二氧化碳气体致裂施工关键技术改进与应用

叶 靖

(中国水利水电第八工程局有限公司，湖南 长沙 410004)

1 工程概况

贵州省安顺市“人和苑”项目南邻黄果树大道，西邻安顺市人民医院，东临“家运天城”小区。该项目由1#～8#塔楼及S1、S2裙楼组成，建设用地总面积36591.0 m2，总建筑面积198740.40 m2。本工程主体结构为框剪结构，建筑统一设置-2F地下室，设计±0.00标高为1358.10 m，地下室底板标高划分为1349.30 m和1348.80 m两个区域。

本工程重要性及场地复杂等级都比较高，岩土工程勘察等级为甲级。基坑开挖深度为9～10 m，石方开挖量23万m3，周边有重要构筑物，如果破坏后果较严重。

2 气体致裂原理

二氧化碳气体裂岩原理，就是利用二氧化碳3种形态转化，通过温度控制，二氧化碳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储液管内，装入定压剪切片、发热装置及密封装置，并拧紧合金帽等装置，完成了爆破前的所有准备工作。工程现场将致裂管和起爆装置器及足够长电源线携至致裂现场，由于致裂管较重且较长，借助现场挖掘机破碎头吊入钻孔中固定好，然后用瓜米石填充，振捣器振动辅助，将其密实。各项准备后连接起爆装置电源。当电流通过高导热装置时，短时间内产生高温并立马击穿安全膜，瞬间将液态二氧化碳变成气体，气体过程急剧膨胀，并产生高压冲击波致定压剪切片自动打开，岩石被瞬间冲击波向外迅猛推进，导致基岩破裂，从起爆至整个结束过程时间极短，只需0.4ms，且受周围环境影响较小，二氧化碳属于惰性气体非易燃易爆物质，与周围环境的空气不相融合，爆破过程就是体积膨的过程，不产生任何有害气体。

3 致裂器的基本结构

二氧化碳气体致裂管如图1 所示。

图1 二氧化碳气体致裂管示意

(1)充装阀。注入储液管液态二氧化碳的开关，充装放置带有计量装置，待注入至规定重量时关闭，要求有良好的密封性能，采取面接触式密封。

(2)发热装置。由启动器、发热材料、保护罩或支架组成，为储液管内液态二氧化碳气化提供热能的装置。

(3)储液管。采用高强度合金钢材制作的耐高压(≥300 MPa)、耐高温(≥1800 ℃)管式容器，用于储存规定重量二氧化碳。

(4)定压剪切片。定压剪切片是指储液管气体压力超过材料剪切压力时迅速破裂的预设压力原件，也是控制卸能压力的零件，可通过使用不同规格的剪切片得到不同的释放压力。

(5)释放管。释放管指储液管气体压力造成定压剪切片破裂，高压气体瞬间从管中喷射出来的原件。

4 致裂的比选

爆破法是最传统、最主流的方法，具有快速、经济等优点，但同时爆破易产生飞石、振动、粉尘、噪音等，爆破飞石、噪音可通过控制单耗以及加强防护等措施控制，爆破振动可通过采用数码电子雷管控制单孔单段药量进行控制，爆破粉尘可采用喷雾进行控制，这些措施的采用将使爆破成本增加。最主要的是目前爆破器材管理严格，单次爆破炸药的运输成本至少2000元，且器材供应时间不可控，对于小规模爆破已不具备经济、快速等优点。

膨胀剂静态破碎，具有无声、无振动等特点，然而施工效率低、施工条件恶劣、施工成本高，不利于大规模作业，特别是在岩土中，膨胀剂将沿孔壁裂缝流入岩体，导致保护区的破裂，仅适合振动、飞石、粉尘控制要求极严的部位开挖。

液压锤机械破碎，具有作业人员劳动强度低、基本无飞石等特点，但持续噪声及粉尘对环境污染大，对工作面有一定要求，不适合小洞子等狭窄地段施工。

二氧化碳相变致裂破岩是近年引入国内并推广使用的破岩技术。该技术具有快速、安全等特点，由于二氧化碳相变致裂在孔内产生的气体压力远低于同孔量常规爆炸在孔内产生的压力，因此，破岩过程中产生的飞石、粉尘及振动远低于爆破所产生的飞石、粉尘及振动，且不产生有毒有害气体。适合环境复杂，对振动、飞石、噪声及粉尘控制要求严格的区域施工。

本项目周边建筑全部建设完成，且距离较近，为确保施工安全，且工期要求紧。如采用钻爆方式每次爆破流程较长，而且离建筑物及铁轨较近，很大可能无法完成，且钻爆所产生的噪音、震动、飞石、粉尘较大，会直接影响到电厂内建筑物及职工的日常生活、办公。根据类似工程经验，拟采用二氧化碳相变致裂破岩技术对岩石进行施工。

