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山东正企工矿机电科技有限公司

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正企相变致裂技术说明

液态二氧化碳相变致裂技术简介
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储液管内,装入剪切片、加热棒和密封圈,拧紧合金帽即完成了爆破前的准备工作。将爆破管和起爆器及电源线携至爆破现场,把爆破管插入钻孔中固定好,连接起爆器电源。当微电流通过高导热棒时,产生高温击穿安全膜,瞬间将液态二氧化碳气化,急剧膨胀产生高压冲击波致定压剪切片自动打开,被爆破物品或堆积物受几何级当量冲击波向外迅猛推进,从起爆至结束整个过程只需0.4毫秒,且是低温下运行,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。二氧化碳属于惰性气体非易燃易爆物质,爆破过程就是体积膨的过程,物理做功而非化学反应。
二氧化碳相变致裂破岩技术是一种高压气体爆破技术,是利用液态二氧化碳吸热气化时体积急剧膨胀产生高压,致使岩体破碎或开裂。实践证明,采用二氧化碳相变致裂器爆破振速较低,夜间可正常施工,不影响居民正常生活。
1.二氧化碳膨胀破岩关键参数设计
目前国内的二氧化碳致裂器制造厂家,均不能保证二氧化碳相变致裂器在工作过程中达到分段延时起爆的效果,所有致裂器在爆破工作面均同时起爆,与传统的炸药爆破存在一定区间,要达到区间隧道周边岩体定向致裂和中间岩体的减震爆破,需重点控制以下几个方面:
(1)二氧化碳致裂器安装对钻孔垂直度精度要求较高,若出现偏孔,则可能导致致裂器无法安装,所以在打孔过程不易过快,以稳为主。
(2)根据岩石强度选择合适的致裂器,对于C25混凝土强度在50Mpa以内可选择MZL300-53/1200型二氧化碳致裂器。因二氧化碳相变致裂破岩靠气体膨胀压力来破碎岩体,钻孔孔径太大容易漏气,影响爆破效果。对于混凝土,成孔效果好,可配备φ65mm合金钻头进行打孔。
(3)二氧化碳相变致裂破岩设计原理类似炸药预裂爆破,其周边眼布置最为重要,为保证爆破效果,达到定向爆破的目的,根据类似工程经验,要达到较好的周边爆破效果,一般需在周边致裂孔中间打设致裂导向孔,导向孔为空孔,不装致裂管,一般导向空孔深度小于致裂装管孔200m~300mm,主要目的是减少二氧化碳致裂过程中的膨胀气体从导向孔中泄漏。
(4)目前国内市场上的二氧化碳致裂器泄能孔一般为双孔形式,通过调整周边眼和辅助周边眼中致裂器的泄能孔方向,可保证周边眼及辅助周边眼的爆破效果,其中周边眼内的二氧化碳致裂器泄能孔方向为平行周边轮廓线方向;周边辅助眼内的二氧化碳致裂器泄能孔方向为垂直周边轮廓线方向,详细布置方向见爆破参数设计图。
(5)隧洞掌子面的二氧化碳辅助致裂孔均可打设为直孔,周边孔可控制3~5°的外插角。具体二氧化碳致裂参数详见爆破参数设计图。
3.4参数试验
试验部位选择在桩号0+120.00部位,试验时测试后冲向的振动,振动测点布置在孔底2m、5m、10m、20m位置(建设单位委托有水利行业计量认证资质的单位承担)。具体试验内容如下:
(1)首先选择方案见图4.1-2堵头段二氧化碳膨胀破岩孔布置图进行试验,如果破碎效果达到预期要求,则按此开始全断面开挖。
(2)首次试验每个断面分三次进行钻孔致裂,首先紧邻中导洞临空面的内圈孔,其次为扩挖孔,最后进行周边轮廓孔;如果致裂效果满足要求,再进行内圈孔及扩挖孔部位同时施工,后进行外圈孔施工;依据前2次的试验效果,决定是否进行一次全断面一次性钻孔施工。值得说明的是,如果二氧化碳相变致裂设备供应商能够提供微差分段点火装置,则只进行全断面依据方案的试验效果进行调整孔网参数,直至满足开挖要求。
(3)如果试验时飞石距离能控制在10m以内,则洞外斜坡上混凝土也可采用二氧化碳膨胀破岩开挖,孔间排距增大100%~50%。
4、实施方案及进度安排
二氧化碳膨胀破岩使用主要分为五个工作步骤。第一步骤地面操作间的装管。第二步爆破工作面的打眼。第三步将装好气的致裂管运输到工作面。第四步把二氧化碳致裂管放炮眼里面,并且封孔,放炮。第五步回收。
4.1 堵头段拆除施工
4.1.1钢管预拆除
洞内堵头段为满包混凝土钢管,空间较窄,钻机不好停位,受钢管的限制,需先把钢管拆除后才能进行混凝土拆除。具体步骤如下:
(1)用钻车贴着钢管外壁四周用ф90钻头钻孔,间距20cm,深度3m。
(2)用氧割机从管内顺着管外孔位纵向割不少于8道缝,长度2m,后环向割断。
(3)利用小型挖掘机先把钢管掏出,然后再进行二氧化碳膨胀破岩。

