马艳卫 张德忠

(中铁隧道集团一处有限公司，重庆 401123)

0 引言

目前，国内地铁硬岩基坑开挖采用的开挖方式主要有控制爆破、机械破碎、静态致裂、劈裂、切割等。机械破碎在岩石强度高的情况下开挖难度大、施工效率低；爆破作业产生的振动、飞石对周边环境影响大，且火工品危险性高、市政工程中审批及使用难度大；静态致裂作业循环时间长，施工效率低、成本高；劈裂开挖和切割对岩体及作业面要求高，适用范围有限且效率不高。在爆破作业受限的环境中，低强度岩体可采用液压破碎锤、钩机等开挖，少量硬岩可采用静态致裂及劈裂等方法，大体量高强度岩体开挖采用上述方法工效太低。在周边环境复杂的基坑开挖中爆破方法会极大受限，其余几种开挖方法在施工条件及施工效率方面均存在很大的局限性。

二氧化碳致裂技术最早为国外研究发现，英国的CARDOX公司开发研制了二氧化碳致裂器，称为Cardox Tube System，该技术被用于高瓦斯矿井采煤。20世纪80年代，该技术迅速发展，逐步应用到爆破震源、金属制品成型、地下矿山、露天矿山开采等领域，成为一种有潜力的新型爆破器材。20世纪90年代，我国煤矿开始引进该项技术，也主要在采矿领域，21世纪随着煤矿对该技术的淘汰，慢慢移植到露天岩石破碎领域。

1 二氧化碳致裂技术原理

二氧化碳致裂技术是利用液态二氧化碳吸热体积瞬间膨胀的原理，将液态二氧化碳通过高压低温充装设备注入到二氧化碳储液钢管(也称致裂主管)内，并保持储液管内液态二氧化碳压力在5 MPa～9 MPa。将致裂管和起爆器通过电源线连接，把致裂管插入钻孔中固定好，启动起爆器，触发加热装置产生大量热量，使管内液态二氧化碳瞬间气化(二氧化碳液、气变化临界温度：31.06 ℃，临界压力：7.383 MPa，当温度高于31 ℃时液态二氧化碳会迅速气化)体积膨胀600倍，当管内气体压力超过泄压释能片极限强度(可设定)时，气体冲破泄压释能片，从泄能孔释放出来，瞬间产生强大的气团冲击力，沿着目标体自然裂隙冲开物料并将其推离主体，从而达到预裂松动的目的。致裂棒构造详见图1。

