鄰近高鐵站深基坑石方開(kāi)挖技術(shù)研究與應(yīng)用

摘要：以京滬高鐵泰安站出站口和西外環(huán)路綜合改造工程為實(shí)例，在鄰近高鐵站進(jìn)行深基坑開(kāi)挖，基坑最大深度為16m，地質(zhì)為Ⅵ級(jí)堅(jiān)石且?guī)r體完整，重點(diǎn)研究在不影響既有結(jié)構(gòu)安全的前提下，采用鉆孔切割+液態(tài)二氧化碳致裂巖石施工技術(shù)完成基坑的開(kāi)挖施工，總結(jié)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)類似深基坑施工提供較好的借鑒作用。

關(guān)鍵詞：鐵站；深基坑；鉆孔切割；液態(tài)二氧化碳；致裂巖石

近年來(lái)，我國(guó)建筑行業(yè)得到了快速的發(fā)展，地下空間不斷被建設(shè)利用，深基坑施工過(guò)程中的安全風(fēng)險(xiǎn)和技術(shù)保障問(wèn)題日漸受到關(guān)注。與此同時(shí)，基坑工程項(xiàng)目周邊的環(huán)境越來(lái)越復(fù)雜，尤其是越來(lái)越多的基坑項(xiàng)目與既有結(jié)構(gòu)的距離越來(lái)越近，甚至出現(xiàn)鄰近高鐵站的情況，如果深基坑施工開(kāi)挖方法不正確將直接危及既有鐵路的安全運(yùn)營(yíng)。

對(duì)于巖石地質(zhì)的基坑開(kāi)挖一般采用爆破工藝居多，而針對(duì)本工程，基坑距離高鐵泰安站過(guò)近，人流量大，按照安全和環(huán)保要求不得實(shí)施爆破作業(yè)。本文通過(guò)采用鉆孔切割+液態(tài)二氧化碳致裂巖石施工技術(shù)進(jìn)行開(kāi)挖并取得了較好的效果。

一、工程概況

京滬高鐵泰安站出站口和西外環(huán)路綜合改造工程位于泰安市岱岳區(qū)，新建西外環(huán)路基坑西側(cè)邊坡距泰安站站房基礎(chǔ)9m，東側(cè)邊坡距離既有西外環(huán)路橋梁基礎(chǔ)為2.5m。新框架橋結(jié)構(gòu)形式為2-13m鋼筋混凝土連體框架，全長(zhǎng)401.14m，基坑開(kāi)挖深度10m-16m。框架橋兩端為U型框架結(jié)構(gòu)形式，全長(zhǎng)278.4m，基坑開(kāi)挖深度3m-10m。

二、施工難點(diǎn)

（一）傳統(tǒng)式液壓破碎錘方案不可用

基坑兩米以下地質(zhì)為Ⅵ級(jí)堅(jiān)石，巖體完整，節(jié)理不發(fā)育，巖石強(qiáng)度高，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)取樣試驗(yàn)，巖石最大強(qiáng)度達(dá)到102Mpa；基坑石方開(kāi)挖量大，施工盡量縮短基坑裸露時(shí)間，確?；影踩?。采用傳統(tǒng)液壓錘巖石破碎效率差、成本高、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，不可用。

（二）禁止實(shí)施爆破作業(yè)

施工期間基坑邊坡外側(cè)進(jìn)站、出站道路正常通行，人流量大，作業(yè)空間有限；由于臨近正在運(yùn)營(yíng)的泰安高鐵站，根據(jù)《鐵路運(yùn)輸安全保護(hù)條例》規(guī)定：第十八條 在鐵路線路兩側(cè)路堤坡腳、路塹坡頂、鐵路橋梁外側(cè)起各1000米范圍內(nèi)，禁止從事爆破作業(yè)。

