山嶺隧道下穿明長城水磨鉆靜態(tài)爆破施工技術(shù)

王炳麟

（中鐵二十二局集團(tuán)第四工程有限公司，天津 301700）

0 引言

中國文化源遠(yuǎn)流長，在中華文明璀璨的歷史長河中，長城作為最耀眼的明珠而存在。隨著國家交通建設(shè)的飛速發(fā)展，路網(wǎng)的規(guī)劃不可避免地會(huì)與歷史古建筑及文明古跡相交匯。為達(dá)到施工與文保和諧統(tǒng)一，確保施工過程中文物保護(hù)安全，降低施工過程中文保風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，進(jìn)行相關(guān)課題的研究顯得尤為重要。張悅[1]模擬三臺(tái)階法和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工對(duì)明長城的影響；蔣志強(qiáng)[2]研究小凈距隧道在不同施工工序、不同開挖進(jìn)尺、不同支護(hù)剛度下，洞室的相互影響規(guī)律、圍巖的應(yīng)力、圍巖變形以及烽火臺(tái)的穩(wěn)定性問題。潘雪峰[3]以實(shí)際工程為背景，對(duì)隧道穿越明長城設(shè)計(jì)方案與施工技術(shù)進(jìn)行研究。熊華濤[4]確定了下穿明長城段地表最大沉降不應(yīng)超過30 mm、位移速率不應(yīng)大于5 mm/d、局部傾斜應(yīng)小于1‰的控制標(biāo)準(zhǔn)，并分析了不同（超前）支護(hù)措施對(duì)地表沉降的控制效果崔會(huì)超等[5]將“水磨鉆”非爆破開挖施工工藝應(yīng)用到小斷面地鐵隧道施工中。李曉輝[6]對(duì)靜態(tài)爆破在公路隧道施工中應(yīng)用進(jìn)行研究。李杰浩等[7]研究了提高靜態(tài)爆破施工效率與經(jīng)濟(jì)性的措施、隧道靜態(tài)爆破參數(shù)設(shè)計(jì)與開挖。李波等[8]提出水磨鉆斷面取芯+靜爆破巖施工工藝。聶雯等[9]研究利用混凝土比擬巖石進(jìn)行無邊界約束情況下的石方靜脹試驗(yàn)，基于試驗(yàn)結(jié)果建立了DDA（Digital Differential Analyzer，數(shù)值微分）單孔靜脹模型。

本項(xiàng)目依托朔神高速公路第二合同段項(xiàng)家溝隧道工程建設(shè)，對(duì)新建隧道掘進(jìn)下穿明長城古遺址段施工技術(shù)展開研究，以實(shí)現(xiàn)施工對(duì)明長城遺址不造成影響和隧道順利貫通的目的。

1 工程概況

朔神高速公路第二合同段項(xiàng)家溝隧道位于神池縣龍泉鎮(zhèn)，隧址區(qū)位于管岑山東南側(cè)余脈。左線起止里程ZK16+250～ZK16+528，長278 m；右線起止里程K16+255～K16+525、長270 m，采用端墻式洞門。隧道洞頂?shù)匦纹鸱^大，兩端洞口均為基巖陡坡。隧址最高點(diǎn)地面標(biāo)高約為1501 m，對(duì)應(yīng)的里程樁號(hào)為K16+260 附近，整個(gè)隧道地表海拔高程介于1445～1501 m，相對(duì)高差約56 m，隧道在K16+350、ZK16+345 處下穿明長城古遺址（圖1）。

圖1 項(xiàng)家溝隧道與明長城古遺址位置

2 項(xiàng)家溝隧道下穿明長城古遺址方案比選

明長城作為中華文化瑰寶，需要遵循文物“保護(hù)為主、搶救第一、合理利用、加強(qiáng)管理”的十六字方針。當(dāng)土木工程與文物古跡相交匯時(shí)，必須選擇合理的施工方法，確保文物安全。近年來，隨著綠色施工技術(shù)大力發(fā)展，非爆破施工工藝在高速公路隧道掘進(jìn)中得到廣泛推廣。常用非爆破高速公路隧道施工技術(shù)主要有懸臂掘進(jìn)機(jī)法、“水磨鉆+靜態(tài)爆破劑”法、液壓劈裂法等。依據(jù)項(xiàng)家溝隧道勘察資料可知，隧道穿越明長城古遺址段巖石為中風(fēng)化灰?guī)r夾薄層泥灰?guī)r，較堅(jiān)硬、巖性單一，地下水對(duì)隧洞施工影響小，大部分圍巖為Ⅳ～V 類，圍巖基本上穩(wěn)定。

