高海拔地区工程项目应用二氧化碳致裂技术浅析

丁海龙，刘典忠，娄旭峰，王树生

(中国水电基础局有限公司西藏分公司，拉萨，850000)

1 引言

二氧化碳致裂技术可广泛应用于高边坡、隧道、基坑开挖及矿山、采石等具有特殊环境要求或空间受限的诸多工程领域，是利用液态二氧化碳吸热气化时，体积急剧膨胀而产生高压，致使岩体破碎或开裂的石方爆破技术。二氧化碳致裂器设备所用的催化剂由液态二氧化碳及电化学原料配制而成，在空气中不易燃烧，不爆炸，稳定性高，释放后的二氧化碳气体为零度左右，爆破不产生冲击波、无明火，无有毒害气体，是一种物理膨胀性能致裂技术，不存在负面作用，安全性能高、操作性强、产生振动小、噪音弱，对周边环境影响甚微，不属于民爆领域，有别于传统的乳化炸药爆破。与其他常规静态爆破材料相比，效果仅次于应用乳化炸药爆破，且功效更高，综合成本相对较低，在石方明挖应用中对岩石强度要求较小，不受周边环境和有限空间的限制。在一些民居密集场所、有限空间范围、环境条件受限以及火工产品应用困难等的特殊情况下，采用二氧化碳致裂新型技术，是目前最为迫切和最为合适的施工方法，具有广阔的应用前景。

2 应用背景

某水库工程位于西藏4000m的高海拔寒冷地区，石方开挖主要包含放空输水洞、改线路、溢洪道等项目，洞挖长度130m，为2.8m×5.0m的城门洞形，石方开挖总量约35万m3，地层为宋热组第二段(T3s2)中薄层长石石英砂岩夹粉砂质板岩，表层为强～弱风化岩体，为Ⅲ～Ⅴ类围岩，其中Ⅲ类围岩较为完整，岩体坚硬，Ⅳ、Ⅴ类裂隙发育，岩体较破碎。由于工程地理位置特殊，距机场较近，属于重点安全管理区域，施工现场周边不具备修建火工产品库的条件，导致火工产品在采购、运输以及批准使用等方面极为困难，对工期影响大，花费成本高，加上库区移民还未搬迁，工程区大坝上下游范围均有当地居民居住，采用民爆方式进行石方开挖，施工安全保障难度大。

通过多方调研，二氧化碳致裂技术在国内外已有较多的应用，但主要在高边坡、沟槽和煤矿等开挖方面应用较多，在隧洞工程方面应用较少，且并无3000m以上高海拔寒冷地区应用先例。在此特殊背景下，经与有关专业人员咨询，针对在高海拔寒冷地区应用二氧化碳致裂技术进行边坡和隧洞石方开挖，组织开展了现场生产性试验，进一步验证了开挖效果和适用于高海拔地区的开挖参数，最终确定采用该项技术来完成本工程边坡和隧洞石方开挖，更有利于促进工程顺利实施，保障施工安全，降低工程成本。

3 二氧化碳致裂施工

3.1 致裂器组成及参数选择

3.1.1 施工设备及致裂器组成

二氧化碳致裂施工主要设备为灌装机、旋紧机、空压机、致裂器、低温储气罐及启动器。致裂器由泄能器、安全片、储液罐、发热装置、充装阀组成，在生产厂家购买成品致裂爆破管到现场后充装使用，致裂器见图1。

图1 二氧化碳致裂器结构

3.1.2 施工参数选择

根据致裂器外径和爆破岩体需求，有多种型号可选择，本工程施工中主要选用108型，钻孔直径130mm，二氧化碳充装量为6.5kg，单套致裂器质量达90kg，充装最大压力为10MPa。边坡石方开挖布孔间距为3m，深度根据爆破需求不同进行选择，一般为3m～6m；隧洞开挖根据围岩类别、开挖断面不同而进行布孔，主要包含周边孔、崩落孔和掏槽孔，孔深一般为1.0m～1.5m，具体施工参数应根据现场生产性试验确定，且应根据围岩类别进行调整。

