平硐勘探綠色施工技術

楊 鳴，謝玉萍，龍 三，劉浩杰，張馮豆，程斯一，姚 鄒，文國軍

(1.長江巖土工程總公司(武漢)，湖北 武漢 430000；2.中國地質大學(武漢) 機械與電子信息學院，湖北 武漢 430074；3.湖北省智能地質裝備工程技術研究中心，湖北 武漢 430074)

1 引言

在勘察工作中，為查明重要建筑物的工程地質條件或特殊地質問題，獲取詳實準確的地質參數，需要在現場進行原位測試和試驗。通常采取平硐勘探技術來揭示地質情況，而有的平硐距離居民區較近，勢必會對周圍區域的生態環境產生不同程度的影響。

平硐掘進對環境的影響主要表現在以下幾個方面：①平硐洞口平臺的平整，對洞口附近的地表破壞嚴重[1]；②平硐的掘進伴隨著大量的碎渣和灰塵，無法及時排渣和降塵會對施工的進程和周圍的生態環境甚至是施工人員的健康產生不利影響；③施工過程中產生的噪聲，會影響周圍區域的人群的正常生活；④人力成本效率問題，有的平硐掘進平面面積較大，巷道長達幾百米，施工的空間區域比較大，這樣以來較低的施工效率會對周圍環境產生持續的破壞，導致生態無法及時進行修復，制約著生態環境的綠色可持續發展。

如何盡可能地減小或消除對施工區域居民生活和生態環境的影響，是實現綠色、可持續發展的核心。因此，探索平硐勘探綠色施工技術有助于促進工程地質勘察行業的生態發展。本文將從常見的平硐掘進技術出發，基于非爆破施工方法介紹了綠色化施工的實施方案以及對鉆孔設備的需求，為施工提供一定的參考。

2 平硐掘進技術

2.1 鉆爆法施工技術

傳統的平硐勘探采取鉆爆技術，即先通過鉆孔機械在工作面鉆出一定數量的鉆眼，之后在鉆眼中根據工況和要破碎的巖石的多少來布置炸藥的藥量，起爆引起巖石破碎達到破巖效果。這種掘進方式在處理較大斷面平硐時具有一定優勢的，能夠一次性達到大面積破巖的效果。在平硐鉆爆法施工中出現水磨鉆技術，主要由水磨鉆機、水磨鉆筒和專用水泵3個部分組成，一般先在周邊先鉆出設計直徑大小的圓，然后在孔中心打一個炮眼，在炮眼中放入炸藥引爆，每鉆一定深度依此循環。同時這種施工方式也有一定的缺陷，首先鉆爆法需要爆破材料，隨著辦理爆破相關手續的時間越來越長，嚴重影響勘探工期；其次，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，發出爆破噪音[2]，有的平硐距民房較近，會對周邊的居民造成較大影響；同時在爆破過程會產生碎石和巖渣，在平硐空間內可能會威脅到施工人員的健康和安全；并且每進行一次爆破這些飛石和巖渣需要及時除去，隔一段時間才能進行下一段爆破操作，影響了鉆孔、出碴和支護工作的效率。

總的來說，鉆爆法雖然在一定的工況條件下具有優勢且發展較為成熟，但依然存在效率低、費用高、噪聲大、粉塵較多、地層巖性適應性較差等問題，不符合現代“生態發展”的理念。

2.2 非爆破施工技術

近年來，非爆破施工方法逐漸進入人們視野，但仍存在不小技術難度，由于非爆破施工摒棄了炸藥爆破的破巖方式，相比于傳統的鉆爆法來說，在綠色化施工方面擁有無法比擬的優勢，如圖1所示。但國內的應用還并不是很多，不論是設備、工藝和材料都在不斷的發展完善中。非爆破施工方法主要有懸臂掘進機法、水磨鉆鉆孔結合靜力爆破劑方法、鉆孔劈裂法等[3～5]。

圖1 平硐勘探施工技術現狀

懸臂式掘進機法是銑挖法的最主要的方式。懸臂式掘進機是一種部分斷面掘進機；工作時，能夠切割任意形狀的平硐斷面，機械化程度較高，集開挖、裝碴和自動行走于一身；這種掘進方式對復雜地質適應性強，操作靈活，可以適用于土層、卵石混合土的等中軟巖隧道開挖。盾構技術可以一次成洞，施工速度較快，對作業人員的操作技能要求較高，適用于在隧洞洞線較長、埋深較大的情形。鉆孔—劈裂法施工：施工方法是先用鉆孔機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。主要施工分為以下幾個階段[6]：

①施工前的準備，對作業人員進行安全技術交底工作，根據圍巖級別及水文地質情況，確定支護參數及開挖方法，并結合現場人員、機械配置情況制定施工方案;②根據平硐截面、長度和巖石特性確定孔徑、孔深和相鄰孔之間的間距，用以保證臨空面質量，利用鉆臂沿平硐周邊輪廓線施做咬合孔臨空面;③自下向上水平施工做劈裂孔，層高和劈裂孔距依據巖石硬度及劈裂效果可適當調整，相鄰孔間距40 cm，孔徑4.2 cm，為方便施工劈裂孔可一次鉆進2～4 m，滿足4～8個劈裂循環作業;④使用劈裂棒進行劈裂，根據工況同時安裝多根劈裂棒，劈裂順序為自下而上;⑤將裂開的巖石從斷面剝離，運出平硐外;⑥操作工作臂移至下一個孔位處鉆進，進行下階段循環鉆進。具體施工效果需要對不同臨空面和孔間距進行試驗。

