碎，满足现场运力要求；现场无飞石，扬尘少，无毒害气体生成，距标段16 m处实测声音强度不到76 db；单段破岩开挖方量约155 m3，消耗CO2量约25.6 kg，其中第1破岩区或第2破岩区开挖方量均可达到75 m3，消耗CO2量约为12.8 kg，综合破岩成本略高于爆破施工。

分析上述结果可知，虽然液态CO2相变破岩技术的综合破岩成本目前略高于传统的炸药爆破技术，但是比炸药爆破受到的限制少，无飞石、无污染，能很好的满足复杂城区条件下地铁基坑开挖工程中的破岩效果需求。

3.2 安全分析

为了分析液态CO2相变破岩技术引起的振动是否对周边建(构)筑物造成安全影响，参照爆破安全规程规定[13]，以最大振速标准作为安全判据[14]。同时，由于目前没有针对液态CO2相变破岩技术的振动监测方案，参考传统炸药爆破方案振动监测经验[15]，提出沿破岩孔周边水平一线布置3个监测点，垂直破岩孔一线布置4个监测点的测振方案，其测点相对位置如图5所示，采用NUBOX-8016爆破振动智能监测仪进行监测，测振结果如图6所示。

图5 振动监测布置图

由图6可知，距离震源4 m处的质点振动峰值速度已经低于规定为2.5 cm/s的安全允许峰值，符合爆破安全规程规定。同时，本工程中保护近区的主要构筑物为地下连续墙，其距基坑中震源最近处距离约为4~5 m；周边最近的控制性建筑为西北侧的民用住房，其最近处距基坑已达13 m左右。因此，该地铁基坑开挖工程采用液态CO2相变破岩技术进行破岩时对周边控制性建(构)筑物的振动影响符合规程规定，安全度高。

图6 振动监测结果

4 结论

1) 液态CO2相变破岩技术成功应用于长沙某地铁基坑开挖工程，为类似硬质岩体的基坑开挖工程提供了新的破岩思路。

2) 参考传统炸药爆破方案和已有文献，设计了液态CO2相变破岩技术的孔深、孔径、孔间距等具体孔网参数以及管件安装、封孔操作等现场施工工艺。

3) 现场监测结果显示，液态CO2相变破岩时，现场无飞石，无污染，岩石块度满足运力要求，在破岩效果上可以替代传统的炸药爆破技术。

4) 结合传统炸药爆破监测经验和液态CO2相变破岩技术特点，提出了一种适合该孔网参数下液态CO2相变破岩技术的测振分析方案。分析结果表明，约12.8 kg的液态CO2相变破岩时，距离震源4 m处的质点振动峰值速度低于2.5 cm/s，符合爆破安全规程规定。

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Application of liquid CO2phase change rock breaking technology in metro foundation pit excavation

LI Qiyue, LIU Xiaoxiong, WU Zhengyu, XIE Xiaofeng

(School of Resources and Safety Engineering, Central South University, Changsha 410083, China)

In the subway excavation project of hard rock geology, the traditional explosive breaking technology has the problems such as the difficulty of the examination and approval, the high storage and transportation risk, and the difficult control of blasting energy and so on. Aimed at the above problems, the Changsha subway excavation project as the background, the liquid CO2phase change rock breaking technology was used to replace the traditional blasting for rock excavation, rock breaking efficiency and safety were analyzed and monitored. The results show that the liquid CO2phase change rock breaking technology can replace the traditional explosive blasting method in rock breaking efficiency, comply with safety regulations for blasting in safety, and can be used in similar hard rock excavation engineering application.

liquid CO2phase change rock breaking; metro foundation pit excavation; monitoring and analysis

U455.5

A

1672 − 7029(2018)01 − 0163 − 07

2016−11−23

国家自然科学基金资助项目(51374243，41372278)

李启月(1968−)，男，湖南衡阳人，教授，博士，从事安全与爆破研究；E−mail：596860377@qq.com