中铁隧道股份有限公司453000
第一章工程概况
1工程概况
本工程为武汉市轨道交通2号线南延线第四标段土建工程，包括：光谷大道站（不含）～南湖大道站盾构区间、南湖大道站（明挖车站）、南湖大道站～大舒东路站（不含）盾构区间，共1站2区间。南湖大道站为2号线南延线工程的第6个车站，位于武汉市东湖高新开发区，沿黄龙山路南北向布置，车站主体位于黄龙山路与高新二路道路交叉口处。车站共设置3个出入口（远期预留1号出入口、2号出入口，3号出入口、4号出入口。）2组风亭，一个消防水池。
第二章工程地质
1工程地质
南湖大道站车站工程场地位于剥蚀堆积陇岗区，相当于长江Ⅲ级阶地。总体地势西高东低。黄龙山路西侧为约10°缓坡，坡顶为武-黄城际铁路，坡顶标高35.5～37.6m；黄龙山路东侧为林地、关南社区住宅区及厂区，地面标高29.9～31.1m。场地内相对高差约7.7m。
三叠系下统大冶组（T1d）灰岩（16g）：薄层状，微晶结构。岩石干重度26.8kN/m3，饱和重度26.9kN/m3。饱和单轴抗压强度55.0MPa，属坚硬岩，岩体较完整，基本质量等级为Ⅱ级。承载力特征值fa=3000kPa。
第三章基坑灰岩CO2预裂方案
1总体施工方案概述
南湖大道站主体结构基坑地层主要为（17b、18a）灰岩，最高强度达90MPa，灰岩总方量约1.81万方。由于该岩石强度高，经测试，普通挖机（啄木鸟）无法进行岩体破碎，项目部前期又投入了2台455型大炮机，由于破除效率低，满足不了车站工期要求，故项目部通过考察了解，采用了CO2气体致裂岩石的施工工艺。
2工艺原由
二氧化碳致裂基本原理：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（致裂器）内。当微电流通过电点火头时，引起发热剂产生高温，瞬间将液态二氧化碳气化，急剧膨胀产生高压冲击波致泄能器打开，产生300MPa以上的膨胀压力，瞬间释放高压气体致岩石断裂和松动。二氧化碳属于惰性非易燃易爆气体，致裂过程是气体膨胀的过程，物理做功而非化学反应。
3基坑灰岩CO2预裂施工
3.1施工准备
二氧化碳开矿致裂设备由二氧化碳致裂器、液态二氧化碳储液罐、灌装机、旋紧机、计量充气工作台组成。每次使用后可重新加入活化管，泄能组件和二氧化碳后再次重复使用。施工前进行设备按照使用说明进行设备状况检查，并进行设备调试安装。3.2二氧化碳灌注机
⑴二氧化碳灌注机设备参数
二氧化碳灌注机具体参数详见下表3.2.1所示。
表3.2.1二氧化碳灌注机参数表
（2）使用方法
本套设备由电机作为原动力拖动高压力泵工作。
①开机前，按图所示：将2[进气管]一端与液态二氧化碳罐的[出液口]连接，另一端与二氧化碳开矿器灌装机的[进气口]相连；充气管的一端与3[出气口]连接，另一端与9[阀门A]相连。将二氧化碳开矿器灌装机称重仪表线与计量充气台传感线连接好。最后，将连接好的管路按要求全方位复检后，接通电源（本设备为380V/220V，三相四线供电，严格按照标准接电）。
②打开[电源开关]（该设备参数出厂前已设定，严禁私自改动）；
③缓慢松开液态二氧化碳罐的出液阀（有气体排除即可），待二氧化碳开矿器灌装机压力与液态二氧化碳罐压力平衡，将阀门完全打开。
④按下二氧化碳开矿器灌装机上的[制冷启动]键，制冷开始，制冷至-10℃，停止制冷。
⑤把已组装好的二氧化碳致裂器放到计量充气台上，7[二氧化碳致裂器]充气头的进气孔与计量充气台的充气嘴对准后扣在一起，拧紧固定螺丝，使充气孔与8[充气嘴]紧密接触。每次可充装1—5根二氧化碳致裂器。（充气嘴处要上聚四垫，以防充气时漏气。注：聚四垫为损耗件，注意更换）。