5 致裂试验情况

经实地勘查，该致裂区域的基岩为岩溶化原山地，属典型的喀斯特峰丛、峰林，主要为溶蚀山间槽谷地貌，其间锥状峰林与平坦开阔的溶丘平地、溶蚀坝地广布，总体地势高差不大。岩石钙质胶结良好，岩石分布不匀，节理错乱，呈不规则形态产状，部分区域有岩溶水溢出。岩体为中硬岩石，普氏岩石系数f=8～12。待致裂区出露地层有：第四系、二叠系上统、二叠系下统，石炭系下统；区内构造为断裂，大都为隐伏断层，受岩性和构造影响，局部地段岩体破碎，岩石性质为泥质砂岩，出露基岩为石灰岩，地表土覆盖层一般厚度在1.5～4 m之间，分布不均匀。

5.1 试验目的

由于基坑周边建筑物密集，特别是市人民医院建筑物距施工边线最小距离十几米，经几种常规爆破施工工艺，不能满足现场安全需要，通过二氧化碳气体致裂关键技术改进的试验，调整各项参数，是否能解决硬岩开挖难题。通过试验确定临空面、钻孔孔深、孔距、装管长度和堵塞长度等相关参数，为分析和提高二氧化碳气体致裂工效提供各项数据。通过试验检测该致裂各项参数对周边震动、飞石、污染、噪音等的影响。

5.2 试验参数

本次试验块选取人工预先凿好临空面且具有代表性，本工程采用致裂管参数为：选用122型致裂管，充装的二氧化碳重量为9.9 kg，以及配选108型致裂管，充装的二氧化碳重量为6.8 kg，本项目单耗二氧化碳量为0.3～0.45 kg，本工程综合致裂方量约为35 m3/管。致裂工作面及钻孔等参数拟采用以下参数：①预造台阶深度：H=4.5 m；②超孔孔深：h=0.5 m；③钻孔总深度：L=H+h=5.0 m；④孔间距：a=(0.4～0.6)L，在此取2.5 m;⑤排距：b=2～2.5 m;⑥最小抵抗线：Wm=2.5～3 m;⑦堵塞长度：ho=2.1 m;⑧装管长度：h1=2.5 m(图2)。

图2 钻孔布置平面示意及台阶钻孔布置剖面

5.3 致裂振动安全振速的计算、校核

此项目施工现场区域，综合考虑周边建筑物的重要性，对致裂作业环境相求较为严格，主要对破碎后产生飞石的控制要求极高，每次致裂的震源与需保护目标之间的距离是已知的，施工时必须采取切实可行的安全防范措施，本项目主要保护对象所在地两个指标即：基础质点峰值振动速度和主振动频率，在致裂前专业人员计算出致裂时致裂最大单段致裂量及允许的最大致裂量，其公式结合二氧化碳致烈的测量结果，结合此数据(第一个点距离40 m，测震0.2，第二个点距离17.5 m，测震0.2，第三个点的距离22 m。测震0.3)

在本工程中，分别对周围建筑物和管线进行单段允许药量核算如下：V=1.5 cm/s(图3)。

5.4 致裂效果

本次二氧化碳气体致裂试验效果非常明显，试验区域岩层全部破除，致裂效果图片如图4 所示。

5.5 试验总结

(1)试验结果表明气体致裂能力基本满足中风化岩层施工要求，可操作性强，工艺简单。本次试验通过试验发现该裂岩方法对基坑周边震动、飞石、污染、噪音等的影响等较小，二氧化碳致裂可控性比普通爆破好很多。

(2)采用二氧化碳气体致裂施工关键技术改进，工艺简单，对中风化岩层致裂效果总体受控，达到预先效果且对周边环境影响较小。满足本工程石方总体开挖进度，同时也能满足周边建筑物安全性要求，同时对推广市政建筑及无法使用爆破施工的石方开挖起到了一定借鉴作用。

6 致裂参数优化研究

6.1 致裂影响因素

①钻孔内有积水：容易导致致裂管飞管；②致裂岩层有裂隙：导致漏气，致裂效果不佳，易产生大体积块石；③致裂延时问题：目前采取单排或双排致裂施工，效率不高；④致裂临空面及爆破方向：目前是垂直方向致裂施工，水平致裂易产生飞石，无足够临空面会导致致裂效果不佳。

图3 致裂振动速率现场数据采集

图4 二氧化碳气体致裂试验效果

6.2 致裂工作面的现场参数改进优化

液态二氧化碳相变致裂技术通过在本项目的实施应用，发现了影响或制约致裂效果的因素，如孔内积水、岩层存在裂隙、致裂延时问题及致裂临空面和致裂方向等因素。前期在方案实施过程中，因受以上因素影响，导致致裂效果不理想。为使该致裂技术能更好地发挥致裂效果，达到降低成本、增强功效、提高效率的目的，在方案实施的后期要不断对参数进行试验调整。

