二氧化碳爆破掘进技术应用研究

二氧化碳爆破掘进技术应用研究

赵瑛1郭靖2

1湖北工业大学湖北武汉430068；2中国建筑第六工程局天津300000

摘要：二氧化碳爆破掘进的工作原理是利用液态二氧化碳瞬间发生相变致裂原理，产生的高压作用于周围岩体，从而实现破岩掘进作业。本文以某地铁车站暗挖区间采用二氧化碳爆破技术进行掘进作为施工案例，通过施工现场试验确定适合区间地址条件的施工参数，用于指导施工。通过现场掘进施工作业实践表明：二氧化碳爆破技术与传统炸药相比具有爆破操作简单，安全性高等特点，作用于强度为20~70MPa中风化岩层时破岩效果最好。

关键词：二氧化碳爆破；隧道掘进；岩层施工

前言

二氧化碳爆破是利用液态二氧化氮受热汽化膨胀，快速释放高压气体断裂周围固体介质，一定程度上解决了炸药爆破开采欲裂中破坏性大、危险性高、灰尘大等缺点[1]。刘征等[2]采用二氧化碳炮爆破技术来进行石方爆破，加快工程进度，降低安全风险。薛飞[3]通过潮惠高速公路工程案例，阐述了针对大面的软石、次坚石及坚石板岩采用二氧化碳爆破技术进行破碎解石的施工。聂政[4]介绍了二氧化碳爆破技术在芦岭煤矿回采工作面的试验情况，分析了二氧化碳爆破的特点，根据其物理变化过程，总结其爆破过程中的高效性、可靠性、安全性。本论文以某地铁项目浅埋暗挖法区间隧道施工为例，该区间隧道长距离下穿在营业的地下商场，所在城市对炸药管制严格，因此采用二氧化碳爆破技术进行隧道掘进施工，分析地质条件，通过试验，确定爆破施工参数，指导施工。

1项目概况

某市地铁区间采用浅埋暗挖施工工艺，该区间沿主干道解放北路敷设，全长约785米，隧底埋深为22.3〜26.4m，为单洞单线断面浅埋暗挖区间，隧道标准断面采用台阶法+临时仰拱法施工，大断面采用CRD法施工。区间拱顶位于富水角砾与强风化泥岩、砂岩交界面，隧道整体位于中风化泥岩砂岩大倾角交互地层，围岩上软下硬，地质条件差。

图1区间地质概况

区间隧道将长距离下穿某地下商场，长325m，混凝土框架结构，埋深约10m，顶板距路面4m左右，隧道顶与其底板净距约6m。

2研究过程

针对下穿辰野地下商场大范围20~70MPa中风化岩层内，因无法采用传统火工品爆破，利用二氧化碳相变致裂原理，将国内外较为广泛的用于煤矿开采的二氧化碳致裂技术移植至地铁矿山法隧道施工，结合控制爆破技术要点，研究二氧化碳替代乳化炸药的爆破技术，通过试验、分析、调整、总结，不断优化施工参数，形成暗挖区间二氧化碳爆破关键技术，研究过程主要分为如下三个阶段

第一阶段：进行二氧化碳爆破试验。

（1）阶段目标：通过试验优化炮眼数量、炮眼深度、炮眼直径、炮眼布置、致裂管长度、致裂管定压剪切片型号（爆破强度）、单根二氧化碳冲装量、炮眼封堵形式等参数。

（2）过程描述：经过区间隧道左线大里程方向二氧化碳爆破试验，发现初步方案可将泥岩、砂岩致裂，但剥离岩石块径较大，部分炮眼爆破不充分，周边轮廓欠挖等问题；另外，二氧化碳爆破本身存在致裂管无法启动、飞出炮孔等技术问题。针对发现的问题，进行研究优化：

①将炮孔深度增加至1.5-1.7m，致裂管长度由1.2m加长至1.5m；

②通过调整微差顺序，采用类似预裂爆破先引爆周边眼的方法效果较差，分析是由于威力较小，不能较好的沿轮廓线爆裂围岩，多数致裂管崩出。采用类似光面爆破先掏槽再引爆辅助眼最后引爆周边眼的方法，效果较好。