鉆孔劈裂技術在工程領域是一種新的施工方法，具有諸多優點，施工后的平硐周邊整齊、平滑，克服了爆破施工造成表面凹凸不平的缺點[7～9]；鉆孔設備及液壓劈裂機工作時，產生震動微小、沖擊力小、噪音低、粉塵飛屑極少，不會產生有毒氣體和其它有害廢棄物，對周圍環境無影響，施工作業環境明顯改善，同時保護生態環境。

3 勘探平硐綠色施工方案

以勘探平硐非爆破工藝掘進技術的研究為例：一般勘探平硐的掘進斷面為2000 mm×2000 mm，平硐總長為300 m，要求鉆孔的范圍能覆蓋到距離地面150～2000 mm。根據工程的施工工況和要求，勘探平硐施工屬于小直徑隧洞開挖，非爆破施工方案更能滿足平硐勘探綠色環保的要求。選擇合適的非爆破隧洞開挖方法，對保證施工質量、加快進度、降低費用、滿足工程安全要求具有重要意義。

考慮施工要求、環境、人力成本以及效率等情況。為達到減少工人勞動量、降噪、綠色施工以及增強掘進巖層適應性的目標，對現有小尺寸平硐施工技術進行創新改進，采用“平硐有限空間內能靈活使用的小尺寸水平成孔鉆機鉆孔+液壓劈裂+周邊斷面輪廓修整”的施工方案。與此對應的鉆機裝備應主要滿足以下要求：①能夠根據孔的設計，能夠精確地實現一定范圍內的掘進平面鉆孔;②能夠有效進行排渣和降塵;③鉆機設備集鉆孔-劈裂功能于一身，有時候需要液壓破碎錘進行二次破碎，即要求設備具有多功能性和較強的適應性，便于安裝(拆除)劈裂棒、集成液壓劈裂與鑿巖系統、集料輸料裝置實現裝渣功能等;④需要克服其鉆孔工作量較大,費用較高的缺陷;⑤鉆機底盤尺寸能預留排渣空間。采用分段打錐形截面的施工方法以保證掘進平面的尺寸，張角保證盡可能小，減小劈裂后的工作量，如圖2所示，實際劈裂后孔洞尺寸大于2 m。

圖2 隧道孔截面施工形狀

對于勘探平硐來說，鉆機設備需要綜合考慮鉆進工藝、功能以及結構設計制造可行性的問題，本著實用、小型、高效和性價合理的原則來進行設計。由于此勘探平硐斷面較小、可采用鉆架動力頭式結構，用油缸實現鉆頭給進；利用鑿巖機實現鉆孔的功能，相比于氣動鑿巖機體積大、能量消耗高、噪音大的特點，液壓鑿巖機動力消耗少，能量利用率高；鑿巖速度高，沖擊功、扭矩和推進力大，釬子轉速高、作業條件好，且液壓鑿巖機沒有排氣噪聲和無油霧造成的大氣污染，改善了作業環境，更加符合綠色化施工的理念。動力機組采用電動，液壓驅動，巖石斷面鉆好孔之后采用多根液壓劈裂棒同時進行劈裂。

為滿足綠色化施工的要求，除了從鉆機設備本身的動力源出發，盡可能減少對周圍環境的污染。從施工流程出發，基于鉆孔-劈裂的施工方案的工藝流程如圖3所示，首先進行施工準備，包括設備和材料，根據現場人員、機械配置情況制定施工方案和參數，確保施工安全；確定施工的斷面，根據平硐整體掘進的斷面及掏槽的大小進行孔數量和孔間距的布局設計；第一段孔開挖：利用鑿巖鉆機在事先設計好的輪廓打斷面的輪廓孔，并掏槽，然后調整鉆頭位置在斷面中間處水平方向連續鉆進取芯，形成連續槽道臨空面，將巖心與周圍巖體分開，利用多根劈裂棒同時劈裂巖體，由2～3人清除劈裂的巖體；第二段孔開挖：在斷面底部用平硐鉆機鉆1°角的斜孔，孔徑89 mm，一次鉆進約800 mm，然后掏心孔形成臨空面，用鉆機由下至上鉆垂直劈裂孔，接著使用劈裂棒劈裂巖體，人工使用水磨鉆對周邊輪廓進行修整，將巖渣運出后，進入下一循環掘進。值得注意的是，在每次循環后，應根據施工效果及時分析總結，修整相關的參數，提高掘進的效率。

圖3 施工工藝流程

4 結語

隨著各類工程機械自動化程度越來越高，大大節省了人力成本，平硐勘探作為一種地質勘察的重要手段，促使著相關裝備向更加自動化、綠色化的方向發展，本文總結了常見平硐勘探技術及其優缺點，結合工程項目小尺寸掘進斷面的平硐提出鉆孔-劈裂的解決方案，相比于現有的爆破水磨鉆勘探技術，此方案在噪聲、環境生態方面均作出較大的改善。方案施工關鍵在于平硐鉆機的設計，未來的平硐勘探鉆機裝備將朝著高度自動化、高效破巖能力、多功能集成化、便攜性等方向發展。