⑥用六角扳手将7[二氧化碳致裂器]充气头上的进气孔阀门顶针松开，并将称重显示器归零。
⑦松开4[排气阀]，使其喷出的二氧化碳呈白雾状，再将4[排气阀]关闭。
⑧洗管操作：松开充气台上的3个阀门A﹑B﹑C，使其不间断喷出的二氧化碳呈白雾状，然后关闭10[阀门B]，按下二氧化碳致裂器灌注机上的[充气启动]键，让二氧化碳灌入7[二氧化碳致裂器]内，充装量见表1，充装定量后，按下[充气停止]键，关闭9[阀门A]，打开10[阀门B]，将灌充进二氧化碳致裂器内的二氧化碳放出（根据当地气温可反复洗管2—3次）。
⑨灌装操作：松开充气台上的3个阀门A﹑B﹑C，使其不间断喷出的二氧化碳呈白雾状，然后关闭10[阀门B]，按下[充气启动]键，开始对二氧化碳致裂器灌装，达到设定重量或压力时，充气自动停止，马上关闭阀门A，随后用六角扳手将充气头的进气孔阀门顶针关闭并拧紧。最后松开阀门B，排掉多余的气体，松开固定螺丝，取下二氧化碳致裂器，灌充完成。
温控仪的参数设定：
在温控仪上设定温度下限为－10℃，误差为8℃。温度控制器具体操作程序如下：
①温度显示：（采用智能温控仪）
控制器通电后显示实际温度测量值。
②参数设定：
a.进入设定状态：为了防止误操作和避免闲人玩弄，必须连按“设定”键三次，才能进入设定状态。
b.当控制器进入设定状态后，温度显示值被储存，下限设定值被显示（“下限”指示灯亮），此时可按“▲”键或“▼”键改变参数值，直至符合要求。再按一下“设定”键，下限设定值被储存，温差值被显示（“温差”指示灯亮），同样按“▲”、“▼”键可改变参数值。（下限加温差等于上限）
c.退出设定：十六秒之内不按任何一个键，控制器自动退出设定状态，设定值被储存，显示窗依然显示温度测量值。
敬告一：修改参数后必须再按一下“设定”键，使设定值得以确认并储存，否则控制器不能按新的参数（设定值）进行控制。
敬告二：若设定完后未经退出就关机，新设定值将得不到永久保存。
③自动运行：
a.控制器一通电即进入自动运行状态，显示提示符“A”。但压缩机不能立即开出，需延时三分钟，此时末位数码管小数点闪跳以示等待。（按“▼”键三下，可取消延时）
b.自动控温：控制压缩机的继电器根据设定的温度下限和温差来决定吸合与否，达到控制压缩机制冷的目的。制冷工作时，“制冷”指示灯亮。
c.退出自动工作状态：切断电源才能退出。
注：压缩机每次停机需延时三分钟才能再开出，此时末位数码管小数点闪跳。（按“▼”键三下，可取消延时）。
④故障状态：
故障后，压缩机停机，整个显示屏闪跳；故障消除后显示屏仍显示温度测量值。
3.3二氧化碳旋头机
⑴二氧化碳旋头机设备参数
二氧化碳旋头机具体参数详见下表3.3.1所示。
表3.3.1二氧化碳旋头机参数表
⑶设备安装
①搬运：机器宜采用叉车搬运，并以机器底部受力，机身不允许倾斜。搬运过程中需要放净油箱中的液压油。
②安装：机器需水平放置于稳固的地基上，并作固定处理。
③注油：打开机架护罩，在油箱中加入25—30升46#抗磨液压油。
④接电：将电源线接在三相380V电源上，打开电源开关，按下[夹紧]或[松开]，观察是否动作，假如不动作，则电源相序不对，需调整相序即可。
⑷操作方法
旋紧接头：致裂器按照要求组装好后，放到旋紧机夹具内，按下[夹紧]，夹紧后按下[旋紧]，到达设定扭力后，旋紧停止。按下[松开]，待夹具分开，取下致裂器即可。
⑸旋松接头
按下[夹紧]，夹紧后按下[旋松]，旋紧电机带动旋具反向转动半圈至一圈后，按下[停止2]，按下[松开]，待夹具分开后，取下致裂器。
