硬巖地層地鐵深基坑非爆破開挖施工技術(shù)

李小龍 李雅婷

近年來，隨著城市地鐵施工建設(shè)的穩(wěn)步推進(jìn)，部分城市新規(guī)劃地鐵線路中大部分車站位于城市鬧市區(qū)且呈多線換乘趨勢，加大了地鐵深基坑的施工難度，這對地鐵深基坑安全施工技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展提出了更高要求。

對于硬巖開挖，考慮到施工成本和工期要求，常采用爆破法進(jìn)行施工。雖然使用炸藥爆破具有許多優(yōu)點(diǎn)，例如功率大，應(yīng)用范圍廣，但爆破產(chǎn)生爆破振動破壞、結(jié)構(gòu)累積損失、飛石粉塵和有毒有害氣體等影響無法忽視。一旦爆破失控，將會對施工人員、施工設(shè)備及周邊環(huán)境產(chǎn)生巨大威脅。許多學(xué)者通過理論研究和現(xiàn)場監(jiān)測對硬巖深基坑爆破開挖技術(shù)進(jìn)行了研究，取得了豐富的成果。此外，隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，不少學(xué)者也開始利用數(shù)值模擬來研究管道和其他地下結(jié)構(gòu)在爆破振動下的動力響應(yīng)特性。在可用的軟件中，ANSYS/LS-DYNA被廣泛用作非線性有限元數(shù)值仿真，用于分析爆炸載荷對結(jié)構(gòu)模型的影響。

但當(dāng)車站深基坑在存在堅硬巖層的情況下又與既有運(yùn)營線直接進(jìn)行接駁，為確保既有線及周邊建筑物安全，石方一般情況下不允許爆破施工。而巖石的抗拉強(qiáng)度是影響其變形性、可鉆性、可碎性、可挖性的關(guān)鍵參數(shù)。如果僅采用破碎錘進(jìn)行開挖，隨著巖石強(qiáng)度的增加，會使得在巖石中鉆孔變得更加困難。在不采用傳統(tǒng)爆破法進(jìn)行施工的前提下，為了降低施工成本、縮短工期，本文提出了潛孔鉆和破碎錘結(jié)合使用的地鐵深基坑非爆破方式的開挖施工方法，現(xiàn)場施工結(jié)果顯示，該方法可以節(jié)約施工成本，在面對類似工程問題時，具有推廣的價值。

一、工程概況

廣州地鐵七號線二期某車站站點(diǎn)為地下三層島式站臺車站，設(shè)置單渡線，車站基坑開挖總深度為26.98～28.41m。車站與現(xiàn)有十三號線實(shí)行L型換乘，與原規(guī)劃的二十五號線實(shí)行T型換乘。

本站地層按土層分類，從上至下依次為：素填土、雜填土、淤泥質(zhì)粉細(xì)砂、淤泥質(zhì)土、淤泥、粉質(zhì)黏土、中粗砂、全風(fēng)化含礫粗砂巖、強(qiáng)風(fēng)化含礫粗砂巖、中風(fēng)化含礫粗砂巖、微風(fēng)化含礫粗砂巖，本站基坑底部大部分位于中風(fēng)化含礫粗砂巖，局部位于微風(fēng)化含礫粗砂巖。地質(zhì)硬巖比較集中，在場地內(nèi)連續(xù)分布且呈完整的塊狀存在。該層厚度0.3～13.7m，平均厚度3.67m，層頂埋深15.8～38.5m（標(biāo)高-31.25～-8.22m），層底埋深16.7～40m（標(biāo)高-32.75～-9.12m）。不利于破碎錘破除，同時車站臨近既有13號線，不能采取爆破施工。

二、施工方案

1.施工流程

施工準(zhǔn)備→測量放樣→潛孔鉆引孔→破碎錘制造臨空面→破碎錘破除→渣土外運(yùn)→鋼支撐支撐安裝→重復(fù)以上流程進(jìn)行第二層石方開挖至基底。

