地鐵隧道上軟下硬地層非爆破開(kāi)挖施工技術(shù)研究與應(yīng)用

楊學(xué)營(yíng)

（中鐵三局集團(tuán)廣東建設(shè)工程有限公司，廣東 廣州 511493）

隨著城市軌道交通建設(shè)的蓬勃發(fā)展，在上軟下硬地層中施工隧道工程、地下工程等的情況越來(lái)越多，尤其是在中國(guó)的青島、濟(jì)南、廣州、深圳等地區(qū)，類似的工程等都在不斷涌現(xiàn)。上軟下硬地層隧道施工中采取的方法有盾構(gòu)法、礦山法等。盾構(gòu)法由于其具有施工安全、功效高等優(yōu)點(diǎn)，在類似工程中被不斷采用。但在一些城市建設(shè)中，由于礦山法適應(yīng)性強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)性特點(diǎn)突出等，在上軟下硬地層中采用礦山法施工的工程案例也較多。關(guān)于上軟下硬地層中采用礦山法施工的研究及工程案例也有相關(guān)文獻(xiàn)。邵標(biāo)等[1]依托大連地鐵開(kāi)展了上軟下硬地層基于組合超前大管棚與小導(dǎo)管注漿、雙層初期支護(hù)、增設(shè)大拱腳等超前剛性預(yù)加固技術(shù)理論研究與實(shí)踐應(yīng)用。楊勇等[2]依托深圳地鐵開(kāi)展了上軟下硬地層隧道上半斷面人工開(kāi)挖、下半斷面爆破施工工法的研究和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用探索，并取得了預(yù)期的應(yīng)用效果。李峰[3]依托準(zhǔn)池鐵路朔州隧道開(kāi)展了針對(duì)上軟下硬土石分界地層上斷面弧形導(dǎo)坑機(jī)械法開(kāi)挖、下半斷面爆破開(kāi)挖的組合開(kāi)挖技術(shù)的研究與應(yīng)用，該技術(shù)實(shí)用性強(qiáng)、應(yīng)用效果良好。

礦山法施工在臨近既有重要、敏感建筑物施工過(guò)程中，由于振動(dòng)控制要求等原因，一些地段限制或者不允許直接采取爆破手段進(jìn)行施工。這就導(dǎo)致機(jī)械開(kāi)挖、人工開(kāi)挖、非爆破等方法不斷被運(yùn)用于上軟下硬地層的隧道施工中。尤其是隨著近年來(lái)CO2破碎技術(shù)的不斷發(fā)展，相關(guān)技術(shù)在高速公路、基坑、礦山掘進(jìn)工作面等工程施工中的應(yīng)用也出現(xiàn)在文獻(xiàn)中[4-6]。本文是基于濟(jì)南地鐵某車站上軟下硬地層施工中，結(jié)合地層特點(diǎn)和相關(guān)施工環(huán)境、作業(yè)條件，在不允許采用常規(guī)爆破的情況下開(kāi)展的相關(guān)研究應(yīng)用。

1 工程概況

濟(jì)南市軌道交通R3 線一期土建工程龍洞停車場(chǎng)出入線區(qū)間長(zhǎng)702.651 m，斷面形式為雙線單洞，隧道埋深為5.0～10.5 m，地層條件主要有粉質(zhì)黏土、碎石土以及中風(fēng)化石灰?guī)r。隧道圍巖整體呈現(xiàn)上軟下硬的特點(diǎn)，采用礦山法施工。區(qū)間線路的兩側(cè)分布有重要建構(gòu)筑物，距離大辛河最近處48.61 m，距離西側(cè)大辛河補(bǔ)水泵站最近22.86 m，距離西側(cè)港華燃?xì)庹咀罱?1.88 m，距離東側(cè)景屏家園小區(qū)建筑最近46.1 m，周邊環(huán)境復(fù)雜敏感，控制要求高。

2 工程特點(diǎn)分析

本區(qū)間工程暗挖隧道上半斷面為碎石類土，下半斷面圍巖為石灰?guī)r，屬于上軟下硬地層，且隧道埋為淺埋（5～10 m）、工期緊。結(jié)合周邊作業(yè)環(huán)境特點(diǎn)，施工中不允許采用傳統(tǒng)的爆破法施工。施工方案的選擇和確定需要兼顧隧道施工工效和建（構(gòu)）筑物安全等因素。

