鄰近高鐵站深基坑石方開挖技術研究與應用

摘要：以京滬高鐵泰安站出站口和西外環路綜合改造工程為實例，在鄰近高鐵站進行深基坑開挖，基坑最大深度為16m，地質為Ⅵ級堅石且巖體完整，重點研究在不影響既有結構安全的前提下，采用鉆孔切割+液態二氧化碳致裂巖石施工技術完成基坑的開挖施工，總結相關經驗，對類似深基坑施工提供較好的借鑒作用。

關鍵詞：鐵站；深基坑；鉆孔切割；液態二氧化碳；致裂巖石

近年來，我國建筑行業得到了快速的發展，地下空間不斷被建設利用，深基坑施工過程中的安全風險和技術保障問題日漸受到關注。與此同時，基坑工程項目周邊的環境越來越復雜，尤其是越來越多的基坑項目與既有結構的距離越來越近，甚至出現鄰近高鐵站的情況，如果深基坑施工開挖方法不正確將直接危及既有鐵路的安全運營。

對于巖石地質的基坑開挖一般采用爆破工藝居多，而針對本工程，基坑距離高鐵泰安站過近，人流量大，按照安全和環保要求不得實施爆破作業。本文通過采用鉆孔切割+液態二氧化碳致裂巖石施工技術進行開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路綜合改造工程位于泰安市岱岳區，新建西外環路基坑西側邊坡距泰安站站房基礎9m，東側邊坡距離既有西外環路橋梁基礎為2.5m。新框架橋結構形式為2-13m鋼筋混凝土連體框架，全長401.14m，基坑開挖深度10m-16m。框架橋兩端為U型框架結構形式，全長278.4m，基坑開挖深度3m-10m。

二、施工難點

（一）傳統式液壓破碎錘方案不可用

基坑兩米以下地質為Ⅵ級堅石，巖體完整，節理不發育，巖石強度高，經現場取樣試驗，巖石最大強度達到102Mpa；基坑石方開挖量大，施工盡量縮短基坑裸露時間，確保基坑安全。采用傳統液壓錘巖石破碎效率差、成本高、持續時間長，不可用。

（二）禁止實施爆破作業

施工期間基坑邊坡外側進站、出站道路正常通行，人流量大，作業空間有限；由于臨近正在運營的泰安高鐵站，根據《鐵路運輸安全保護條例》規定：第十八條 在鐵路線路兩側路堤坡腳、路塹坡頂、鐵路橋梁外側起各1000米范圍內，禁止從事爆破作業。

三、技術方案的研究和比選

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

（一）劈裂機劈裂巖石

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

（二）膨脹劑靜態爆破巖石

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

（三）鉆孔切割+液態二氧化碳致裂巖石

采用潛孔鉆機順橋向開挖邊界進行鉆孔切割巖石并做好臨空面，合理布置致裂孔，采用自動充裝機將液態二氧化碳裝入致裂管內；高能脈沖起爆器激活致裂管里面的活化器，使液態二氧化碳在快速加熱的條件下，體積急速膨脹，產生強大的沖擊力（200-400Mpa），沖破致裂管，達到破巖效果，最后再采用破碎錘進行破碎。液態二氧化碳致裂巖石震動小，震動力向臨空面側釋放，保證了既有建筑物的安全。

四、技術方案的選定

經方案比選，確定鉆孔切割+液態二氧化碳致裂巖石施工技術為最終方案。其優勢如下：

（一）安全和環保

1.鉆孔切割在基坑輪廓線上將需破碎巖石與外側巖石隔斷，到達預裂爆破效果，防止二氧化碳致裂時擠壓巖石，影響站房及既有橋臺基礎穩定。

2.二氧化碳化學、物理特性優越，其化學架穩定，可視為惰性氣體，臨界溫度高，容易液化，并且不能燃燒；液態二氧化碳致裂巖石產生的振動破壞力很小，爆速大大低于炸藥雷管爆破，沖擊力一般200-400Mpa，遠遠低于炸藥爆破的1000-5000Mpa。

3.二氧化碳不像炸藥爆炸產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，震動很小，基本沒有噪音污染。

（二）進度和成本

采用液態二氧化碳致裂巖石技術，將整體大塊巖石產生裂縫，再采用破碎錘進行破碎，加快施工進度；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，節約了成本。

五、鉆孔切割+液態二氧化碳致裂巖石方案實施

（一）鉆孔切割和制造臨空面

因基坑兩側距離既有建筑物較近，為避免二氧化碳致裂時擾動既有基礎地基，采用潛孔鉆機順橋向開挖邊界進行鉆孔切割巖石層，鉆孔直徑為10cm，間距為20cm，隨每層致裂深度逐層向下切割。根據現場施工情況，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）液態二氧化碳致裂巖石

1.致裂孔準備

（1）選用420型潛孔鉆機鉆孔，梅花形布置，孔與孔間隔2m，孔深4m，直徑110mm。鉆機作業前，在鉆機上安裝鉆機除塵器，避免大量揚塵。

（2）致裂孔成型后，要對致裂孔進行檢查，一是檢查孔內雜質是否清理干凈，二是檢查致裂孔是否符合致裂參數設計要求的深度、孔距、排距等。

2.致裂管的準備

（1）致裂管采用鐵管加工而成，經試驗段效果獲取參數后，確定使用長1.2m，外徑108mm的致裂管，充裝液態二氧化碳后質量約為17.5Kg。將活化器放置在致裂管內，裝上密封墊，連接導線。測量電阻，電阻在1-2歐姆為正常。

（2）采用充裝機自動充裝二氧化碳，當輸送重量達到數值時，通過傳感器傳送信號至驅動氣源電磁閥，氣源關閉。機器停止后，關閉進口球閥，再打開出口球閥將多余氣體放出。

（3）用萬用表測量兩端的電阻，電阻應該在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，上部采用水泥、膨脹劑、速凝劑、細砂混合料進行填充，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水抽干，再放入致裂管進行封堵，并適當延長封堵材料凝固時間。

3.致裂實施

（1）利用導線將各致裂管線路串聯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，再經高反壓二極管整流后，電流上升時間快，提供強大的瞬時電流，引爆電壓為1800V。

（3）在致裂孔上面使用炮被進行覆蓋，致裂作業前通知現場人員撤離致裂區域后（30m外）方可進行致裂巖石作業。

（三）效果確認

巖石致裂完畢后，由致裂人員確認致裂致裂管致裂情況，通過電阻測試法確認是否有未破裂儲液管情況，如未致裂成功，重新連線起爆。

由致裂人員確認完畢后，通知現場負責人可進行下一步施工。采用破碎錘對致裂后巖石進行破碎，并裝車外運。

綜上所述，本項目研究采用的鉆孔切割+液態二氧化碳致裂巖石施工技術，可將整體巖石進行致裂產生裂紋，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，在本項目中取得了良好的經濟和社會效益，該施工技術具有可復制性和推廣性，具有很好的推廣應用前景，為以后在類似情況下規劃建設提供了可靠的決策依據和技術指導。

參考文獻

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[2]張元海，整體基坑非爆破石方開挖關鍵技術[J].施工技術，2016（17）

[3]劉文郁，王濱.二氧化碳爆破深孔欲裂強化增透試驗研究[J].煤炭技術，2016（3）

作者簡介：李碩（1986年6月），男，漢族，山東濟寧市金鄉縣人，工程師。

（作者單位：中鐵十局集團第八工程有限公司）