使用完毕后，按下急停按钮，液压油泵电机停止。
3.4二氧化碳致裂管
⑴二氧化碳致裂管设备参数
二氧化碳致裂管具体参数详见下表3.4.1所示。
表3.4.1二氧化碳致裂管参数表
⑶组装方法
①储液管放置在组装架上，组装前要检查储液管两端孔处有无锈点、腐蚀、磨损和严重划痕，防止漏气。如果没有问题可继续使用，否则停止使用，进行修复。
②用压缩空气清理储液管两头螺纹孔和管内部，以及充装阀和泄能器。
③对充装阀进行绝缘性能检测。
④带线致裂器组装方法：
a.将定压片放入储液管孔腹，定压片较短的导线留在原端口，另一根导线利用辅助工具经过管腔到达另一端。
b.将泄能器拧在储液管定压片一端，定压片短导线端从泄能器放气孔内部穿出。
c.定压片长线端的导线与发热装置接线夹连接在一起，把发热装置放入储液管另一端孔腹，把检测良好的充装阀拧在储液管发热装置的一端。
⑤底端不带线致裂器组装方法：
a.将定压片放入储液管孔腹。
b.将泄能器拧在储液管定压片一端。
c.把发热装置放入储液管另一端孔腹，把检测良好的充装阀拧在储液管发热装置的一端。
⑦完成上述操作后，在致裂器旋紧机上将充装阀、泄能器分别与储液管旋紧。
⑧对旋紧后的致裂器进行性能检测。
⑨待充装二氧化碳
3.5施工方法
⑴打孔
首先采用P200挖机将基坑灰岩段上部覆土全部揭除，使灰岩面外露，便于进行预裂打孔。
采用95mm潜孔钻进行打孔，孔深为1~3m。现场条件允许时尽量打垂直孔，以便于装管。开口时对于完整的岩面，给小风不加压，应先吹净浮渣，慢慢冲击岩面，钻出空窝后，旋转钻具下钻开孔。当钻头进孔后，逐渐加大风量至全风全压快速凿岩状态。对于硬岩，应选用高质量高硬度的钻头，送全风全压，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。
⑵装管、灌气
根据致裂孔深度将致裂器一节一节的装入孔内。根据凌空面高度H及孔深L调整致裂器节数，并在最上方连接提升杆。待完成装管后将管道与二氧化碳灌注机连接，启动灌气，待灌气达到设定值后停止灌气。
装管前准备工作：
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。在验收过程中发现堵孔、深度不够，应及时补钻。
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。
⑶填塞
待装管、灌气结束后，开始对管进行填塞，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。填塞后，提升杆外露长度A：0.3≦A≦0.5m。
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。
⑷致裂网络链接
导电网路的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的电阻平衡，保证每个致裂器获得相同的电流值。在网路连接过程中，应利用电工用万用表检测网路电阻，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。
⑸致裂
致裂启动采用高能起爆器起爆。致裂前，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，然后等待致裂命令。致裂后，及时切断电源，将主线与起爆器分离。
⑸石方挖除
在岩石致裂完成后，现场采用PC450大炮击将大块松动岩石进行破除，后采用电抓斗抓出基坑。