3.2 二氧化碳致裂原理

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(致裂破碎筒)内，装入安全膜、破裂片、导热棒和密封圈，拧紧合金帽即完成了致裂破碎前的准备工作。

将致裂破碎筒和点火器及电源线携至致裂破碎现场，把致裂破碎筒插入钻孔中固定好，连接点火器电源。当微电流通过高导热棒时，产生800℃～1000℃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，液态的二氧化碳膨胀为600倍气态二氧化碳，产生300MPa以上的膨胀压力，冲击波致泄压阀自动打开，被致裂破碎物品或堆积物受几何级当量冲击波向外迅猛推进，从点火至结束整个过程只需0.4ms，瞬间释放高压气体断裂和松动岩石。由于是低温下运行，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。在井下致裂破碎时对瓦斯具有稀释作用，无震荡，无粉尘。二氧化碳属于惰性气体，是非易燃易爆物质，致裂破碎过程就是体积膨胀的过程，物理做功而非化学反应。

3.3 施工工艺流程及施工步骤

3.3.1 施工工艺

根据二氧化碳致裂器工作原理及施工特性，施工工艺流程主要包括：钻孔→气体充装→装致裂爆破管→填塞→连线→安全警戒→点火→检查→拔管。

3.3.2 施工步骤

3.3.2.1 钻孔

钻孔可采用潜孔钻机、哈迈钻机等设备进行，必须做到“准、平、直、齐”四要素。各致裂孔底部误差均不得大于致裂孔深度的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。

(1)操作手应掌握钻机的操作要领，熟悉和掌握设备的性能、构造原理及使用注意事项，具有熟练的操作技术，并能掌握不同性质岩石的钻凿规律。

(2)开口时对于完整的岩面，给小风不加压，应先吹净浮渣，慢慢冲击岩面，钻出空窝后，旋转钻具下钻开孔。当钻头进孔后，逐渐加大风量至全风全压快速凿岩状态。对于硬岩，应选用高质量高硬度的钻头，送全风全压，但转速不能过高，防止损坏钻头，对于软岩，应送全风加半压，每进尺1.0m～1.5m提钻吹孔一次，防止孔底积渣过多而卡孔。

(3)对于孔口岩石不稳固状态，应在钻孔过程中，采用泥浆护壁。泥浆护壁的操作程序为：致裂孔钻凿2m～3m，在孔口堆放一定量的含水粘黄泥，用钻杆上下移动，将黄泥代入孔内并浸入破碎岩缝内。

当不考虑对边坡的影响、且边孔无侧向临空时，为了克服岩体的夹制作用，边孔距离临空面尺寸应缩短0.5m～0.8m。

(4)致裂孔验收与保护

①检查致裂孔深度与孔网参数；

②复核抵抗线；

③孔中有水时不能施工；

④在验收过程中发现堵孔、深度不够，应及时补钻；

⑤每个致裂孔钻完后立即将孔口用塑料或编织袋等材料堵塞好，防止雨水或其他杂物进入致裂孔；

⑥孔口的岩石清理干净，防止掉入孔内；

⑦一个致裂区钻孔完成后尽快实施致裂。

3.3.2.2 二氧化碳充装

(1)根据二氧化碳气体致裂设备数据采集表，采用108mm致裂管，最大充气量为6.5kg，总重90kg/根，二氧化碳充装宜室外进行，室内充装应保持通风良好，检查连接管有无泄露。一旦发生头晕、心慌、恶心等症状，应立即停止工作，经通风排出污浊空气，换进新鲜空气降低CO2浓度，直到达标后方可继续充装。

(2)充装前检查低温罐的压力与存量，如果储气量在红色液位线以下，即便压力再高，也要停止充装，更换低温罐。

(3)充装前先排气，保证总进气球阀、卸荷球阀、进管球阀、充气阀都是打开的，出现干冰和白色的浓烟即可。

(4)充装到设定压力后迅速关闭各个致裂器的充气阀、进气球阀。打开卸荷球阀，将管路的压力卸到5MPa以内，关闭总进气球阀。打开每路的进气球阀保证路管内没有压力后，再松开压紧螺栓，移出。

