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浅谈地铁施工中二氧化碳破碎施工技术应用
王群善 张建国 武 辰
摘 要 长沙地铁4号线某地铁站是地下三层车站，基坑长度150m、标准宽度22.9m、深度27m，车站采用明挖顺作法施工，车站周边均以商住楼、景观绿地为主，人口较密集，为考虑安全，采用二氧化碳破碎技术。二氧化碳破碎技术属于物理爆破技术，具有爆破过程无火花外漏、爆破威力大、无需验炮、操作简便等优点，文章就该施工技术进行了全面的介绍，并在施工中需要的注意事项做了详尽的说明，可供类似工程参考借鉴。
关键词 地铁 二氧化碳破碎 爆破
1 工程概况
长沙地铁4号线某地铁站是地下三层车站，基坑长度150m、标准宽度22.9m、深度27m，车站采用明挖顺作法施工，本工程大部分位于强风化砂砾岩、中风化泥质粉砂岩、中风化砂砾岩上，主体基坑属不均匀地基。
车站周边均以商住楼、景观绿地为主。车站基坑北侧40m处为民用建筑，距基坑边缘1m处为排水管，排水管直径为1.2m，埋深为约为1.5m；基坑南侧30m为旭辉国际广场及高层建筑，距基坑边缘1～4m处为电信、电力、军缆、气管道、自来水管道，埋深约为3.0m左右。
2 开挖设备的选择
由于基坑周围环境比较复杂，不宜采用爆破法进行岩石爆破，拟采用“三小一少（振动小、飞石距离小、噪声小与粉尘少）”的二氧化碳致裂器破碎岩石方法，此方法不仅安全，而且符合绿色、环保和低碳要求。
二氧化碳致裂器由卸能器、安全片、储液管、发热装置、充装阀组成，如图1所示。
1.卸能器
2.安全片
3.储液罐
4.发热装置
5.充装阀
图1 二氧化碳致裂器结构图
2.1 主要技术参数
二氧化碳致裂器主要技术参数见表1。
表1 主要技术参数表
项目
51型
73型
83型
95型
致裂器外径（mm）
Φ51
Φ73
Φ83
Φ95
致裂孔径（mm）
Φ60
Φ90
Φ100
Φ110
致裂器长度（mm）
1270
1030
1130
1300
二氧化碳充装量（kg）
0.8
0.8
1.4
2.3
最大充装压力（MPa）
9
9
9
9
单套致裂器质量（kg）
14
22
32
43
根据现场实际情况，本工程采用95型二氧化碳致裂器。
2.2 二氧化碳致裂破碎基本原理
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°C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0.4毫秒，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。
2.3 二氧化碳致裂破碎特点
（1）具有本质的安全特性。从储存、运输、携带、使用、回收等方面均十分安全。主机与致裂破碎器材分离，从灌装至致裂破碎结束时间较短。液态二氧化碳灌注仅需1～3分钟，点火至结束仅需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。致裂破碎筒回收方便，可连续使用。
（2）既可定向致裂破碎又可延时控制，特别是在特殊环境下，如居民区、隧道、地铁、井下等环境，实施过程中无破坏性振动和短波，对周围环境无破坏性影响。
（3）在石材开采中不破坏纹理结构，成材率和效率较高。
（4）无雷管，无火药，无炸药，无易燃品，无危化品，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。
（5）在矿井下使用其性能更加突出，无论是高瓦斯矿井，冲击地压矿井、水文地质条件较复杂的矿井还是易自燃矿井均可应用。
（6）材料来源丰富，可就地取材。提高功效，增加效益，降低成本。减少繁杂的报批审核程序和管理限制。在灌注二氧化碳之前所有材料皆为非爆品，灌注后没有高温，没有电压不会自爆，即使有电压或遇强高温，在有空气中引爆也不会产生危险，就像放个鞭炮响一下，对周围环境不产生破坏，非常安全。
（7）为获得较大当量的威力，可根据现场情况，把致裂破碎筒并联使用，或者改进孔径和增进二氧化碳质量。可灵活控制。
（8）在应急抢险救援中，可将全部设施托运任何交通工具上。而雷管火药炸药等属管制物品，无此优势。可节约大量救援时间。
（9）由于炸药雷管等的对社会对环境破坏性，必将控制更加严格，因此办理致裂破碎手续周期较长，而采用致裂器可随时进行致裂破碎作业，满足工程建设的需要。
3 二氧化碳致裂器施工工艺
3.1 施工工艺图
钻孔
装致裂管
填塞
拔管
连线
安全警戒
点火
检查
图2 二氧化碳致裂器施工工艺
二氧化碳致裂器施工工艺一般分为钻孔、装致裂管、填塞、连线、安全警戒、点火、检查、拔管等，如图2所示。
