[发明专利]一种环境友好的硬质岩体沟槽开挖的方法

说明书

本发明公开了一种环境友好的硬质岩体沟槽开挖方法，该方法分成垂直临空面开挖和沟槽开挖。辅助钻孔布置在沟槽轮廓线上，为垂直钻孔。临空面开挖分三步，采用倾斜致裂孔，致裂孔内安放装有液态CO2的致裂管，防冲孔的堵塞装置堵塞致裂孔，通过CO2相变技术致裂岩体。垂直临空面形成后，在距离临空面一定距离布置垂直钻孔，孔内放置放装有液态CO2致裂管，进行沟槽开挖。本发明方法易行，操作简便适合硬质岩体的沟槽开挖，具有振动小，无飞石、无噪音、无任何有毒气体产生，对环境无不良影响，且相对于其它方法施工效率高，费用低，特别适合于周围环境复杂区域的硬质岩体沟槽开挖。

技术领域

本发明属于岩土工程领域，更具体涉及一种硬质岩体沟槽开挖的方法，它适用于环境复杂区域的硬质岩体沟槽开挖工程。

背景技术

在硬质岩体中开挖沟槽，最有效的方法是采用传统化学爆破的方式，即利用炸药在瞬间产生的冲击波和高压气体对岩体做功，达到岩体破碎的目的。然而，炸药在起爆时，会产生大量的有害气体、噪音及飞石，对环境造成不良影响，而且由于爆破过程不可控，其产生的振动对周围岩体和建构筑物造成危害。因此在重要设施附近及其他对环境要求高的地区的硬质岩体中开挖沟槽，一般不允许采用爆破方式，工程中一般采取液压破碎方式或静态破碎方式。

液压破碎可以分为液压锤和液压棒两种。其中，液压锤利用钎头冲击破碎岩体，是一种动态破碎工艺，用于小规模岩体开挖或孤石破碎；液压棒致裂是一种准静态破岩技术，操作时预先在需要剥离的岩体中钻孔，然后将液压棒放置钻孔中，利用高压泵通过液压棒对岩体钻孔的孔壁施加压力，当孔周的切向拉力大于岩体的抗拉强度时，岩体出现拉裂破坏。液压破碎法安全性好，振动基本可以忽略，无飞石和有毒气体产生，但其固有的缺陷限制了应用范围：液压锤的冲击作用使岩体呈粉状剥离，消耗大量的能量，导致破岩效率低，成本高昂，且持续的噪音对环境影响大；液压棒破岩机理在于岩体的静力拉裂破坏，因其破裂面少，剥落的岩体块度太大，需要二次破碎，此外，该方法每次剥离岩体量少，工效低，成本高。因此液压破碎法在大范围硬质岩体开挖工程中难以得到广泛应用。

静态破碎法是利用膨胀剂在钻孔中膨胀使岩体产生拉应力，当拉应力大于岩石的抗拉强度时，岩体被拉裂破碎。静态破碎技术无噪音和振动，对环境友好，但每个钻孔处理的岩体体积小，而且膨胀剂的膨胀过程耗时长，因此工效特低，综合成本高，因而只能在小范围使用。

另外，无论是液压破碎还是静态破碎，当岩体仅有一个自由面时，例如硬质岩体中的沟槽开挖，岩体破碎几乎不可能。因此，为安全高效处理复杂环境中硬质岩体中的沟槽开挖，需要开发一种全新的施工技术。

二氧化碳相变致裂技术是一种以物理爆炸为主的爆破方法，起源于上世纪三十年代的欧美，上世纪九十年代引入中国，主要用于煤矿开采及瓦斯抽取。该技术利用液态CO2为媒介，将液态CO2和激发管封装在致裂管内。激发管通电后在瞬间产生800℃以上的高温，液态CO2变成超临界CO2，在致裂管内产生100～300MPa峰值压力。致裂管底部预设泄压孔，用泄能片封堵。当致裂管内压力超过泄能片的剪切强度时，泄能片被剪断，超临界CO2从泄压孔快速释放，并发生相变气化，其体积瞬间膨胀600-700倍，作用在周边煤层上，致使煤层开裂。目前CO2致裂技术在某些特殊条件下的露天台阶爆破工程也得到初步应用。

相比传统炸药爆破，CO2致裂技术产生的冲击压力和气体膨胀压力较低，因此在岩体工程应用中存在条件限制，即当抛掷方向存在较好的临空面的条件下，CO2致裂技术才能有效破碎岩体。实际沟槽开挖工程中，岩体往往只有一个自由面，受岩体夹制作用，CO2致裂技术破岩效果差，另外，由于随机分布的岩体结构面，对沟槽坡面的光滑性造成影响，因此常用的CO2致裂工艺无法用于沟槽开挖。

发明内容