3.3.2.3 装管

根据致裂孔深度将致裂器一节一节地装入孔内。根据临空面高度H及孔深L调整致裂器节数，最上方连接提升杆。

3.3.2.4 填塞

(1)填塞后，提升杆外露长度A：0.3m≤A≤0.5m。

(2)填塞方法

填塞材料一般采用钻屑、干燥细石粉，并将其堆放在致裂孔周围。将填塞材料慢慢放入致裂孔内，同时敲击外露提升杆部位，便于填塞材料下沉压实。亦可采用手持振动棒振动，提高填塞效率。

(3)填塞作业注意事项

①填塞材料中不得含有碎石块或潮湿石屑；

②致裂孔内有水时，在填塞过程中容易形成泥浆或悬空，使致裂器周围无法填塞密实，致裂效果不好，甚至造成致裂器从空中飞出；

③填塞过程中要防止导线砸破；

④加固处理。填塞完毕后，将每组致裂器的提升管用钢丝绳连接起来，控制个别致裂器飞散或滑落。

3.3.2.5 连接网路

导电网路的连接是一个关键工序，若一次致裂孔数较多，必须合理分区连接，以减少整个导电网路的电阻值，分区时要注意各个支路的电阻平衡，保证每个致裂器获得相同的电流值。在网路连接过程中，应利用电工用万用表检测网路电阻，网路连接完毕后，必须对网络所测电阻值与计算值进行比较，如果差别较大，应查明原因，排除故障，重新连接，网路连接的接头应用高质量绝缘胶布缠紧，保证接头质量。

3.3.2.6 点火

二氧化碳致裂法开挖安全警戒距离为40m，在完成安全警戒和人员撤离后，采用高能点火器点火。点火前，首先检查点火器是否完好正常，点火器应及时充电，保证提供足够电能，并能快速充到致裂破碎需求的电压值；在连接主线前必须对网路电阻进行检测，当警戒完成后，再次测量网路电阻值，确定正常后，才能将主线与点火器连接，然后等待点火命令；岩石致裂破碎后，及时切断电源，将主线与点火器分离。

3.3.2.7 致裂破碎后检查

致裂破碎5min后由致裂破碎工程技术人员对现场进行检查，只有在检查完毕确认安全后，才能发出解除警戒信号和允许其他人员进入施工现场。致裂破碎后检查内容包括：

(1)破碎堆是否稳定，有无危坡、危石；

(2)有无危险边坡、不稳定破碎堆、滚石和超范围塌陷；

(3)最敏感、最重要的保护对象是否安全；

(4)隧洞施工中，爆破后应进行有害气体检测。

3.3.2.8 提管

(1)提管过程中，提拉方向应与提升杆方向一致。

(2)严禁暴力操作，若提升杆不能提出，需对岩石进行二次破碎。

(3)将致裂管收回，进行二次充装使用。

3.3.2.9 大块岩石二次破碎

在致裂后，可能会产生一定数量的大块岩石，可采用机械破碎法对存在的大块岩石进行二次破碎。隧洞工程在破裂后，可能还稳定在掌子面上，则可采用挖掘机、液压破碎锤等进行冲击开挖，直到具备下次钻孔致裂爆破即可。