图4.1-1  堵头段剖面图 
4.1.2堵头段混凝土拆除
堵头段混凝土拆除采用二氧化碳膨胀破岩,为洞内开挖,开挖区下游侧有古滑坡体,不宜选择大直径的致裂器,初步确定选择φ51mm二氧化碳致裂器。因二氧化碳致裂靠气体膨胀压力来破碎固体介质,钻孔孔径太大容易漏气,影响致裂效果。若介质均匀,成孔效果好,可配备φ65mm合金钻头进行打孔,若介质含碎块及结构面,孔内宜掉碎块,可配备φ65mm合金钻头进行打孔。
洞内堵头段混凝土扩挖致裂孔距为0.8×0.8m,深度1.5m,堵塞0.5m,因该部位钢管已抽出后有空位。周边致裂孔间隔0.6m,顶拱增加一个空孔作为导向孔(可通过试验确定是否可以取消导向孔),如图4.2-1所示。此方式爆破出来的石块一般小于0.4m以下,方便装车清运,根据第一次试验的结果进行布孔参数的优化。
依据试验监测资料确定桩号K0+000.00~K0+006.00部位开挖方案,初步确定为首先紧邻中导洞临空面的内圈孔,其次为扩挖孔,最后周边轮廓孔分左右侧开挖。


图4.1-2  堵头段二氧化碳膨胀破岩孔布置图

表4.1-1 堵头段全断面二氧化碳膨胀破岩参数表


致裂孔类型

孔深(m)

孔数(个)

开挖顺序

备注

顶拱轮廓面致裂导向孔

1.5

11

 

依据试验效果删减

顶拱轮廓面致裂孔

1.5

10

3

依据试验效果调整孔间排距

周边轮廓面致裂孔

1.5

12

3

底板致裂孔

1.5

9

3

扩挖致裂孔

1.5

13

2

紧邻临空面致裂孔

1.5

11

1

 

 

66

 

其中致裂孔55个

原洞挖断面顶拱起伏较大,如顶部混凝土未进行回填灌浆,则可能出现空洞等缺陷,孔壁出现裂缝,将严重影响二氧化碳膨胀破岩效果,可考虑沿顶拱下移20cm进行钻孔施工,二氧化碳膨胀破岩孔如图4.1-3所示。轮廓面二氧化碳膨胀破岩后应及时清理顶拱,避免掉块伤人事件发生。

图4.1-3  堵头段二氧化碳膨胀破岩孔布置图(下移20cm) 
4.2洞内扩挖段施工
原洞挖断面起伏较大,路宽度3.8~4.2m,净高3.2~3.5m,无法满足现设计的路宽5.96米,净高4.2米的要求。设计图纸洞内底标高是170.55m,洞内原标高171.75~172.15m,开挖深度大多在1.2~1.6m,向下扩挖。
初步设计孔与孔之间排距为1.2m,孔距1.2m,每次布置1~3排孔,超深0.2m,当开挖深度为1.4m时,孔深1.6m,堵塞0.6m,上加沙包,仍采用小直径(51mm)致裂器。如图4.2-1和4.2-2所示。初次开挖时进行试验,依据试验效果调整孔间排距,及致裂孔排数。
图4.2-1  扩挖段二氧化碳膨胀破岩孔布置横断面图 
图4.2-2  扩挖段二氧化碳膨胀破岩孔布置轴视图