三、技術(shù)方案的研究和比選

為解決石方開(kāi)挖困難，在保證高鐵站房、旅客安全以及環(huán)保要求的前提下，先后提出三個(gè)方案進(jìn)行可行性分析：

（一）劈裂機(jī)劈裂巖石

采用潛孔鉆進(jìn)行鉆孔，然后采用液壓劈裂機(jī)進(jìn)行劈裂，再采用破碎錘進(jìn)行巖石破碎。此方案需要逐孔劈裂，一次劈裂深度只有80cm，進(jìn)度緩慢，無(wú)法保證工期要求。

（二）膨脹劑靜態(tài)爆破巖石

在巖體上鉆孔，將膨脹劑按配比配好后灌入孔內(nèi)，依靠其膨脹力使巖石產(chǎn)生裂隙或裂縫，從而達(dá)到破碎的目的，無(wú)震動(dòng)、飛石、噪音和污染。但其膨脹周期長(zhǎng)，且膨脹壓力在30～50Mpa范圍，對(duì)于高強(qiáng)度巖石和強(qiáng)度不均勻處效果差。

（三）鉆孔切割+液態(tài)二氧化碳致裂巖石

采用潛孔鉆機(jī)順橋向開(kāi)挖邊界進(jìn)行鉆孔切割巖石并做好臨空面，合理布置致裂孔，采用自動(dòng)充裝機(jī)將液態(tài)二氧化碳裝入致裂管內(nèi)；高能脈沖起爆器激活致裂管里面的活化器，使液態(tài)二氧化碳在快速加熱的條件下，體積急速膨脹，產(chǎn)生強(qiáng)大的沖擊力（200-400Mpa），沖破致裂管，達(dá)到破巖效果，最后再采用破碎錘進(jìn)行破碎。液態(tài)二氧化碳致裂巖石震動(dòng)小，震動(dòng)力向臨空面?zhèn)柔尫牛ＷC了既有建筑物的安全。

四、技術(shù)方案的選定

經(jīng)方案比選，確定鉆孔切割+液態(tài)二氧化碳致裂巖石施工技術(shù)為最終方案。其優(yōu)勢(shì)如下：

（一）安全和環(huán)保

1.鉆孔切割在基坑輪廓線上將需破碎巖石與外側(cè)巖石隔斷，到達(dá)預(yù)裂爆破效果，防止二氧化碳致裂時(shí)擠壓巖石，影響站房及既有橋臺(tái)基礎(chǔ)穩(wěn)定。

2.二氧化碳化學(xué)、物理特性優(yōu)越，其化學(xué)架穩(wěn)定，可視為惰性氣體，臨界溫度高，容易液化，并且不能燃燒；液態(tài)二氧化碳致裂巖石產(chǎn)生的振動(dòng)破壞力很小，爆速大大低于炸藥雷管爆破，沖擊力一般200-400Mpa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于炸藥爆破的1000-5000Mpa。

3.二氧化碳不像炸藥爆炸產(chǎn)生大量一氧化碳等有毒有害的氣體以及大量粉塵；致裂的噪音很小，震動(dòng)很小，基本沒(méi)有噪音污染。

（二）進(jìn)度和成本

采用液態(tài)二氧化碳致裂巖石技術(shù)，將整體大塊巖石產(chǎn)生裂縫，再采用破碎錘進(jìn)行破碎，加快施工進(jìn)度；二氧化碳采用的是化工廠、電廠的廢氣，是廢氣的再利用，不用再消耗能源去生，節(jié)約了成本。

五、鉆孔切割+液態(tài)二氧化碳致裂巖石方案實(shí)施

（一）鉆孔切割和制造臨空面

因基坑兩側(cè)距離既有建筑物較近，為避免二氧化碳致裂時(shí)擾動(dòng)既有基礎(chǔ)地基，采用潛孔鉆機(jī)順橋向開(kāi)挖邊界進(jìn)行鉆孔切割巖石層，鉆孔直徑為10cm，間距為20cm，隨每層致裂深度逐層向下切割。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工情況，布置好巖石致裂范圍，采用破碎錘提前做好致裂臨空面，臨空面采用破碎錘直接破碎，提高二氧化碳致裂巖石效果。