③调整隧道初支施工组织，上一循环初支待下一循环土方爆破完成后进行施工，方便周边眼打设，同时增加凌空面，减弱夹持作用，效果较好；

④仔细布置致裂管启动线并加强检测，减少哑炮率。

⑤试验了不同的周边眼间距、最小抵抗线、掏槽形式等的爆破效果。

（3）试验结果：若炮眼钻孔质量好（轮廓线内5cm左右，间距50cm左右，稍有向外倾角，各炮孔顺直，封堵严密）、爆破选择压力合适、致裂管连接稳定，此方法可有效完成爆破掘进，每循环爆破进尺控制在1.5m左右。

第二阶段：正式爆破阶段。

施工过程中，收集相关数据，并针对个别问题调整爆破施工工艺，适当增加或减少辅助孔，以达到爆破效果，土方超欠挖情况良好。

第三阶段：成果总结

（1）工作目标：二氧化碳爆破与人工开挖工效对比，成本分析，分析监测、检测数据，形成研究报告。

（2）工效对比：

隧道左线大里程上台阶进尺1.5m土方开挖所需时间：

①人工配合机械开挖约48小时；

②二氧化碳爆破开挖约16小时。

3爆破参数

3.1工艺流程

图2工艺流程

3.2二氧化碳爆破炮眼设计

（1）炮眼参数

①根据地质条件，每循环开挖进尺控制在1.5m；

②炮眼布置的原则

首先布置周边孔然后布置辅助眼掏槽眼

表1炮眼参数表

图3炮眼布置图

（2）炮孔装药结构

储液管以专用的高压泵预先注入液态二氧化碳，工作面钻取炮眼后，逐一插入炮管，并连接炮管与低压启动器间的接线。高压管一端的起爆头接通引爆电流后，活化器内的低压保险丝引发快速反应，使管内的二氧化碳迅速从液态转化为气态，在40ms内体积瞬即膨胀达600多倍，管内压力最高可剧增至270MPa。

待达到预设压力时，释放头内的定压剪切片被打开，二氧化碳气体透过径向孔，迅速向外爆发，利用瞬间产生的强大推力，二氧化碳气沿自然或被引发的裂面使岩层破裂，从而达到致裂效果，全过程1s内完成。

图4液态二氧化碳致裂设备示意图

图5液态二氧化碳致裂器结构示意图

4施工控制要点

通过现场施工试验及正式掘进施工，得到如下二氧化碳爆破施工控制要点，以供类似施工参考：

（1）掏槽炮眼的眼口、眼底间距允许偏差均为50mm；

（2）辅助炮眼眼口排距、行距允许偏差均为100mm；

（3）周边炮眼间距允许偏差为50mm，外斜率不应大于孔深3%~5%，眼底不应超过开挖轮廓线100mm；

（4）周边炮眼至内圈炮眼的排距允许偏差为50mm；

（5）钻孔完毕检查验收合格并做好记录后方可安放致裂器。

（6）致裂眼的眼痕率：硬岩应大于80%，中硬岩应大于70%，软岩应大于50%，并在轮廓面上均匀分布；

（7）两炮眼衔接台阶的最大尺寸不应大于150mm；

（8）致裂岩面最大块度不应大于300mm。

结论

本论文通过对长距离下穿在营业地下商场的浅埋暗挖区间隧道采用二氧化碳爆破施工进行分析与研究，针对区间地质特点，对二氧化碳爆破施工进行现场试验和原理分析，确定施工参数和进度指标，并未类似项目提供工程实际参考。研究表明：

（1）在浅埋暗挖隧道施工过程中，二氧化碳爆破技术与传统炸药相比具有爆破操作简单，安全性高等特点，洞内空气污染较少；

（2）二氧化碳爆破对于强度在20~70MPa范围的中风化岩层，实际施工效果很明显。

（3）利用二氧化碳爆破施工需结合实际地质条件，确定爆破参数，以达到良好爆破效果，避免出现超欠挖情况。

参考文献：

[1]孙建中.基于不同爆破致裂方式的液态二氧化碳相变增透应用研究[D]，中国矿业大学，2015.

[2]刘征，李昆，费日东.二氧化碳炮爆破技术在山体石方开挖工程中的应用[《城市建设理论研究（电子版）》2017年14期.

[3]薛飞.二氧化碳爆破技术在高速公路施工中的应用[J].工程设计施工与管理，201611月下第22期：93.

[4]聂政.二氧化碳炮爆破在煤矿的应用[J].煤炭技术，2007.26（8）：62-63.