(1)根据地勘资料显示，本项目岩层地下水位较高、岩层裂隙发育，针对孔内积水的钻孔，在临空面底部设置排水沟，采用高压风对钻孔进行冲洗，确保孔内无积水；通过调整钻孔间距或排距，在裂隙区域加密钻孔布置，以保证达到致裂效果；

(2)针对致裂延时问题，根据岩层结构分布结合现场工作面实际，调整钻孔间距、排距及增加钻孔深度(调整致裂管的长度及管径)，采用多排延时致裂(排间设置延时器起爆)，以提高爆破质量和工作效率；

参照文献[7]中的实验网络拓扑，利用防火墙将典型企业网络隔离为允许外网直接访问的DMZ区和不允许外网直接访问的内网办公区，其中DMZ区部署1台Web服务器，内网办公区部署1台数据库服务器和3台办公主机，允许Web服务器访问内网办公区的数据库服务.下面通过MATLAB仿真分析单、多脆弱性变换下，脆弱性数量、变换周期及变换空间与NDD有效性的关系.

(3)针对致裂临空面及爆破方向问题，根据现场条件适时调整钻孔倾斜角度、钻孔深度、间距等，以提高爆破质量效果。

7 二氧化碳气体致裂实施工艺

7.1 钻孔布置

根据本项目地勘提供岩石性质，致裂管长度及装约量，临空面间距、台阶高度等分别布置，根据本工程裂隙分布特点，不同的岩石性质，台阶布置不同，本项目选用的布孔方式为直列布孔方式。根据现场实际进行局部调整。

7.2 钻孔

钻孔设备采用KY130型露天潜孔钻机进行施工，钻孔深度4.5 m，各致裂孔底部误差均，不得大于致裂孔深度的5%。岩面一般布设两排孔，且呈梅花型布置，钻孔孔径为140 mm，致裂孔深度必须满足技术及规范要求，对不合格的孔按规一律定进行补钻，直至达到要求。

7.3 气体量控制

根据本项目特点，根据地勘资料查出不同岩石性质，也根据现场裂隙走向设置台阶高度，根据不同岩石硬度及致裂管孔径及致裂管二氧化碳充装数量布置临空面间距、沿裂隙方向布置一条线，项目技术负责人与致裂厂家专业人员检查。

7.4 成孔检查

钻孔成型后，装致裂管前要对钻孔进行检查，主要进行二方面检查：一是检查钻孔平面布置是否符合设计要求间排距等参数，二是检查钻孔深度、成孔质量及完成后杂质是否清理干净。

7.5 致裂管吊装及填充

成孔后现场采用挖掘机破碎头吊装入孔，然后向孔填内填选好中粗砂作为填充物；致裂孔有水时要做排水后方可作业，如果孔内水排不尽时采用水泥等胶凝材料参合物进行固化。孔内填塞时要边填塞边用炮杆捣实，为了保证每个孔内都填实要求，还辅助振动器振动致裂管。对填孔时造成致裂孔卡堵、填孔不实的现象，一旦出现致裂孔卡堵填塞不实的情况，采用挖掘机将其吊出，然后处理孔，再次吊装，直至全部达到要求。

7.6 致裂管连接及防护

本项目岩石分布情况，采用2根φ30 mm钢丝绳对所有致裂管进行连接，确保致裂管处于整体状态，每个致裂管端头吊钩用绳卡固定法与钢丝绳连接，在启爆时不会单个飞出，为了绝对安全，额外还用一条布带(10T)把每个致裂管头部再次连接起双层保护作用，最后防启爆飞石采用废旧车胎编制而成炮被(规格2 m×2 m)对每一个孔覆盖且用铁丝与钢丝绳绑扎，从而达到三层防护。

7.7 网络联结

网络联结由有经验的技术员操作，采取串联方式(图5)。

图5 串联网络示意

7.8 激发

将现场装好所有致裂器用导线联好，依次连接到激发器上，由专业人员将激发器移至安全位置，现场进行警戒的，待人员全部撤离警戒区域即方可激发裂岩。

7.9 回收

将现场致裂完成后的致裂器运到操作间，把致裂器放在拆装台；由专业人员按流程处理致裂器，首先将外形损伤的及时进行修理，达到要求；由专业人员对致裂器进行拆卸，将其内部的残渣进行清理，达到下次使用要求，最后全部放置陈列架上。

8 结语

本工程成功应用二氧化碳致裂关键技术改进相关参数，通过预先人为制造临空面，然后在岩体上进行钻孔裂岩施工，使岩体致裂后通过机械辅助将其滑动，运出后再次形成临空界面，继续沿着裂岩后的临空面方向钻孔，进行二氧化碳气体致裂施工，逐渐循环直至开挖边线。这样能高效快速地完成深基坑石方的开挖。对类似明挖基坑施工起到一定借鉴作用，同时也可促进城市建设石方施工技术的安全，并满足城市建设的绿色施工要求。