2.施工原理

根據(jù)巖石的破碎原理，可以利用潛孔鉆在巖層上預(yù)先鉆取一定密度的小孔，在一定深度人為形成蜂窩狀排列的孔洞，從而增加了巖層自由面，同時降低了基坑內(nèi)巖石的抵抗力，有利于破碎錘對硬巖進(jìn)行進(jìn)一步的破碎工作，提高了機(jī)械的施工效率。施工原理和施工現(xiàn)場如圖1和圖2所示。潛孔鉆是以壓縮的空氣作為動力?？諝鈮嚎s機(jī)提供高壓氣流，經(jīng)由風(fēng)管、鉆機(jī)和鉆桿輸送到潛孔鉆沖擊器里面，驅(qū)動潛孔錘進(jìn)行工作。

圖1 潛孔鉆引孔原理圖

圖2 現(xiàn)場潛孔鉆引孔施工

液壓錘破碎機(jī)是一種常用的巖石非爆破開挖方法。液壓錘破碎機(jī)的主要工作部件包括氣缸、活塞、控制閥和鑿子。沖擊能量范圍很廣，從500 J到超過21500 J，可根據(jù)工作目的進(jìn)行選擇。破碎機(jī)本體通常安裝在作為移動載體的挖掘機(jī)上。工具選擇是巖石破碎中的一個重要生產(chǎn)力因素。楔形鑿子用作破碎裝置，因此楔形的鋒利度對于實(shí)現(xiàn)良好的破碎生產(chǎn)率至關(guān)重要。因此在進(jìn)入到弱風(fēng)化含礫粗砂巖后，由于巖層強(qiáng)度高，完整性好，常規(guī)的破碎錘破除開挖嚴(yán)重制約了石方開挖效率。而引進(jìn)潛孔鉆后，通過潛孔鉆的引孔可以有效地對巖層進(jìn)行破壞，解決了破碎錘在硬巖中破除慢的問題，極大地提高了臨近既有線基坑石方開挖的效率。如圖3所示，為現(xiàn)場實(shí)際的石方破除效果。

圖3 現(xiàn)場石方破除效果

3.施工要點(diǎn)

（1）施工前應(yīng)將需要施工區(qū)域的場地平整好，以便于潛孔鉆機(jī)能夠進(jìn)入鉆孔定位的地方進(jìn)行操作，鉆具鉆桿也能夠順利起落和安裝。將風(fēng)管和機(jī)器、空壓機(jī)連接好，保持暢通，鉆機(jī)焊機(jī)鉆具鉆桿試機(jī)均無故障，并提供好各種料具、備件。

（2）鉆桿及鉆塔安裝完畢，根據(jù)測量放樣孔位，嚴(yán)格認(rèn)真進(jìn)行孔位調(diào)整，經(jīng)過相關(guān)人員檢查合格后方可允許進(jìn)入下道工序的施工。

（3）潛孔鉆預(yù)鉆孔在巖面上鉆取多個孔洞，孔徑150mm，間距300mm×300mm，孔深4m。確保鉆機(jī)安放支架牢固穩(wěn)定，在造孔過程中不得出現(xiàn)晃動。采用空壓機(jī)供風(fēng)，無水干成孔保證鉆桿導(dǎo)正器完好，使用的釬頭直徑不得小于設(shè)計孔徑。鉆孔自上而下逐層施工深入，鉆孔的速度、風(fēng)壓、推進(jìn)根據(jù)鉆機(jī)的性能并結(jié)合底層實(shí)際情況嚴(yán)格控制，防止鉆孔扭曲和變徑、造成塌孔或其他事故。

（4）破碎時使用PC330液壓破碎錘作為主機(jī)械，沿巖面進(jìn)行300mm×300mm破孔，破碎按照一定坡度破除，形成大面積臨空面，將大面積的巖面破碎為大塊狀，再使用PC120液壓破碎錘破碎成小塊，然后再由長臂挖機(jī)或液壓伸縮臂抓至基坑外，運(yùn)到指定地點(diǎn)。

4.施工質(zhì)量控制

（1）潛孔鉆使用的是鋼套管跟進(jìn)鉆采技術(shù)，鉆渣通過空壓機(jī)產(chǎn)生的高壓氣流排出孔外，因而使得覆蓋層鉆進(jìn)過程不至埋鉆（潛孔鉆頭）。保證斜巖面上的孔洞能與鉆頭的刃腳相互咬合，從而防止其沿巖面傾斜方向偏轉(zhuǎn)。

