Инженеры китайской компании Huizhou Hydropower Construction Engineering (HHCE), специализирующейся на гидротехническом и тоннельном строительстве, предложили использовать углекислый газ для прокладки горных тоннелей, метрополитена и сложных гидротехнических объектов. По их оценке, эта технология способна в перспективе заменить традиционные взрывные работы там, где действуют повышенные требования к безопасности и минимальному воздействию на окружающую застройку.
Проблема, которую пытались решить китайские специалисты, хорошо известна многим городским властям. Современные тоннели все чаще прокладываются в горах и под застроенными территориями, где любые взрывные работы сопровождаются вибрациями, шумом и риском повреждения зданий и инфраструктуры. Классические взрывы эффективны, но 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 следующем. В заранее пробуренные шпуры закачивается жидкий CO₂, находящийся под высоким давлением. После инициирования внутри устройства разрушается мембрана, и углекислый газ практически мгновенно переходит в газообразное состояние. Его объем увеличивается в десятки раз, создавая внутри шпура давление в сотни мегапаскалей. 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.
До последнего времени эту технологию применяли в основном эмпирически, опираясь на опыт и пробные пуски. Инженеры не имели точного ответа на вопрос, какую именно энергию выделяет CO₂ при фазовом переходе, и насколько она безопасна для зданий на поверхности. В своей работе исследователи 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 CO₂-фракционирование с обычными взрывными работами и применять уже существующие нормы и методики оценки вибрационного воздействия.
Полученные расчеты были проверены на реальном объекте – при проходке водохозяйственного тоннеля в горной местности, над которым располагались жилые дома, в том числе с уязвимыми деревянными конструкциями. Согласно нормативам, скорость колебаний грунта у таких зданий не должна превышать 1 см/с. Расчеты показали, что энергетическое воздействие CO₂-устройств составляет лишь около 20% от максимально допустимого уровня. Инструментальные измерения подтвердили эти оценки: максимальная зафиксированная вибрация у ближайших домов составила 0,18 см/с, то есть была в несколько раз ниже предельных значений и не представляла опасности для конструкций.
Теперь специалисты HHCE 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 строительстве вблизи жилой застройки.