神池明長城墻體為石砌，現(xiàn)在仍可見其石基、石堆等，這些長城城墻建筑多因地制宜、就地取材，在平原和矮丘處，以土板構(gòu)筑城墻，而在山上就以石壘砌。根據(jù)神池縣文物局《關(guān)于呼北高速公路神池段建設(shè)工程中加強(qiáng)長城保護(hù)工作的通知》要求，為降低隧道下穿明長城古遺址段施工風(fēng)險(xiǎn)，確保施工安全，對(duì)不同施工方案依據(jù)工程項(xiàng)目管理原則進(jìn)行比選，具體比選方案如圖2 所示。項(xiàng)家溝隧道下穿明長城段擬采用“水磨鉆鉆孔+靜力爆破劑加熱膨脹劈巖+周邊鉆孔劈巖機(jī)修整”的施工方案。

圖2 項(xiàng)家溝隧道下穿明長城古遺址段施工方案比選

3 項(xiàng)家溝隧道下穿明長城古遺址技術(shù)要點(diǎn)

3.1 “水磨鉆+靜態(tài)爆破”施工技術(shù)流程

項(xiàng)家溝隧道下穿明長城古遺址段擬先采用水磨鉆沿掌子面掘進(jìn)區(qū)域周邊以相割圓方式按水平方向施鉆取芯，在周邊形成連續(xù)槽道，成型開挖輪廓，為中部巖體劈裂和后部隧道擴(kuò)挖提供臨空面。在中部開挖區(qū)域周邊內(nèi)使用風(fēng)鉆按一定間距在水平方向鉆劈裂孔，然后以周邊槽道形成的臨空面，用靜力爆破劑自周邊向內(nèi)進(jìn)行分裂開挖巖體，周邊采用液壓劈裂機(jī)劈裂巖體（圖3）。

圖3 “水磨鉆鉆孔+靜力爆破劑加熱膨脹劈巖”的工藝流程

3.2 機(jī)械設(shè)備配置及器材選擇

根據(jù)項(xiàng)家溝隧道穿越明長城古遺址段工程水文地質(zhì)現(xiàn)狀、質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)、工期要求及神池縣文物局下發(fā)的《關(guān)于呼北高速公路神池段建設(shè)工程中加強(qiáng)長城保護(hù)工作的通知》要求，并結(jié)合項(xiàng)目所在地機(jī)械設(shè)備租賃實(shí)際，采用Φ160 mm 水磨鉆、靜爆劑，具體設(shè)備及器材配置見表1。

表1 機(jī)械設(shè)備及器材配置表

3.3 確定非爆開挖斷面

隧道開挖斷掌子面尺寸根據(jù)隧道整體開挖規(guī)劃及掏槽區(qū)大小確定，必須滿足作業(yè)人員操作需要且方便操作，非爆開挖部分宜位于隧道下部中線處。整體規(guī)劃一個(gè)掌子面上的施工分段情況。由于開挖掌子面較大，故計(jì)劃分3 個(gè)階段進(jìn)行施工，各段鉆孔位置、孔距、排距和孔徑如圖4 所示。

圖4 超前導(dǎo)坑水磨鉆鉆孔孔位咬合圓示意

考慮到公路隧道非爆破開挖及隧道擴(kuò)挖層、支護(hù)等循環(huán)時(shí)間等，按照一天一循環(huán)進(jìn)行組織，同時(shí)考慮到相同周長條件下圓形面積最大的特點(diǎn)，非爆開挖掌子面也采用圓形斷面（半徑為1.5 m 左右為宜），可以做到一次搭設(shè)簡易作業(yè)支架、完成一次作業(yè)循環(huán)全部鉆孔。