3.5施工参数及控制要点
1、布孔原则：根据南湖大道站基坑灰岩面起伏情况及临空面实际高度，按1~3m控制施工钻孔深；
2、孔位间距为1.5m，一字型分布并与临空面水平，每个孔与临空面间距为2m；
3、孔内装药量控制在40公分左右，装药位置处于打孔深的中下部，并且保证装药位置处于临空面标高。不应低于临空面，影响预裂效果；
4、若预裂断面较大，可以适量添加粉末状二氧化碳膨胀剂，保证预裂效果。
5、由于南湖大道站基坑东西两侧分别埋设有中/高压管线和污水管线，因为防止CO2预裂施工对临近管线造成破坏，严禁在基坑两侧3m范围内进行布孔预裂，此处灰岩采用机械破除或液压劈裂施工。
第四章经验与总结
1效果检查
南湖大道站主体结构北段80m范围内基坑地层主要为（17b、18a）灰岩，最高强度达90MPa。由于该岩石强度高，经测试，普通炮击（啄木鸟）无法进行岩体破碎，破除效率低，满足不了车站工期要求。采用了CO2气体致裂岩石的施工工艺，从爆破后效果、安全、爆破控制、爆破进度、环保方面效果对比如下：
1、效果：结合南湖大道站地层详勘及补堪报告，在灰岩地段进行CO2预裂施工时，二氧化碳气化瞬间，二氧化碳膨胀产生的膨胀压力足以涨裂岩石，实际施工时效果明显。
2、安全：储存、运输、组装、使用和回收等过程安全可靠，相对于炸药爆破可彻底消除哑炮崩人事故。主机与爆破器材分离，从灌装至爆破结束时间较短。液态二氧化碳灌注仅需1-3分钟，起爆至结束仅需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。
3、爆破易控制：因我项目基坑领近武黄铁路，选用二氧化碳预裂具有无破坏性震动和短波的特点，对周边环境及建（构）筑物无破坏性影响。
4、爆破进度：无需工火库，管理简洁，操作易学，操作人员少，无需专业人员值守。组装、填充操作简单，爆破准备时间短，可大大提高工作效率。
5、环保：定向泄能对周围环境不产生破坏，不产生一氧化碳及氮气等有害气体，能较好的改善工作环境，有益工人身体健康。而采用普通破碎锤破除，噪声大，会产生粉尘，对周边的环境有一定影响。
2成本分析
结合项目本身而言，原计划采用爆破施工，因周边存在铁路及小区，未通过审批，前期一直采用2台PC450破碎锤进行破除，在挖至基坑底时，灰岩强度过高，破碎锤破效率太低，满足不了车站工期要求，故项目部通过考察了解，又采用了CO2气体致裂岩石的施工工艺。对单独采用大型破碎锤破除和破碎锤+CO2气体致裂进行了分析，结果如下：
1、破碎锤破除：本项目采用两台PC450破碎锤，破除总量约17300立方米，耗时4个月，设备燃油费18万，设备租赁费98万。每立方米灰岩破除单价=（180000+980000）/17300=67元/m³，每天破除140方。
2、破碎锤+CO2气体致裂：1台PC450破碎锤设备租赁费2万，燃油费0.3万，CO2气体致裂费用4万元，破除量约800立方米，耗时5天。每立方米灰岩破除单价=（20000+3000+40000）/800=78.8元/m³，每天破除260方。
3工程经验总结
1、使用大型破碎锤破除相对于使用破碎锤+CO2气体致裂比，单价低，但是每天破除量少，施工过程中会产生大量扬尘及噪音，对周边环境影响较大，且破碎锤长时间工作容易出现油管破裂、锤体断裂等机械故障，工期较长。
2、使用破碎锤+CO2气体致裂，单价较高，但是每天破除量较大，施工过程中产生的扬尘及噪音较小，对周边环境影响较小，工期较段。
综合分析得出：二氧化碳致裂施工工艺在灰岩强度高，与大型破碎锤相比，具有较强优越性。