城市地鐵巖石地層非爆破施工試驗與應用

劉偉濤

摘? 要：在地鐵通過居民區、學校、醫院等敏感區域時出于安全和減少擾民等要求，施工需要采取非爆破施工。文章以貴陽市軌道交通某項目為例介紹了鉆劈臺車和懸臂掘進機在地鐵硬巖隧道施工中的試驗和應用。分析了兩種施工方法的優缺點，為類似工程積累了經驗。

關鍵詞：地鐵;非爆破;鉆劈臺車、懸臂掘進機;施工技術

中圖分類號：U455.4? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）05-0167-03

Abstract： In order to meet the requirements of safety and reducing disturbance when the subway passes through sensitive areas such as residential areas， schools， hospitals and so on， non-blasting construction is needed. Taking a rail transit project in Guiyang City as an example， this paper introduces the test and application of drilling and splitting trolley and cantilever roadheader in the construction of subway hard rock tunnel. The advantages and disadvantages of the two construction methods are analyzed， which accumulates experience for similar projects.

Keywords： subway; non-blasting; drilling and splitting trolley， cantilever roadheader; construction technology

1 概述

在地鐵施工中硬質圍巖施工方法多采用鉆爆法，鉆爆法施工會引起隧道圍巖和鄰近建筑物結構發生爆破振動，會發出爆破噪音，破壞隧道周邊的人居環境。貴陽市軌道交通某項目下穿居民區、隧道口緊鄰加油站，需要采用非爆破施工，項目采用鉆劈臺車和懸臂掘進機兩種施工方法，為類似工程積累了經驗。

2 工程概況

貴陽市軌道交通某項目，工程包含區間隧道和車站一座。區間隧道穿越多個小區，主干道，部分隧道位于獅子巖山體內，區間隧道長1000m，線間距為11.0-18.0m，隧頂埋深約12.7-130.6m。車站花果園西車站整個車站位于山體下，擬采用拱蓋法暗挖施工。暗挖主體總長約251m，凈寬度22.7m，斷面面積393.46m2，埋深100m以上。在車站東側設置一座斜井作為施工通道，兼顧車站和區間施工，斜井設置2個分支通道進入車站站廳層，全長453.9m，斷面尺寸7.2m*6.5m。區間隧道和車站施工范圍主要穿越地層為：中風化灰巖、強風化泥巖。巖石飽和單軸極限抗壓強度強度12～85MPa。區間范圍有雨水、污水、電信、電力、給水、燃氣等管線。特別是斜井洞口緊鄰加油站，為保證安全、減少對敏感區域的影響要求采用非爆破開挖法施工。

3 非爆破施工方案

3.1 鉆孔——劈裂法施工

2019年7月，項目采用隧道局研制的ZP-11鉆劈臺車進行試驗，施工方法是先用潛孔鉆鉆孔再用液壓劈裂棒將巖石劈裂，然后再用挖掘機、自卸車將石塊運出隧道。

3.1.1 鉆劈臺車構造及原理

ZP-11鉆劈臺車采用履帶式底盤，一個鉆臂和一個作業平臺，鉆孔采用風動潛孔鉆（需要另外配置一臺空壓機作為動力源）。液壓控制系統、劈裂液壓系統等集成在底盤上。外形結構如圖1、圖2。