3.2 施工步骤
3.2.1 开设临空面
用机械在基坑一端或中间开挖一定深度与较为陡峭的临空面或沟槽。
3.2.2 钻孔
3.2.2.1 钻孔要领
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，具有熟练操作的操作技术，并能掌握不同性质岩石的钻凿规律。
3.2.2.2 钻孔基本方法
对于完整的岩面，开孔钻进时，稍控制风量且不加压，先吹净浮渣，慢慢冲击岩面，钻出空窝后，旋转钻具完成开孔。当钻头进孔后，逐渐加大风量至全风压快速凿岩状态。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1.0～1.5m提钻吹孔一次，防止孔底积渣过多而卡孔。
3.2.2.3 泥浆护壁方法
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2～3m，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，边孔距离凌空面尺寸应缩短0.5～0.8m。
3.2.2.4 致裂孔验收与保护
（1）致裂孔验收
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。
（2）致裂孔保护
①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。
②孔口的岩石清理干净，防止掉入孔内。
③一个致裂区钻孔完成后尽快实施致裂。
3.2.3 装管
根据致裂孔深度将致裂器分节装入孔内。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。
3.2.4 填塞
3.2.4.1 提升杆外露长度
填塞后，提升杆外露长度A: 0.3≦A≦0.5m。
3.2.4.2 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。
3.2.4.3 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。
3.2.5 连接网路
导电网路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电阻平衡，保证每个致裂器获得相同电流值。在网路连接过程中，应利用专用电阻表检测网路电阻，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。网路连接采用串联方法，如图3所示。
电源
主线
点引火头
支线
图3 点火网路示意图
3.2.6 点火
采用高能起爆器点火。点火前，首先检查起爆器是否完好正常，起爆器应及时充电，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，才能将主线与起爆器连接，然后等待点火命令。岩石致裂破碎后，及时切断电源，将主线与起爆器分离。
3.2.7 岩石致裂破碎后检查
致裂破碎后5分钟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：
（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）施工区附近地下采矿场时，应对这些部位进行有害气体检测。
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后再取出。
（3）将致裂管收回，进行二次充装使用。
3.2.9 大块岩石破碎
在致裂过程中，不可避免会产生一定数量的大块岩石，而这些大块岩石超过了生产要求规格或挖装机械的铲斗容量时，必须对这些大块岩石进行二次破碎。破碎大块岩石采用机械破碎法，利用液压冲击锤（俗称炮机）对大块岩石进行二次破碎。液压破碎锤是一种非常重要的高效作业的新型的破碎工具，主要用来完成采石场的采石作业或者岩石的破碎等。液压破碎锤在工作过程中必须以动力源、工作介质及能量转换为基础才能运动工作的。这里动力源是液压泵，工作介质就是常用的液压油。运动过程中把液压能转换为机械冲击能，即以液体压力驱动液压缸中的活塞往复运动对外做功，并对外输出能量束进行工作。
此种方法效率高，基本无飞石，是破碎二次岩石的最理想的主要方法，一是工作效率高，二是安全性好。
4 安全防护
二氧化碳致裂器致裂破碎岩石时会有个别石块飞出，因此需用竹夹板、地毯、密目网或钢丝网覆盖在基坑上部的冠梁上，防止飞石飞出基坑。见图4基坑空中隔离防护示意图。
图4 基坑空中隔离防护示意图