3.4 水磨鉆布孔、取巖芯

由專業(yè)測量工程師根據(jù)隧道洞內(nèi)控制導(dǎo)線精確測設(shè)出劈裂開挖斷面的圓心，在掌子面上標(biāo)出各開挖段鉆孔的中心位置。

人工手持水磨鉆在圖5a）的二環(huán)線上采用以相割圓方式按水平方向施鉆取芯，形成連續(xù)槽道臨空面，將巖心與周圍巖體分開，孔距70 mm，水磨鉆鉆孔孔徑100 mm；相鄰兩個(gè)鉆孔相割70 mm，相鄰鉆孔咬合20～30 mm，每次鉆取深度1000 mm 左右。每臺(tái)鉆機(jī)由3～4 人操作，完成1 個(gè)孔鉆取芯時(shí)間約5～10 min。

圖5 開挖斷面鉆孔布置

3.5 搭設(shè)簡易臺(tái)架

搭設(shè)臺(tái)架鋼管應(yīng)采用GB/T 13793—2016《直縫電焊鋼管》或GB/T 3091—2015《低壓流體輸送用焊接鋼管》規(guī)定的Q235普通鋼管，鋼管型號(hào)為Φ48.3×3.6 mm，臺(tái)架的搭設(shè)要根據(jù)設(shè)計(jì)要求，同時(shí)要滿足水磨鉆施工精度及安全性所需的足夠的強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性。根據(jù)隧道斷面尺寸及施工作業(yè)面需求，臺(tái)架作業(yè)面與隧道頂部的垂直距離為80 cm，臺(tái)面寬度與掌子面兩側(cè)分別預(yù)留100 cm，以滿足水磨鉆施工時(shí)所需作業(yè)面。

3.6 劈裂孔布設(shè)及鉆孔

為確保項(xiàng)家溝隧道下穿明長城古遺址段施工安全，達(dá)到文物保護(hù)單位的要求，將施工隊(duì)明長城古遺址段的影響降到最低，同時(shí)滿足工程質(zhì)量及工期要求，靜態(tài)爆破孔梅花布設(shè)，爆孔間距不大于掌子面的最小抵抗線。

為確保靜態(tài)爆破效率，提高靜爆劑利用率，劈裂孔鉆孔設(shè)備采用YT28 型鑿巖機(jī)，劈裂孔直徑42 mm，劈裂孔鉆孔與開挖掌子面成87°夾角。

3.7 靜態(tài)爆破劑放置

（1）使用前，先按配合比靜態(tài)爆破劑∶水=0.7∶0.3（重量比）進(jìn)行靜爆劑制作，然后將拌制好的靜爆劑倒入劈裂孔，并用專門工具將靜爆劑擠壓密實(shí)，深度較大的劈裂孔可以根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際分段裝藥。

（2）當(dāng)靜爆劑在劈裂孔中產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，隨著巖石裂縫的出現(xiàn)，需連續(xù)不斷向裂縫中加水，以確保靜爆劑在劈裂孔中持續(xù)工作，隨著水分的加入，巖石劈裂效果顯著增加。

（3）為確保靜爆劑灌注過程的安全及高效，擬采取分組形式進(jìn)行施工，每灌注小組由3 人組成，組長負(fù)責(zé)靜爆劑的拌制及灌注。2 名組員負(fù)責(zé)已灌注靜爆劑劈裂孔的擠壓密實(shí)工作。

（4）溫度是影響靜爆劑爆破效果的主要因素，靜爆劑灌注及擠壓密實(shí)過程中，要?jiǎng)討B(tài)監(jiān)測劈裂孔孔壁、靜爆劑、水及周邊環(huán)境的溫度，靜爆劑拌制到灌注擠壓密實(shí)的持續(xù)時(shí)間應(yīng)小于5 min。

（5）為確保靜態(tài)爆破效果，當(dāng)劈裂孔穿越地下水位時(shí)需為水位以下的劈裂孔安裝相應(yīng)長度的套管。

3.8 靜爆劑反應(yīng)時(shí)間的控制

靜爆劑反應(yīng)的快慢與溫度有直接的關(guān)系，溫度越高反應(yīng)時(shí)間越快，反之則慢。靜爆劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的時(shí)間宜控制在30～60 min，具體時(shí)間應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際工況進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。