3.1.2 施工方法及要求

（1）施工準備：根據圖紙要求對作業面進行測量，標注鉆孔點位，設備人員就位。

（2）利用鉆臂沿隧道周邊輪廓線施做咬合孔臨空面?？咨?.2m，孔徑115mm。要求相鄰孔間距小于95mm，以保證臨空面質量。

（3）自下向上水平施做劈裂孔，層高設置為500mm，孔距600mm（層高和劈裂孔距依據巖石硬度及劈裂效果可適當調整），孔深1.2m。

（4）利用作業平臺安裝劈裂棒進行劈裂，一次最多可安裝6根劈裂棒。劈裂順序為自下而上。

（5）將巖石劈裂后，將鉆劈臺車退出。

（6）利用挖掘機將裂開的巖石從作業面剝離，然后裝在自卸車里運出洞外。

（7）如果仍有沒有裂開的巖石，在需要的部位再鉆孔、劈裂。重復3、4、5、6步驟。

（8）完成開挖，進入下一道工序。

3.1.3 現場試驗情況

2019年7月，先后試驗了不同臨空面和孔間距的劈裂效果。（巖石硬度：104MPa）

（1）豎向臨空面劈裂試驗：在臨空面兩側設置劈裂孔，向中間劈裂。目的是測試在豎向臨空面條件下，劈裂孔的間距設置。

（2）水平臨空面劈裂試驗：在臨空面上方設置劈裂孔，向下劈裂，目的是測試在水平臨空面條件下劈裂孔的間距設置。

經過不同臨空面條件下的試驗，在巖石硬度100PMa，層高500mm，間距600mm左右，劈裂液壓系統壓力達到130MPa可以將巖石劈裂。

（3）又進行了整工序試驗，布孔圖如圖3;試驗情況如表1。

3.1.4 鉆劈臺車施工優缺點分析

根據試驗結果分析，鉆劈臺車施工有以下特點：

（1）劈裂巖石時無震動、無沖擊，立即見效不用等待、可以不間斷重復作業。適用于硬度超過80MPa的巖石。

（2）整體作業效率低。整個循環需要鉆劈臺車、挖掘機、自卸車等設備多次轉換，影響作業效率。

（3）劈裂時需要人工在作業平臺上安裝、拆除劈裂棒，勞動強度大、存在較大的安全隱患。

3.2 懸臂掘進機法施工

3.2.1 懸臂掘進機的構造

懸臂隧道掘進機是一種集切割、行走、裝運、噴霧滅塵等多種功能為一體的高效聯合作業機械。工作時，安裝在懸臂上的截割頭上下左右擺動，能夠切割任意形狀的隧道斷面。花果園西站項目采用一臺CTR300A型隧道掘進機。結構如圖4;技術參數如表2。

3.2.2 施工方法

懸臂掘進機就位后，開始從掌子面底部水平切削出一條槽，向前移動掘進機再一次就位，就位后截割頭采取自下而上、左右循環切削。在切削同時鏟板部耙爪將切削下來的碴裝入第一運輸機，第一運輸機轉運至第二運輸機，第二運輸機直接裝入出碴車運出洞外。從底部開挖到頂部完成后，進行二次修整以達到準確的設計斷面。懸臂式掘進機的截割方式是從掃底開始截割，再按S型或Z型左右循環向上的截割路線逐級截割以上部分。

選用右旋截割頭截割硬巖，先由右向左從掃底開始截割，再按從左至右、自下往上的方式或從右往左、自上而下逐步進行截割。如遇節理發育較好巖石，則應選擇沿巖石節理方向逐步切割。

3.2.3 效果分析

懸臂掘進機集切削、裝碴、轉運、除塵和自行于一身，可以做到切削、裝運同步進行。具有連續掘進、地質適應性好的優點，施工無需其他設備輔助，需要投入3～4人即可完成掘進工序。根據花果園西站斜井的施工情況對作業時間、進尺、實際開挖量和平均日單耗進行統計。施工時圍巖強度85～104MPa，平均日進尺達到0.75m。當巖石硬度小于60MPa時平均日進尺2.1m，最高日進尺3m。

（1）根據施工情況分析懸臂掘進機施工有以下優勢：

a.開挖斷面形狀易于控制，超欠挖量小;由于開挖斷面規范，鋼架、網片拼裝、噴射砼速度快，可節省大量時間。可節約錨桿、噴射混凝土用量。

b.施工人員數量少，人工成本低;對圍巖擾動量小，對圍巖破壞少，作業安全風險少。

c.懸臂掘進機集切削、裝碴、轉運和自行于一身，可以做到切削、裝運同步進行，功能齊全，無需其他設備輔助，作業效率較高。

（2）懸臂掘進機施工存在的問題

a.由于掘進機切割頭較長，每次掘進施工掌子面需預留約0.8～1.2m的開挖面，以避免下次開挖損壞已施做的初支，導致掌子面距離初支面距離過大。

b.懸臂掘進機施工作業粉塵、噪音較大，揚塵及噪音污染嚴重，對施工環境影響較大。

c.設備總裝機功率大，對電力要求高，需要配備專用變壓器供電。雖然設備整體效率較高，但機械一旦發生故障，維修時間較長。

4 結束語

懸臂掘進機開挖具有機械化程度高、對圍巖損傷擾動少、超欠挖易控制、開挖出碴連續、作業人員少、勞動強度低、安全性高、適應斷面靈活等特點。圍巖強度超過60MPa時效率較低，截齒磨損較快，使用成本較高。在30～60MPa中等巖石硬度條件下施工效率較高，綜合成本較優，施工性價比最高。

鉆劈臺車由于還在試驗階段，受整體結構影響，只有一個鉆臂和一個作業平臺，作業效率較低。但經過試驗驗證采用鉆孔劈裂技術可以實現巖石地層非爆破施工，能夠通過液壓劈裂硬度超過80MPa的巖石，相關技術研究還需要有很長的路去走， 需要施工單位與機械設計單位緊密溝通， 采用多鉆臂、自動安裝（拆除）劈裂棒、集成破碎錘、集料輸料裝置實現裝渣功能等，可以解決城市地鐵車站及隧道非爆條件下施工效率低和施工成本高等問題。

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