第一，外部環(huán)境復(fù)雜，且不允許采用傳統(tǒng)爆破施工。由于區(qū)間工程周圍居民小區(qū)較多、附近管線復(fù)雜，為確保周圍環(huán)境安全，最大程度降低爆破施工對(duì)周邊的影響程度，工程不允許采用傳統(tǒng)的爆破法施工，給施工技術(shù)的選擇提出了挑戰(zhàn)。

第二，工期緊張，傳統(tǒng)的CRD 開(kāi)挖不能滿足工期要求。由于本隧道為地鐵區(qū)間隧道，隧道斷面較小，采用傳統(tǒng)的CRD，作業(yè)環(huán)境狹小，制約了相對(duì)大型機(jī)械化設(shè)備的使用，整體施工效率較低。

第三，隧道埋深淺，地面變形控制難度大。由于本區(qū)間隧道埋深最小處僅為5.0 m，屬淺埋暗挖施工范疇，且上部基本上為碎石地層，圍巖的自成拱效應(yīng)較低，施工中的超前預(yù)加固要求高、地表變形控制難度大。

3 施工技術(shù)

3.1 總體施工技術(shù)原理及方案

優(yōu)化的CRD 總體施工工法：將傳統(tǒng)CRD 開(kāi)挖順序由1—2—3—4（圖1）優(yōu)化為1—3—2—4（圖2），通過(guò)實(shí)現(xiàn)先上斷面2 個(gè)分部的封閉成環(huán)，再進(jìn)行下部2 個(gè)分部的開(kāi)挖封閉成環(huán)，實(shí)現(xiàn)分部開(kāi)挖工法的調(diào)整，且上軟下硬地層開(kāi)挖均可通過(guò)非爆破的方式進(jìn)行施工。

圖1 傳統(tǒng)的CRD開(kāi)挖順序

圖2 優(yōu)化后的CRD開(kāi)挖順序

下部CO2相變致裂破碎施工技術(shù)：由于隧道下半部圍巖強(qiáng)度較高，普通的機(jī)械法開(kāi)挖工效指標(biāo)低，同時(shí)施工中不允許采用傳統(tǒng)的爆破法作業(yè)。因此在隧道下部（即圖2 的3 和4）采用CO2破碎施工技術(shù)，借助CO2的相變破巖機(jī)理，實(shí)現(xiàn)隧道開(kāi)挖。

3.2 隧道CO2破碎與機(jī)械法組合開(kāi)挖施工工序

隧道開(kāi)挖施工工藝流程：超前支護(hù)→上斷面1 部（即圖2 的1）機(jī)械開(kāi)挖→上斷面2 部（即圖2 的2）機(jī)械開(kāi)挖→下斷面3 部（即圖2 的3）CO2破碎施工→下斷面4 部（即圖2 的4）CO2破碎施工→循環(huán)。

3.3 上臺(tái)階機(jī)械化開(kāi)挖施工技術(shù)

超前支護(hù)：超前支護(hù)采用小導(dǎo)管和水泥漿注漿加固。超前小導(dǎo)管直徑為42 mm，長(zhǎng)度為3 m，間距40 cm。

上斷面機(jī)械法掘進(jìn)：上斷面2 個(gè)分部采用人工配合機(jī)械進(jìn)行開(kāi)挖施工。機(jī)械開(kāi)挖如圖3 所示。

圖3 機(jī)械開(kāi)挖

3.4 下斷面2 個(gè)分部CO2破碎施工技術(shù)

炮眼鉆孔：CO2致裂破碎鉆孔采用YT28 自降塵潛孔鉆機(jī)，炮眼直徑選取Φ60 mm，鉆眼深度取1.2 m，炮眼縱向間距取500 mm，其中為減少爆破振動(dòng)對(duì)既有建筑物的影響，鉆孔中心孔位選用Φ120 mm 大直徑單中空直孔。炮眼平面布置圖如圖4 所示。

