城市地鐵車站機(jī)械靜力非爆開挖技術(shù)

肖桂蓉 王威 葉青 劉禮

1.成都工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 四川 成都 610213

2.中鐵隧道局集團(tuán)路橋工程有限公司 天津 300308

國內(nèi)地鐵明挖車站開挖施工一般采用機(jī)械開挖或者爆破開挖。遇硬巖、較硬巖一般均采用爆破開挖，但是在城市地鐵施工時(shí)周邊環(huán)境千差萬別，若周邊環(huán)境復(fù)雜時(shí)對施工影響巨大。

在城市地鐵車站開挖施工時(shí)不可避免的會(huì)有管線、周邊建構(gòu)筑、交通、人流等影響，若遇硬巖、較硬巖地層采用爆破施工時(shí)安全風(fēng)險(xiǎn)極大。有時(shí)由于周邊環(huán)境過于復(fù)雜不得采用爆破施工，因此遇硬巖、較硬巖非爆開挖技術(shù)在城市地鐵開挖發(fā)展過程中是一種趨勢。以重慶軌道交通五號線一期工程巴山站及站前配線段在周邊高樓林立、各種市政管線眾多等復(fù)雜條件下，尤其是城市天然氣DN426次高壓主管道、加油站和交通疏解后的城市主干道臨近基坑，采用靜力非爆開挖技術(shù)為例，介紹城市地鐵車站開挖遇硬巖、較硬巖靜力非爆開挖機(jī)械的選擇、施工工藝、工效等，為類似工程施工提供借鑒和參考[1]。

1 工程概況

巴山站沿石新路呈東北～西南向布置位于石新路正下方，為地下二/三層平行雙島車站。車站北側(cè)為國窖明城、石橋鋪加油站、祥御巴山小區(qū)、巴山建材城等建/構(gòu)筑物，車站南側(cè)原為巴山廠住宅、商鋪及工廠，車站建設(shè)結(jié)合周邊規(guī)劃改造對車站紅線影響建筑物進(jìn)行拆除后建設(shè)。

巴山站為全線越行站，采用雙島四線的形式，車站總長283.6mm，基坑深度為16.4～33.2m；配線段全長147.4m，基坑深度為16.3～18.9m。

圍護(hù)結(jié)構(gòu)上部采用1:1或1:0.5放坡開挖+土釘支護(hù)，下部采用板肋式錨桿擋墻。坡面設(shè)100mm厚C25鋼筋網(wǎng)噴砼，錨桿采用HRB400鋼筋，砂漿等級M30。板肋式錨桿擋墻厚度200mm，肋柱400×600mm，肋柱（錨桿）水平間距2.5m，錨桿豎向間距2.5m，擋墻頂部設(shè)置冠梁；錨桿采用砂漿錨桿，鉆孔直徑130mm，擋墻及肋柱混凝土等級為C30，采用HRB400和HPB300鋼筋，錨桿采用HRB400鋼筋，砂漿等級M30。

本工程的重要性等級為一級，場地復(fù)雜程度為二級，工程用地環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)等級為一級。經(jīng)地面地質(zhì)調(diào)查和鉆孔揭示，勘察區(qū)出露的地層由上而下依次可分為第四系全新統(tǒng)填土層(Q4ml)、殘坡積層粉質(zhì)粘土（Q4el+dl）和侏羅系中統(tǒng)沙溪廟組(J2s)沉積巖層。地層由上而下依次可分為：雜填土層，厚度為1.5m～5.45m；砂質(zhì)泥巖，厚度為1.2m～5.4m；底部均為砂巖[2]，砂巖強(qiáng)度35～50MPa。

2 靜力設(shè)備非爆開挖施工方法

2.1 靜力設(shè)備非爆開挖綜述

具體施工工序見靜力設(shè)備非爆開挖施工工藝流程。

圖1 靜力設(shè)備非爆開挖施工工藝流程

施工準(zhǔn)備工作主要是將靜力機(jī)械設(shè)備準(zhǔn)備就緒，主要包括改裝的專業(yè)鉆機(jī)、液壓劈裂棒、液壓泵站及降塵使用的霧炮。然后將工作面淤泥、碎石及積水清除后便可進(jìn)行定位工作。

鉆孔定位需根據(jù)地質(zhì)條件、選擇的鉆機(jī)鉆孔直徑和劈裂棒進(jìn)行確定，主要是鉆孔孔位橫縱間距、鉆孔直徑和鉆孔深度。

清孔時(shí)采用高壓風(fēng)進(jìn)行清孔，采用“L”型鋼管+高壓軟管制作，通過閥門控制。

液壓劈裂棒安裝現(xiàn)場采用鉆機(jī)或者挖機(jī)進(jìn)行吊裝，安裝時(shí)液壓劈裂棒活塞必須朝向開挖方向即自由面。

待6根劈裂棒安裝好后啟動(dòng)液壓泵站，巖體隨即向開挖方向脹裂，待液壓棒內(nèi)活塞伸出至最大行程后回縮棒體活塞，再吊出安裝至同排其他孔位進(jìn)行脹裂，待第一排全部劈裂完成后采用鉤機(jī)將劈裂后的巖體向后翻倒，然后在依次進(jìn)行第二排孔位的脹裂和翻倒工作，反倒后的大塊巖體采用炮機(jī)進(jìn)行解體破解最后再進(jìn)行裝車外運(yùn)[3]。

