Инженеры китайской компании Huizhou Hydropower Construction Engineering, специализирующейся на гидротехническом и тоннельном строительстве, предложили использовать углекислый газ для прокладки горных тоннелей, метрополитена и сложных гидротехнических объектов. Они считают, что эта технология способна в перспективе заменить взрывные работы там, где действуют повышенные требования к безопасности и минимальному воздействию на окружающую застройку.
Современные тоннели все чаще прокладываются в горах и под застроенными территориями, где любые взрывы сопровождаются вибрациями, шумом и риском повреждения зданий и инфраструктуры. Ударные волны распространяются на значительные расстояния, вызывая опасные трещины. Китайские инженеры предлагают альтернативу, основанную не на химическом взрыве, а на физике фазового перехода углекислого газа.
Суть метода заключается в том, что в заранее пробуренные шпуры закачивают жидкий CO2, находящийся под высоким давлением. Затем внутри устройства разрушается мембрана, а углекислый газ практически мгновенно переходит в газообразное состояние. Его объем увеличивается в десятки раз, создавая внутри шпура давление в сотни МПа. В отличие от взрывчатки, такое воздействие не формирует резкую ударную волну, а действует более плавно и направленно, раскалывая породу по естественным слабым зонам. В результате достигается эффективное разрушение массива без сильного шума, разлета обломков и дальних вибраций.
Ранее эту технологию применяли, опираясь на опыт и пробные пуски. Инженеры не имели точного ответа на вопрос, какую именно энергию выделяет CO2 при фазовом переходе, а также насколько она безопасна для зданий на поверхности. В своей работе ученые впервые подробно рассчитали энергетический эффект такого процесса. Для стандартного резервуара объемом 1,5 литра с давлением разрыва 280 МПа они получили значение около 1190 кДж, что соответствует примерно 281 грамму тротила в принятом в строительстве эквиваленте. Это принципиально важно, поскольку позволяет напрямую сравнивать фракционирование за счет CO2 с обычными взрывными работами и применять существующие нормы и методики оценки вибрационного воздействия.
Полученные расчеты были проверены при строительстве водохозяйственного тоннеля в горной местности, над которым располагались жилые дома с уязвимыми деревянными конструкциями. Скорость колебаний грунта у таких зданий не должна превышать 1 см/с. Расчеты показали, что энергетическое воздействие CO2 составляет лишь около 20% от максимально допустимого уровня. Инструментальные измерения подтвердили эти оценки. Максимальная зафиксированная вибрация у ближайших домов составила 0,18 см/с, оказавшись в несколько раз ниже предельных значений, и не представляла опасности для конструкций.
Специалисты компании Huizhou Hydropower Construction Engineering предлагают закрепить расчет энергии фазового перехода CO2 и ее перевод в тротиловый эквивалент как обязательную процедуру на стадии проектирования тоннелей и других подземных сооружений. Отдельно они подчеркивают необходимость комплексного подхода к безопасности, сочетающего инженерные расчеты, непрерывный мониторинг вибраций и регулярные обследования с применением беспилотников при работах вблизи жилой застройки.