 

 

 

 

表4.2-1 洞内扩挖段二氧化碳膨胀破岩参数表


致裂孔类型

孔深(m)

数量(个)

备  注

致裂孔

1.6

6

(1)每排6孔,一次布置1~3排
(2)如果致裂后块度大,则孔间排距适当减小,以每次减小0.2m进行试验

4.3支墩拆除施工
原有管道斜坡段有较大支墩2个,约宽3米×长4米×高8米(地上部分),斜坡段及洞内小支墩有15个,约宽0.4米×长1.4米×高0.5米(地上部分)。拆除后重新按设计图纸施工。洞内小支墩随洞内扩挖段一起开挖。如果洞内二氧化碳致裂时飞石距离小于10m,则可以考虑洞外大支墩也采用二氧化碳致裂,否则改用膨胀剂进行致裂。
考虑到支墩为钢筋混凝土结构,故先在支墩四个边角钻孔,深度1米,再对钢筋进行切割,中间部分孔距为0.8米,以此循环向下施工。
对于较大的镇墩,以1#墩为例,分层开挖,一次钻孔深度为4.0m,孔距和排距均为1.5m,放两节致裂管,堵塞2.0m,仍采用小直径(51mm)致裂器。如图4.3-1所示。

  

图4.3-1  1#镇墩二氧化碳膨胀破岩孔布置剖面图

表4.3-1 洞外支墩段二氧化碳膨胀破岩参数表


致裂孔类型

孔深(m)

孔间排距(m)