具体方法用竹架板排列3m的宽度，2m的长度，然后用两根钢管固定，作为一块整体防护材料使用，爆破时采用人工将加工后的竹架板铺设在基坑的横梁上，有基坑边向基坑中心铺设，直至把需要爆破区的上方全部覆盖，最后在竹架板上方再铺设一层地毯，防止细小的飞石飞出基坑。
5 危险源的控制措施
5.1 物体打击控制措施
（1）每次岩石致裂破碎完毕，应及时将边坡、台阶上方边缘的浮石清理掉。
（2）当人员在边坡下方作业时，应先检查边坡，看是否有浮石和边坡开裂等情况，应先将浮石和边坡开裂清理干净，再开始作业。
（3）当边坡上方有人作业时，上方作业人员的正下方不得有人作业。
（4）当人员在边坡面上作业时，应将安全绳移动范围内的浮石清理干净。
（5）作业人员应戴安全帽、穿工作鞋与制式服装。
5.2 机械伤害控制措施
（1）各种机械设备的操作人员，都必须经过专业与安全技术培训，经有关部门考核合格方准上岗，严禁无证人员操作。
（2）各种机械操作人员，必须懂得所操作机械的性能、安全装置。熟悉安全操作规程，能排除一般故障和进行日常维护保养。
（3）工作时，操作人员必须穿戴好防护用品，集中思想、服从指挥、谨慎操作，不得擅离职守或将机械随意交给他人操作。
（4）交付现场使用的机械设备，必须性能良好，防护装置齐全，生产及安全所需备用品配套，并经设备部门和现场负责人验收认可后，方能使用。
（5）机动车行驶与停止时，必须与基坑、输电线保持规定的安全距离。
（6）机械设备进入作业点，单位工程负责人应向操作人员进行作业任务和安全技术措施的详细交底。
6 振动检测
实施二氧化碳致裂岩石时有轻微振动，对振动比较敏感部位需进行检测。
6.1 振动测试系统
振动测试系统一般包括三级，即传感器、中间适配放大器和记录存储分析理仪器设备。传感器将原始振动信息变换为所需的信息，放大器可将传感器转换的微弱信号进行滤波阻抗变换处理并放大后输入到记录设备。
6.2 振动测试若干技术问题
6.2.1 测点布置
（1）为深入研究振动效应和确定建筑物安全的范围或划定区域，就需在振动效应较大的区域内布置较密的测点，以便测定振动强烈的区域以及地面振动强度随爆心变化规律。
（2）为研究爆破振动效应作用特征，就需在一定范围内，在特定的地质地形条件下，测定爆破地震波的传播规律。测点数目要足够多，一般测线上测点不少于2个。
（3）为避免试验数据密集在某一区域内，相邻两侧点距离呈对数规律。
（4）为研究爆破时建筑物的动力效应，应在建筑物附近地面和建筑物地面布置测点，并在建筑物上具有代表性布置测点，具体位置在该建筑中间位置布设2个测点。
6.2.2 测试仪器的正确使用
（1）仪器的频率响应
任何一种仪器都有一定的频率响应范围，由不同仪器组成的测量系统也应有一定频率响应范围。所谓频率响应范围，是指在此范围内，系统测试的灵敏度相等或在一个允许误差的范围内。因而在爆破振动测试中应特别注意测试系统频率响应是否满足要求，针对性地选用合适的仪器。
（2）仪器动态量程范围
应特别注意仪器的量程问题，根据具体情况采用合适的测量仪器。
6.2.3 传感器的安装及防护
6.2.3.1 传感器的安装
为了可靠地得到爆破振动或结构动力响应的记录，拾振器必须与测点的表面牢固的结合在一起，否则在爆破振动时往往会导致传感器松动、滑动，使得信号完全失真。
若测点表面为坚硬岩石，可直接在岩石表面修正一平台；岩石风化，则可将风化岩石层清除，再浇注一混凝土墩；测点表面为土质时，一般将表面松土夯实，铺以砂或碎石，再浇注混凝土墩，然后将传感器固定在其上，固定可采用如下方法：
（1）采用环氧砂浆、环氧树脂或其他强度粘合剂，在干燥情况下，还可采用石膏、水玻璃等材料。
（2）在浇筑混凝土墩时，先预埋固定螺栓，然后用压板将传感器底板与预埋螺栓紧固相连。
（3）对于带螺栓传感器在沙土介质中的安装，应将传感器上的长螺杆全部插入被测介质内，使传感器与介质紧密相联。
6.2.3.2 传感器的防护
在野外测试时，应对传感器进行必要的安全防护。一般在测点处预制混凝土、金属盒或其他防护措施。
7 结 语
通过对该地铁车站基坑二氧化碳破碎作业的施工，应在以下几方面需加强注意：
（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6m，一般为5m左右为宜。
（2）二氧化碳致裂破碎只能采用一排致裂孔，若采用两排致裂孔致裂破碎效果欠佳。
（3）根据不同的岩石性质通过致裂破碎效果检验，适时调整致裂孔参数。
（4）禁止在雷雨天气实施致裂破碎作业。
（5）致裂破碎筒的规格大小不同，致裂孔参数也不相同。
（6）致裂破碎时一定要派出警戒，防止个别飞石对人员及车辆造成伤害。
（7）为防止破碎飞石飞散，需在基坑支撑梁上覆盖防护。