地鐵車站礦山法施工的安全性與效率研究

謝銀虎

（北京鐵研建設(shè)監(jiān)理有限責(zé)任公司，北京 102600）

1 引言

隨著我國城市化的迅速發(fā)展，地鐵交通系統(tǒng)的建設(shè)變得日益重要。在地鐵車站建設(shè)中，礦山法施工作為廣泛應(yīng)用的工程方法，以其在地下空間開發(fā)中的靈活性和高效性而備受青睞。然而，這種施工方式在提高效率的同時(shí)，也面臨著日益復(fù)雜的地質(zhì)條件和安全性挑戰(zhàn)。因此，深入研究礦山法施工的安全性與效率問題，對(duì)推動(dòng)城市地鐵交通系統(tǒng)的快速、持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要。

2 礦山法施工技術(shù)概述

2.1 礦山法施工地層特點(diǎn)

礦山法施工適用于隧道埋深較深、地質(zhì)情況較好及地下水含量小或地下水位較低的地段，主要優(yōu)勢(shì)是對(duì)地層變化有高度的適應(yīng)性、技術(shù)成熟、工法簡(jiǎn)單，且施工對(duì)周邊環(huán)境、地下管線和交通的影響較小。然而，面對(duì)隧道圍巖松散、地下水含量大或地下水位較高等不利條件時(shí)，需要采取降水、注漿加固等輔助施工措施，以保證施工安全進(jìn)行。值得注意的是，礦山法施工產(chǎn)生的地表沉降量較大，工期較長(zhǎng)，對(duì)施工安全性和投資可控性提出較高要求。雖然礦山法施工技術(shù)在適宜條件下表現(xiàn)出色，但在復(fù)雜地質(zhì)條件下需要綜合考慮各種因素，以確保施工高效、安全和可控。

2.2 施工技術(shù)及設(shè)備應(yīng)用

礦山法施工技術(shù)有多種方法，按襯砌施工順序可劃分為先拱后墻法和先墻后拱法兩大類。先拱后墻法，亦稱支承頂拱法，被廣泛應(yīng)用于松軟巖層或大跨度洞室中，即先開挖拱部斷面并砌筑頂拱，再開挖下部斷面和砌筑邊墻，以確保施工安全。先墻后拱法包括漏斗棚架法、臺(tái)階法、全斷面法和上下導(dǎo)坑先墻后拱法等。漏斗棚架法適用于堅(jiān)硬穩(wěn)定的巖層，即先開挖下導(dǎo)坑，再由下向上進(jìn)行反臺(tái)階式擴(kuò)大開挖，最后修筑襯砌。臺(tái)階法分為正臺(tái)階法和反臺(tái)階法，根據(jù)巖層穩(wěn)定性進(jìn)行選擇。其中，正臺(tái)階法是將坑道斷面分層開挖，而反臺(tái)階法則由下向上擴(kuò)大開挖。全斷面法適用于中小型斷面隧道，在一次性挖出整個(gè)斷面的同時(shí)進(jìn)行全面施工，可采用大型機(jī)械進(jìn)行機(jī)械化施工。上下導(dǎo)坑先墻后拱法，也稱為全斷面分部開挖法，即先分部挖出全斷面，再按先墻后拱的順序修筑襯砌，以提高襯砌質(zhì)量。礦山法施工涉及噴漿臺(tái)車、混凝土臺(tái)車、高空作業(yè)車、炸藥臺(tái)車、撬毛臺(tái)車和鑿巖臺(tái)車等多種設(shè)備，以保證施工過程的高效性、安全性和質(zhì)量可控性。

2.3 礦山法施工流程

礦山法施工是一種借鑒礦山開采方法的隧道、地下工程施工方式，主要采用鉆眼爆破方法進(jìn)行斷面開挖，同時(shí)修筑隧道襯砌。整個(gè)施工流程嚴(yán)謹(jǐn)有序，以保證施工高效、安全和質(zhì)量可控，如圖1 所示。施工開始時(shí)，分步開挖整個(gè)斷面，先開挖導(dǎo)坑，再由導(dǎo)坑向斷面設(shè)計(jì)輪廓進(jìn)行擴(kuò)大開挖，這一開挖操作，需根據(jù)地層的穩(wěn)定性和特點(diǎn)，靈活選擇挖掘機(jī)具，可采用簡(jiǎn)便挖掘機(jī)具，尤其是在地層較為松軟時(shí)，以保證施工的高效性。整個(gè)施工流程，要求施工人員根據(jù)地質(zhì)條件、隧道斷面尺寸及支護(hù)類型，靈活調(diào)整分部開挖的大小和數(shù)量。對(duì)于堅(jiān)實(shí)、整體的巖層，可考慮一次性開挖全斷面。而遇到松軟、破碎地層時(shí)，分步開挖成為必要的選擇，施工人員需要根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整開挖順序，以保證施工的安全性和質(zhì)量可控性。

圖1 礦山法施工流程

3 安全性技術(shù)保障

3.1 地下空間探測(cè)與監(jiān)測(cè)技術(shù)