备  注

致裂孔

4

1.5

(1)每孔装2节致裂器,堵塞2m;
(2)如果致裂后块度大,则孔间排距适当减小,以每次减小0.2m进行试验

4.4露天岩石开挖
考虑设备一致性以及小直径致裂器更安全,露天岩石开挖仍采用小直径(51mm)致裂器,对于开挖厚度大于4m的进行分层开挖,一次钻孔深度为4.0m,孔距和排距初步定为1.5m,放两节致裂管,堵塞2.0m,仍采用小直径(51mm)致裂器。开挖厚度小于4m的一次钻孔到位,超深0.2m。
4.5工期及进度安排
整个开挖关键工期是洞内开挖,整个开挖长度为165.2m,其中堵头部分为60m,初步估计每天可以施工约2~3循环开挖,平均进尺约4米/天。扩挖段约10米/天。支墩约5天/个。
5、安全复核
本工程的重点保护对象有:施工区下游侧为古滑坡体; K0+000.00桩号处原有引水主洞相连;以及以及机电设备等。机电设备、房屋等安全参数执行国家标准;古滑坡体按距离开挖区10m处的允许质点振动速度0.5cm/s控制;原有引水隧洞按距离开挖洞壁5m处的允许质点振动速度2.0cm/s控制。
目前洞内二氧化碳膨胀破岩实测振动数据几乎没有,且本工程为洞内混凝土开挖,中部有超前导洞,需通过试验实测振动进行分析计算,来确保开挖振动不对需保护物产生影响。实测振动偏大时,可采用多分段开挖来降低振动。试验部位选择在桩号0+60.00处,远离保护对象。
6、安全操作规程
6.1安全警戒范围
(1)警戒范围
致裂作业区为中心,考虑到本工程实际情况在作业区中心50m范围内区域为致裂警戒范围,作业时无关人员禁止进入。致裂警戒范围再向外辐射至每一交通路口均设警戒点,警戒点以内为致裂警戒区域,致裂时,人员、机械均需撤至警戒区以外,电厂生活区、办公区附近共设置4处警戒点。
(2)警戒程序
致裂准备工作全部完毕,发出预警信号,对致裂作业区进行起爆。
(3)警戒人员注意事项:
1)警戒人员按指定的时间到达警戒点进行警戒;
2)警戒员负责阻止人员、设备、车辆进入警戒范围内;
3)注意致裂位置,确保安全、可靠;
4)致裂后经检查,确认安全并经致裂负责人准许方可撤除警戒。
6.2致裂安全警戒信号与联系方式
(1)致裂安全警戒信号
1)预警信号:警报器或哨音三长声。派出警戒人员清场,作业区内所有人员撤至安全距离以外,对交通实施管制,操作员做好准备,待命致裂;
2)致裂信号:警报器或哨音连续短促声,致裂指挥员经与各警戒点联系确认安全后,适时向致裂操作员下达启动命令;
3)解除信号:警报器或哨音一长音,技术员和安全员到现场检查致裂破情况,经确认完全致裂后,由指挥员发出解除信号,警戒人员撤回,恢复交通和生产秩序。
(2)联系方式
视觉信号采用红旗摆动,听觉信号采用口哨、对讲机联络方式。
致裂工作区全面检查与解除安全警戒
1)检查内容:作业区内的布孔是否全部致裂,周围管线及建筑物是否受影响,致裂的形状及安全状况;
2)经致裂检查,确认安全并经致裂负责人准许方可解除警戒。
6.3安全措施
6.3.1有害气体影响与安全防护
液态二氧化碳相变致裂过程中会释放大量二氧化碳气体,特别是在封闭受限空间内,若不及时采取通风措施,会在工作面区域形成较高浓度的二氧化碳气体富集区,易使作业人员产生二氧化碳中毒现象。本工程为隧洞内堵头拆除,固体介质相变致裂作业面深度随拆除进度逐渐加深,后期通风条件逐渐变差,应考虑一定的通风措施,特别要防止二氧化碳气体向非开挖区的主洞聚集。在隧洞进口处通风条件较好时,为避免致裂作业后,作业面出现二氧化碳富集的可能,可在起爆致裂五分钟后,由检查人员利用潜孔钻风管对致裂区域进行强行通风2-3分钟。
6.3.2相变致裂飞石安全与防护
飞石是气体膨胀产生能量抛掷出来的碎块。采用二氧化碳膨胀破岩技术,只要清除作业面散石,适当加大孔网参数,减小岩石破碎程度,再配合使用爆被,严格按照设计和施工规范进行钻孔、装管和填塞作业,采取严密的安全防护措施,可以避免产生飞管、飞石。具体措施如下:
(1)选用科学合理的参数,对于露天开挖孔内膨胀管埋深超过2.5m,深埋的方式可更加有效的抑制致裂作业的噪音。
(2)保证填塞质量;填塞材料选用干燥的带棱角的碎石米填塞炮孔;填塞时逐层填实,炮孔最上部分填塞材料应反复压实。
(3)采用提拉杆的装管方式时,除了填塞好外,应采用竹夹板、地毯、密目网或钢丝网覆盖在基坑上部的混凝土支撑上,防止飞石飞出基坑。
(4)将所有提拉管顶端用钢丝绳进行有效连接。
6.3.3液态二氧化碳的运输、储存与使用安全
为确保施工时液态二氧化碳的使用安全性,而从以下几个方面进行加强:
(1)就近供气原则。利用距工地最近的供气站供应液态二氧化碳,避免长距离运输。
(2)采用专门的液态二氧化碳储存罐运输和储存液态二氧化碳。液态二氧化碳储存罐应为正规厂家生产,且产品质量与安全性能符合国家《气瓶安全技术监察规程》、《Q/SLKJO2-2015焊接绝热气瓶》相关规定。
(3)现充现用原则。利用充装机向致裂管中充装液态二氧化碳后,应及时使用,不可久放。充装好的致裂管运至台阶作业面过程中需借助机械设备吊运时,应避免碰撞和跌落现象发生,短暂在作业面放置时,应放置于阴凉区域。
(4)隧洞口布置防护门,其结构为双开钢管门,钢管布置为双向单层,方孔0.5米×0.5米,再用木板全密封固定在钢管门里面。






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