（2）潛孔鉆施工時，孔間距不宜過大，間距偏差控制在50mm為宜，高程誤差嚴(yán)格控制基底以上30～50cm。

（3）加強(qiáng)對孔深標(biāo)高的控制，當(dāng)開挖接近設(shè)計標(biāo)高時，應(yīng)預(yù)留30cm厚度土層人工驗(yàn)底，嚴(yán)格禁止超挖，對超挖部位應(yīng)進(jìn)行回填夯實(shí)。

（4）取孔完成后，應(yīng)及時對孔口做好封孔措施，防止渣土進(jìn)入孔內(nèi)。

（5）潛孔鉆引孔完成后，應(yīng)立即組織破碎錘破碎，兩工序間隔時間不宜過長，避免因不良天氣對引孔完成的孔位流入泥漿后造成堵塞，影響“臨空面”的形成，降低破碎錘施工效率。

5.人員和設(shè)備

人員和設(shè)備配置如表1、表2所示。

表1 主要勞動力配置表

表2 主要設(shè)備使用表

6.適用范圍

（1）開挖現(xiàn)場非?？拷矃^(qū)域。即使采取了保護(hù)措施，爆破可能造成的任何飛石成為難以控制的問題。

（2）在挖掘現(xiàn)場的鄰近區(qū)域，有一些對爆破引起的地面振動非常敏感的建（構(gòu)）筑物，如地鐵車站、高壓電塔、居住住宅、紀(jì)念碑等。

（3）爆破可能影響附近的斜坡或自然地形的穩(wěn)定性，威脅施工人員、施工設(shè)備和支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全，存在嚴(yán)重的施工風(fēng)險。

三、應(yīng)用效果

1.經(jīng)濟(jì)效益

引入潛孔鉆引孔后，相較于原來單一的開挖工法，既解決了硬巖石方開挖效率慢的問題，還很好地解決了硬巖石方開挖期間對既有線結(jié)構(gòu)的影響，使得該車站深基坑石方開挖效率得到了大大提升。計劃工期由原估計的3個月縮短至2個月，各種機(jī)械費(fèi)用與人工費(fèi)用支出減少368萬元，引進(jìn)潛孔鉆機(jī)使用費(fèi)用270萬元，創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益98萬元。

2.社會效益

在引入潛孔鉆引孔后，提高了硬巖非爆破開挖施工功效。為項目后續(xù)施工創(chuàng)造了先決條件，提供了工期、技術(shù)、效益方面的有力保障。同時增加了項目綜合競爭能力，得到了業(yè)主與總包部對項目人員工作的一致認(rèn)可。

四、研究展望

從鉆爆開挖到硬巖非爆破開挖方法的改變會直接導(dǎo)致地鐵深基坑施工技術(shù)方案的改變。其中分層開挖高度、工作面寬度、鉆孔間隔距離等因素對實(shí)際開挖效率都有影響。確定最優(yōu)的施工參數(shù)，對選用合適的施工機(jī)械，提高施工開挖效率，降低施工成本具有積極意義，后續(xù)可結(jié)合現(xiàn)場試驗(yàn)和數(shù)值模擬進(jìn)行進(jìn)一步研究。

五、結(jié)語

采用“潛孔鉆引孔+破碎錘破碎”的方法進(jìn)行臨近既有線硬巖地層基坑石方開挖，比原來的單獨(dú)破碎錘施工方法效率更高，且降低了對既有線結(jié)構(gòu)物安全影響?？梢杂行У毓?jié)省基坑石方開挖時間，對后期工作面形成流水作業(yè)提供有利保障。結(jié)合本工程實(shí)際施工效果，可以得到以下結(jié)論：

（1）潛孔鉆可以破壞巖層完整性，人為創(chuàng)造多個“臨空面”，便于破碎錘在鉆孔之間快速形成有效的貫穿裂縫。該技術(shù)可以使基坑石方開挖效率提高30%，降低施工成本，縮短施工周期；

（2）與傳統(tǒng)的爆破法施工相比，潛孔鉆和破碎錘組合施工產(chǎn)生的振動小，能夠滿足《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)規(guī)范》CJJT 202-2013 中安全允許振速2.5cm/s。

（3）施工過程噪音及產(chǎn)生的振動很小，對周邊環(huán)境造成影響小，滿足綠色施工的需要。