2 二氧化碳致裂施工工艺

二氧化碳致裂施工工序主要为致裂管灌装、钻孔、致裂管安装、填塞、连接覆盖、起爆、拔管、破碎。

2.1 致裂管充装

1)安装起爆药卷和泄能片。

将致裂管运送至旋头机，检测充装头绝缘性良好后安装充装头和泄能头，旋头机旋紧，运送至充装器。

2)充装二氧化碳。

分两次进行，首次充装少量液态二氧化碳，保证压力不小于1.0 MPa，静置等待致裂管冷却后二次充装，二次充装时直接加压至8 MPa，致裂管装管完毕。

2.2 现场准备、布孔

1)清除岩层上覆土层及上部强风化岩层，机械开挖3 m高临空面。

2)机械进场及出渣马道修整，合理安排钻孔机械和出渣车辆的场位，考虑致裂管的吊装净空。

3)致裂孔的间距根据需要开挖的岩石强度、裂隙发育情况、致裂器规格以及作业区域临空面情况进行设定。具体布孔原则如表1所示。

表1 二氧化碳致裂布孔参数表

2.3 钻孔、清孔检查

1)采用潜孔钻机钻孔，孔为垂直孔，孔底位移统一水平面上。钻孔完成后采用高压风清孔，按照致裂管前确保孔口周边清理干净。

2)清孔完毕后对钻孔进行验收。主要是检查孔深度、孔距和排距，另外是孔内有水或石渣。

3)若孔内含泥量过大则需要将孔废弃在旁边重新钻孔。

2.4 安装致裂管

1)装管前在孔底填充50 cm厚米石作缓冲层，防止致裂管向上冲出。

2)下管后，将致裂器与孔壁之间的空隙用米石填塞，填筑时使用振动棒振动致裂管，保证填充密实。

3)致裂管安装完毕后采用导线将所有致裂管串联连接，连接完毕后使用万能电表检测整个线路，确认线路连接良好。

2.5 连接覆盖

1)安装完成后采用22 mm直径钢丝绳将所有致裂管串联，每管来回串连两次，将所有致裂管连接成整体。

2)采用橡胶制作的2.0 m×2.0 m规格的炮被将作业面及周边3 m全部覆盖，防止致裂产生飞石。

2.6 击发

现场警戒，将起爆引线与起爆器连接，现场负责人确认警戒范围内安全后下达充电命令，开始充电，再次确认周边环境无影响后起爆。

2.7 提管、破碎

移除炮被，取掉连接的钢丝绳，挖掘机进场将致裂管拔出，若部分致裂管被岩石卡住无法拔出则需要先将周边岩石破碎后再拔。

致裂后对裂开的岩石采用液压破碎锤进行破碎，岩块破碎至满足装渣运输要求。

3 二氧化碳致裂在基坑开挖中的应用

3.1 工程概况

大连地铁后关村站为地下2层三柱四跨车站，长度349 m，宽度42.9 m，采用明挖法施工，基坑深度约20 m，基坑范围内地层主要为中风化石灰岩，岩石开挖方量约30万m3，岩石强度最高81.8 MPa，由于紧邻哈大高铁，主体基坑边缘距离哈大高铁最近距离为44 m，无法进行爆破作业。

基坑于2017年10月1日开始开挖，首先采用了挖掘机+液压破碎锤进行开挖，在中风化岩层中开挖进度缓慢，后采取了膨胀剂及劈裂棒致裂等手段辅助挖掘机开挖，但效率均较低，无法达到计划的开挖进度，在通过充分调研后项目于2018年3月引进二氧化碳致裂施工方法，开挖效率明显提升，至2018年4月底完成公路管理处基坑开挖。

3.2 致裂技术方案

后关村站公路管理处基坑尺寸为54 m×48 m，基坑深度20 m，在基坑东南角设置出渣坡道，因此基坑由西向东、由北向南分块分层进行开挖，开挖顺序如图2所示。

施工分别采用直径122 mm长度5 m和直径95 mm长度3 m两种规格致裂管，为保护基坑边坡在靠近边坡3 m范围内使用φ95 mm致裂管，钻孔深度3 m，孔距1.8 m，排距1.4 m；基坑中部采用φ122 mm致裂管，孔距2.5 m，排距2 m，每次根据作业面情况致裂20个～40个孔。

每天仅白天作业，晚上出渣，致裂管作业当天在工厂根据现场需要灌装，打孔完毕后运输至现场安装致裂，每天作业2个循环，每循环致裂200 m3～500 m3。

3.3 资源配置

3.3.1人员配置

施工投入作业人员主要为设备司机、致裂管灌装及安装人员，具体人员配置见表2。

表2 作业人员配置表

3.3.2设备配置

施工投入设备为传统土石方开挖设备，具体设备配置见表3。

表3 主要设备配置表

3.4 工效情况

二氧化碳致裂开始时间为2018.3.11，完成时间为2018.4.25，共计45 d，共开挖岩石28 300 m3，除去未工作时间平均每天开挖量约为747 m3；同样使用3台挖掘机单纯液压破碎锤开挖平均每天开挖量为260 m3，使用二氧化碳致裂后的开挖工效提升到单纯机械破碎的3倍。

4 结语

二氧化碳致裂过程中孔内产生的气体压力远低于炸药爆炸产生的压力，过程中产生的振动及飞石情况也远小于爆破作业，所需的材料主要为液态二氧化碳，获取方便，运输及使用安全性高，不属于爆破物品，使用灵活，施工效率较其他非爆开挖方法高，在复杂环境下的岩石基坑开挖中可以借鉴使用。