（二）液態(tài)二氧化碳致裂巖石

1.致裂孔準(zhǔn)備

（1）選用420型潛孔鉆機(jī)鉆孔，梅花形布置，孔與孔間隔2m，孔深4m，直徑110mm。鉆機(jī)作業(yè)前，在鉆機(jī)上安裝鉆機(jī)除塵器，避免大量揚(yáng)塵。

（2）致裂孔成型后，要對(duì)致裂孔進(jìn)行檢查，一是檢查孔內(nèi)雜質(zhì)是否清理干凈，二是檢查致裂孔是否符合致裂參數(shù)設(shè)計(jì)要求的深度、孔距、排距等。

2.致裂管的準(zhǔn)備

（1）致裂管采用鐵管加工而成，經(jīng)試驗(yàn)段效果獲取參數(shù)后，確定使用長(zhǎng)1.2m，外徑108mm的致裂管，充裝液態(tài)二氧化碳后質(zhì)量約為17.5Kg。將活化器放置在致裂管內(nèi)，裝上密封墊，連接導(dǎo)線。測(cè)量電阻，電阻在1-2歐姆為正常。

（2）采用充裝機(jī)自動(dòng)充裝二氧化碳，當(dāng)輸送重量達(dá)到數(shù)值時(shí)，通過(guò)傳感器傳送信號(hào)至驅(qū)動(dòng)氣源電磁閥，氣源關(guān)閉。機(jī)器停止后，關(guān)閉進(jìn)口球閥，再打開(kāi)出口球閥將多余氣體放出。

（3）用萬(wàn)用表測(cè)量?jī)啥说碾娮?，電阻?yīng)該在4歐姆左右，電阻太大和電阻為0都不合格。

（4）把連接好的致裂管放到致裂孔里面，回填30cm厚碎石硝，人工搗鼓密實(shí)，上部采用水泥、膨脹劑、速凝劑、細(xì)砂混合料進(jìn)行填充，需凝固15分鐘后方可致裂。若致裂孔中有水，需要在致裂前采用自吸泵將孔內(nèi)水抽干，再放入致裂管進(jìn)行封堵，并適當(dāng)延長(zhǎng)封堵材料凝固時(shí)間。

3.致裂實(shí)施

（1）利用導(dǎo)線將各致裂管線路串聯(lián)連至高能脈沖起爆器。

（2）高能脈沖起爆器使用晶體變換器，將6V支流電升壓，再經(jīng)高反壓二極管整流后，電流上升時(shí)間快，提供強(qiáng)大的瞬時(shí)電流，引爆電壓為1800V。

（3）在致裂孔上面使用炮被進(jìn)行覆蓋，致裂作業(yè)前通知現(xiàn)場(chǎng)人員撤離致裂區(qū)域后（30m外）方可進(jìn)行致裂巖石作業(yè)。

（三）效果確認(rèn)

巖石致裂完畢后，由致裂人員確認(rèn)致裂致裂管致裂情況，通過(guò)電阻測(cè)試法確認(rèn)是否有未破裂儲(chǔ)液管情況，如未致裂成功，重新連線起爆。

由致裂人員確認(rèn)完畢后，通知現(xiàn)場(chǎng)負(fù)責(zé)人可進(jìn)行下一步施工。采用破碎錘對(duì)致裂后巖石進(jìn)行破碎，并裝車外運(yùn)。

綜上所述，本項(xiàng)目研究采用的鉆孔切割+液態(tài)二氧化碳致裂巖石施工技術(shù)，可將整體巖石進(jìn)行致裂產(chǎn)生裂紋，提高破碎錘施工工效，解決了本工程地下巖石硬度大、整體性好、臨近高鐵站等存在的難題，在本項(xiàng)目中取得了良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，該施工技術(shù)具有可復(fù)制性和推廣性，具有很好的推廣應(yīng)用前景，為以后在類似情況下規(guī)劃建設(shè)提供了可靠的決策依據(jù)和技術(shù)指導(dǎo)。

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作者簡(jiǎn)介：李碩（1986年6月），男，漢族，山東濟(jì)寧市金鄉(xiāng)縣人，工程師。

（作者單位：中鐵十局集團(tuán)第八工程有限公司）