3.4 致裂破碎施工注意事项

(1)二氧化碳致裂破碎必须创造一个自由面，且自由面较为陡峭，坡度60°～75°为宜，其高度不应小于3m，但不能大于8m，一般5m左右为宜。

(2)隧洞工程施工中宜在底板以上先行开挖，制造一个倒悬临空面，有利于增强致裂效果和延长开挖进尺，且在不同围岩段应通过试验选择匹配的参数进行致裂。

(3)二氧化碳致裂破碎只能采用一排炮孔，若采用两排炮孔，致裂破碎效果欠佳。

(4)根据不同的岩石性质通过致裂破碎效果检验，实时调整炮孔参数。

(5)禁止在雷雨天气实施致裂破碎作业。

(6)致裂破碎筒的规格大小不同，炮孔参数也不相同。

(7)致裂破碎时一定要派出警戒人员，防止个别飞石对人员及车辆造成伤害。

(8)边坡开挖为防止飞石，可在开挖面上覆盖钢丝网和密目网等。

4 二氧化碳致裂效果分析

根据工程区海拔高、气压低的特点，结合二氧化碳致裂技术工艺原理，与二氧化碳致裂器生产厂家技术人员一起，在现场开展了针对高海拔地区边坡和隧洞石方开挖的生产性试验，选择了适宜的施工参数，分别进行了边坡石方开挖和隧洞石方洞挖施工。根据开挖效果分析，在高海拔地区采用二氧化碳致裂法石方开挖，边坡石方开挖、石方槽挖应用效果明显，隧洞开挖受空间限制，不同围岩类别爆破效果不同，围岩越硬致裂效果越差，Ⅴ类围岩开挖效果最佳，但总体受环境气温、海拔气压影响，应用效果与内地环境相比，还是存在一定的差异，主要体现在以下几个方面：

(1)为满足致裂器中二氧化碳在不同温度环境的压力要求，必须使用二氧化碳致裂器充装机将液体二氧化碳以高压充入致裂器内，以达到致裂器的致裂能量。在内地环境中，致裂器气体充装压力在5MPa～8MPa就可达到致裂效果和能量，而高海拔地区气体充装压力要达到10MPa，且致裂效果和能量比内地要小得多，分析只能达到内地的75%左右。

(2)二氧化碳爆破管的活塞环组采用泄漏很小的胀圈密封型式，活塞杆轴封采用组合式轴向预紧密封，且远离冷端，始终处于热的状态而保持弹性。受高海拔地区低气压的影响，部分爆破管在充装气体后，密封圈产生膨胀变形，致使密封不严，出现漏气现象，爆破管达不到预定的致裂效果，甚至出现哑炮现象。

(3)爆破管一般为厂家生产，由于加工焊制技术差异，部分爆破管存在焊制差，接缝漏气现象，爆破管充装达到10MPa后，压力较大，渗漏也就较大，甚至出现因充装时间长气体泄漏大，同样出现哑炮的问题。而在内地一般充气为5MPa～8MPa，气体不需要满充，管内压力相对较小，加上内地环境压差小，焊制稍差一些的爆破管也基本不存在哑炮的问题。

鉴于上述差异问题，实施中及时与厂家沟通，通过提高二氧化碳爆破管加工焊制质量，现场不能爆破的管子返厂维修，现场即充即用以及针对不同围岩类别，调整孔距和孔深等措施，提高了二氧化碳致裂技术在高海拔地区的应用效果，达到内地应用效果的85%左右，在不具备应用火工产品爆破的条件下，远比应用静态膨胀破碎剂和用破碎锤开挖法的效果明显。

5 社会经济效益

高海拔地区石方开挖采用二氧化碳致裂技术在本水库工程成功应用，促使放空输水洞工程超前完工，提前具备截流条件，推动工程总工期提前了5个月之久，产生经济效益达到了260余万元。同时该项技术的成功应用，有效推广应用到了防渗墙工程水下大块体钢筋混凝土、墙下孤石的致裂施工中，解决了防渗墙遇大块体孤石层造孔困难、容易产生孔斜的问题，提高成墙效率和施工质量，施工效果良好。

6 结语

通过本工程首次将二氧化碳致裂技术应用于高海拔地区的研究表明，二氧化碳致裂技术在高海拔地区的爆破效果和能量较内地环境要差，能达到内地施工效率的85%，但相对其他爆破法开挖，效果仅次于火工产品。一般在高海拔地区，很多区域受当地气候条件、交通运输、民爆器材管理以及区域特殊环境等影响，火工产品极其缺乏，导致工程使用爆破器材受阻，从而影响工程施工。本工程将二氧化碳致裂技术应用于隧洞石方开挖、边坡及石方槽挖、防渗墙下孤块石预裂的成功案例表明，二氧化碳致裂技术在高海拔地区具有较大的应用和推广价值，值得类似工程借鉴。