圖2 液壓劈裂棒劈裂示意圖

2.2 設(shè)備改裝及加工

靜力非爆開挖技術(shù)需要的設(shè)備主要為改裝專業(yè)鉆機(jī)、液壓泵站和液壓劈裂棒。

鉆機(jī)改裝采用現(xiàn)代150或現(xiàn)代200型挖機(jī)進(jìn)行改裝。將挖機(jī)斗桿（小臂）及挖斗全部拆除后保留鏟斗和破碎錘液壓系統(tǒng)。將斗桿換成鉆機(jī)系統(tǒng)。

鉆機(jī)系統(tǒng)采用破碎錘油路連接鉆機(jī)液壓馬達(dá)以驅(qū)動(dòng)鉆桿及鉆頭進(jìn)行鉆進(jìn)，鏟斗油路連接鉆桿鉆臂油缸通過滑輪組和鋼絲繩組成的系統(tǒng)控制液壓馬達(dá)及鉆桿、鉆頭沿鉆臂上下活動(dòng)。

液壓馬達(dá)根據(jù)地質(zhì)情況進(jìn)行選用BMR-160擺線馬達(dá)、額定轉(zhuǎn)速330r/min，額定壓力10MPa，扭矩281N/m。

劈裂棒為定制加工組裝而成，采用40Cr合金結(jié)構(gòu)鋼。劈裂棒是有活塞、分油器、高壓油管及接頭等部件組成。

液壓泵站采用博士210高壓液壓泵，通過加工組裝而成，通過高壓分配閥門連接高壓油管同時(shí)帶動(dòng)6根劈裂棒，液壓泵站壓力150MPa， 流量為50L/min。

2.3 巴山站應(yīng)用情況

準(zhǔn)備工作完成后，將改裝專業(yè)鉆機(jī)在工作面前方進(jìn)行鉆孔，鉆孔直徑為0.2m，鉆孔深度為1～1.2m，鉆孔間距按照1*1m布設(shè)，根據(jù)巖石節(jié)理發(fā)育情況和巖石強(qiáng)度進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

圖3 改裝專業(yè)鉆機(jī)鉆孔

其次，將直徑為17.5cm，長度為1.2m的液壓劈裂機(jī)的液壓棒插入孔中，中間液壓棒通過液壓泵站傳輸?shù)膲毫ψ饔糜蓛?nèi)向外釋放出極大的能量，將被巖石按照預(yù)定的方向和部位進(jìn)行脹裂，根據(jù)現(xiàn)場施工要求一臺(tái)泵站可配備6根液壓棒工作。由于前后施工工序銜接緊密，液壓棒的循環(huán)使用，安裝和起吊液壓棒均采用現(xiàn)場炮機(jī)或鉆機(jī)配合完成。

圖4 液壓棒安裝及液壓劈裂

最后，液壓脹裂后的石塊體積大，自卸汽車不能滿足裝運(yùn)需求，所以在經(jīng)過液壓劈裂后的石塊還需采用EX1100型鉤機(jī)再次進(jìn)行分裂和翻倒，翻倒后的石塊采用炮錘式挖掘機(jī)將進(jìn)行再次破除，或者劈裂后直接采用炮機(jī)破除。

圖5 炮機(jī)破除

3 開挖效率與經(jīng)濟(jì)性

通過對每月開挖石方方量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)如下表1，靜力非爆開挖設(shè)備改造及加工費(fèi)用統(tǒng)計(jì)表見表2。

表1 石方開挖方量統(tǒng)計(jì)表

表2 設(shè)備改造及加工費(fèi)用表

通過上表統(tǒng)計(jì)，靜力非爆開挖設(shè)備一套需一次性投入29.9萬元，開挖效率每天開挖石方量570～867方，若采用常規(guī)破碎錘直接破除每天開挖方量為200～300方。靜力非爆開挖技術(shù)開挖效率提升約2.86倍。若采用小松485炮機(jī)配195破碎錘，月租金13.85萬，燃油4.35萬。靜力非爆開挖設(shè)備一次投入成本僅需常規(guī)開挖設(shè)備1.5個(gè)月的租賃費(fèi)用[4]。

以巴山站及站前配線段主體開挖中26.3萬石方開挖為例，采用一套靜力設(shè)備非爆開挖需投入約1.137元/m3，采用一套常規(guī)破碎錘炮機(jī)設(shè)備投入18.467元/m3。經(jīng)濟(jì)效益平均節(jié)約17.33元/m3，且開挖功效提高2.86倍。

4 結(jié)論與討論

重慶軌道交通五號線一期工程巴山站及站前配線段開挖采用靜力非爆開挖技術(shù)在經(jīng)濟(jì)效益和開挖工效方面均有明顯的優(yōu)越性，同時(shí)靜力非爆開挖技術(shù)施工過程中無常規(guī)炮機(jī)破除時(shí)的噪聲污染、粉塵污染，同時(shí)在能耗方面也大大降低，綠化環(huán)保。

靜力非爆開挖技術(shù)可以根據(jù)施工環(huán)境和地質(zhì)條件進(jìn)行設(shè)備的選型和替代，有較強(qiáng)的適應(yīng)性。具有較大的推廣、應(yīng)用前景。