圖4 炮眼平面布置圖

CO2發(fā)生裝置壓縮、灌裝：CO2致裂器的加工主要包括組裝、充裝等工序。組裝器有充灌機(jī)、儲(chǔ)液罐、充裝臺(tái)等。CO2儲(chǔ)液罐如圖5 所示，制冷式充罐機(jī)如圖6 所示，充裝架如圖7 所示，氣動(dòng)式拆裝機(jī)如圖8所示。

圖5 CO2儲(chǔ)液罐

圖6 制冷式充罐機(jī)

圖7 充裝架

圖8 氣動(dòng)式拆裝機(jī)

CO2致裂器運(yùn)輸：利用致裂器運(yùn)輸架將充填完成的CO2致裂器運(yùn)輸至作業(yè)面。同時(shí)在運(yùn)輸?shù)倪^(guò)程中需嚴(yán)格做好數(shù)量檢查和電阻值測(cè)定，確保不存在漏氣等情況。

CO2致裂器入孔與接線：在施工現(xiàn)場(chǎng)，將經(jīng)過(guò)檢查的致裂器按照設(shè)計(jì)順序逐一進(jìn)行裝孔（如圖9所示）。核對(duì)孔內(nèi)的致裂器符合設(shè)計(jì)要求后進(jìn)行線路連接（如圖10 所示），同時(shí)在孔外進(jìn)行致裂器的防沖固定，確保施工安全。

圖9 CO2致裂器入孔

圖10 CO2致裂器接線

啟動(dòng)致裂爆破：①在致裂現(xiàn)場(chǎng)100 m 外所有可通往致裂點(diǎn)的洞口設(shè)置警戒，致裂前所有人員撤離至警戒線以外，并按規(guī)定懸掛警戒牌；②將引發(fā)線路引至警戒線以外，檢查整個(gè)電路系統(tǒng)無(wú)誤后，將引發(fā)線與引發(fā)器連接，接到引發(fā)命令后方可啟動(dòng)引發(fā)器。CO2致裂破碎效果如圖11 所示。

圖11 隧道爆破效果圖

安全檢查：CO2致裂破碎5 min 后檢查人員可進(jìn)場(chǎng)進(jìn)行安全檢查，重點(diǎn)檢查致裂器鉆孔是否存在異常。經(jīng)檢查無(wú)誤后，方可進(jìn)場(chǎng)進(jìn)行后續(xù)施工。

4 施工中監(jiān)控量測(cè)及信息反饋

監(jiān)測(cè)項(xiàng)目及監(jiān)測(cè)頻率如表1 所示。

表1 監(jiān)控量測(cè)項(xiàng)目及監(jiān)測(cè)頻率

監(jiān)測(cè)結(jié)果如表2 所示。

表2 監(jiān)測(cè)結(jié)果

總體監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示：在施工過(guò)程中，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變化穩(wěn)定可控，滿足控制要求。

5 施工效果與體會(huì)

采用先上斷面2 個(gè)分部的封閉成環(huán)，替代原來(lái)傳統(tǒng)的豎向2 個(gè)分部先成環(huán)的CRD 優(yōu)化開(kāi)挖順序，并輔以隧道上半部分機(jī)械法開(kāi)挖、下半部分CO2破碎的組合施工技術(shù)，減少了等待下部爆破開(kāi)挖的時(shí)間，且下部爆破施工不影響上部機(jī)械開(kāi)挖，提高了施工效率，降低了淺埋暗挖隧道開(kāi)挖對(duì)既有道路及鄰近建筑物的沉降影響。該方法的實(shí)施必須在隧道開(kāi)挖前超前加固和上部開(kāi)挖完成初期支護(hù)及時(shí)封閉的前提下實(shí)施。CO2相變致裂破碎既可定向爆破又可延時(shí)控制，在地下工程施工中應(yīng)用無(wú)破壞性振動(dòng)，對(duì)周圍環(huán)境影響較小。采用大直徑中空直孔爆破，可減少爆破振動(dòng)對(duì)周邊環(huán)境的影響。CO2致裂爆破操作可控，與其他常規(guī)靜態(tài)破碎相比較工效更高、成本較低，其工程應(yīng)用具有一定的推廣和應(yīng)用前景。