3.9 檢查驗(yàn)收、信息反饋

檢查驗(yàn)收、信息反饋。每循環(huán)后檢查施工效果，分析存在問題及原因，及時(shí)修正相關(guān)參數(shù)，改善技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，提高開挖效率和保證施工安全。

4 效益分析

4.1 經(jīng)濟(jì)效益

“水磨鉆鉆孔+靜力爆破劑加熱膨脹劈巖+周邊鉆孔劈巖機(jī)修整”施工工藝綜合費(fèi)用低，本工藝通過調(diào)整水磨鉆鉆孔參數(shù)、規(guī)劃臨空面及合理選用靜態(tài)爆破劑等措施，在優(yōu)化破碎效果、提高掘進(jìn)速度的前提下，縮短了水磨鉆鉆孔、清渣和靜爆劑攪拌灌裝的時(shí)間。雖然設(shè)置臨空面增加了水磨鉆取芯的時(shí)間，但單位體積范圍內(nèi)掘進(jìn)效率有顯著提高。通過對(duì)施工工藝各關(guān)鍵工序所需作業(yè)時(shí)間進(jìn)行對(duì)比分析，通過造價(jià)工程師對(duì)現(xiàn)場勞動(dòng)力、靜態(tài)爆破劑用量和機(jī)械設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)計(jì)核算，水磨鉆鉆孔機(jī)械臺(tái)班增加67.5 臺(tái)班，由于水磨鉆鉆孔的施工，鑿巖機(jī)鉆劈裂孔減少35.8 臺(tái)/班。出渣用裝載機(jī)減少8.7 臺(tái)/班，配套人工開挖勞動(dòng)力減少150.6 工日，靜態(tài)爆破劑用量減少62.1 t。

采用優(yōu)化施工工藝后，單循環(huán)掘進(jìn)施工作業(yè)時(shí)間節(jié)約4.5 h，單循環(huán)掘進(jìn)進(jìn)度可增加0.3 m，施工效率提高了0.5 m/d。項(xiàng)家溝隧道下穿明長城古遺址段范圍為548 m，總工期縮短了55 d，節(jié)省25 4811.6 元的費(fèi)用。

4.2 社會(huì)效益

（1）項(xiàng)家溝隧道下穿明長城古遺址段施工過程中，由于“水磨鉆鉆孔+靜力爆破劑加熱膨脹劈巖+周邊鉆孔劈巖機(jī)修整”施工工藝的成功應(yīng)用，確保了明長城的安全，得到了文物保護(hù)部門及建設(shè)單位的肯定，為企業(yè)獲得良好的社會(huì)信譽(yù)。

（2）通過對(duì)項(xiàng)家溝隧道下穿明長城古遺址段施工施工技術(shù)的研究，提升了企業(yè)在同類工程中的總體施工水平，豐富了靜態(tài)爆破技術(shù)。

4.3 環(huán)保效益

水磨鉆及液壓劈裂機(jī)工作時(shí)，由于施工工藝所具有的特性，實(shí)際施工中噪聲低、振動(dòng)沖擊下、無粉塵等，施工環(huán)境中無有害有毒氣體，符合綠色施工要求，施工作業(yè)環(huán)境顯著改善。

5 結(jié)束語

（1）以項(xiàng)家溝隧道下穿明長城古遺址段為依托，對(duì)隧道下穿明長城古遺址段采用“水磨鉆鉆孔+靜力爆破劑加熱膨脹劈巖+周邊鉆孔劈巖機(jī)修整”的施工工藝，依據(jù)實(shí)際工況動(dòng)態(tài)優(yōu)化施工工藝，形成全套施工技術(shù)措施，確保施工期間明長城古遺址安全。

（2）在工程項(xiàng)目“三控一管理”前提下，本方案節(jié)約費(fèi)用約254 811.6 元，縮短工期55 d，工程質(zhì)量得到進(jìn)一步優(yōu)化，在符合工程參建各方利益及需求的前提下，取得良好的經(jīng)濟(jì)社會(huì)及環(huán)保效益。