礦山法施工中，地下空間探測(cè)與監(jiān)測(cè)技術(shù)扮演著關(guān)鍵角色，可以保證施工過程的安全性。地下空間探測(cè)需使用先進(jìn)的地質(zhì)勘探儀器和傳感器，通過精確測(cè)量地下巖層結(jié)構(gòu)、地質(zhì)構(gòu)造和地下水位等，全面了解地下環(huán)境。同時(shí)，通過監(jiān)測(cè)技術(shù)實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)地追蹤隧道工程變化，及時(shí)提供反饋和預(yù)警，以幫助施工人員有效應(yīng)對(duì)潛在的安全風(fēng)險(xiǎn)。先進(jìn)的地下探測(cè)技術(shù)包括地質(zhì)雷達(dá)、電磁波傳感器和三維地震勘探等，能夠非侵入性地獲取地層結(jié)構(gòu)信息，幫助工程團(tuán)隊(duì)更好地理解地質(zhì)條件。同時(shí)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，結(jié)合激光測(cè)距、變形監(jiān)測(cè)儀等設(shè)備，精準(zhǔn)記錄地下空間變化，包括位移、變形、地質(zhì)應(yīng)力等，以便施工團(tuán)隊(duì)及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在問題，并采取相應(yīng)措施。

3.2 緊急救援與逃生系統(tǒng)

礦山法施工中，緊急救援與逃生系統(tǒng)是關(guān)鍵的安全技術(shù)保障，旨在有效應(yīng)對(duì)可能發(fā)生的緊急情況，保障工作人員的生命安全。該系統(tǒng)整合了先進(jìn)的技術(shù)手段，包括智能化監(jiān)測(cè)、通信系統(tǒng)和緊急逃生通道等。其中，智能化監(jiān)測(cè)是緊急救援的基礎(chǔ)，可通過布設(shè)在工地各處的傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)空氣質(zhì)量、溫度、火源等參數(shù)，及時(shí)感知潛在風(fēng)險(xiǎn)。在發(fā)生緊急情況時(shí)，智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠自動(dòng)觸發(fā)警報(bào)，向相關(guān)人員發(fā)送緊急通知，提高救援的響應(yīng)速度。緊急逃生通道是保障工作人員安全撤離的重要組成部分。因此，應(yīng)在施工現(xiàn)場(chǎng)合理設(shè)置緊急逃生通道，并配備自動(dòng)導(dǎo)引系統(tǒng)，以確保緊急情況下工作人員能夠迅速、有序地撤離危險(xiǎn)區(qū)域。設(shè)計(jì)逃生通道時(shí)，應(yīng)合理設(shè)置地下結(jié)構(gòu)、通風(fēng)設(shè)備和安全出口，以提供可靠的逃生通道。緊急救援與逃生系統(tǒng)在礦山法施工中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，可為工程安全提供全面保障，確保緊急情況下每位工作人員都能夠及時(shí)、安全地撤離。

4 提高施工效率

4.1 自動(dòng)化與智能化設(shè)備應(yīng)用

4.1.1 提高機(jī)械化程度

提高施工效率的關(guān)鍵是通過提高機(jī)械化程度來實(shí)現(xiàn)更高效的礦山法施工。提高機(jī)械化程度即使用先進(jìn)的工程機(jī)械設(shè)備，以減少人力投入，提高作業(yè)效率，并保證施工質(zhì)量。隨著技術(shù)的發(fā)展，工程機(jī)械化程度不斷提高。具體而言，采用了更先進(jìn)、智能的挖掘機(jī)、裝載機(jī)等設(shè)備，通過自動(dòng)化控制系統(tǒng)智能監(jiān)控和調(diào)整工作狀態(tài)，不僅能夠提高開挖效率，還能有效降低操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，保證施工高效、安全進(jìn)行。在提高機(jī)械化程度的同時(shí)，還應(yīng)注重設(shè)備的適應(yīng)性和靈活性。例如，具備多功能、多用途的機(jī)械設(shè)備，能夠適應(yīng)不同地質(zhì)條件和隧道斷面尺寸要求，提高設(shè)備的通用性，降低施工過程中換工作面和更換設(shè)備的頻率。

4.1.2 在設(shè)備操作中應(yīng)用先進(jìn)的控制技術(shù)

提高施工效率的關(guān)鍵在于在設(shè)備操作中巧妙應(yīng)用先進(jìn)的控制技術(shù)。通過引入先進(jìn)的控制技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)礦山法施工機(jī)械設(shè)備智能化、自動(dòng)化操作，從而提高作業(yè)精度和效率。在設(shè)備操作中，先進(jìn)的控制技術(shù)包括智能化的自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)，即利用全球定位系統(tǒng)（GPS）和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS），實(shí)現(xiàn)自主定位和導(dǎo)航，確保在地下復(fù)雜環(huán)境中的準(zhǔn)確定位，提高設(shè)備的自動(dòng)駕駛能力，減輕操作人員負(fù)擔(dān)；還包括遠(yuǎn)程遙控和自動(dòng)化調(diào)度系統(tǒng)。通過遠(yuǎn)程遙控，操作人員可以在安全的地方遠(yuǎn)程操控設(shè)備，降低作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。自動(dòng)化調(diào)度系統(tǒng)能夠優(yōu)化設(shè)備的工作路徑，實(shí)現(xiàn)多機(jī)協(xié)同作業(yè)，提高整體施工效率。

4.2 施工管理與優(yōu)化

4.2.1 制定科學(xué)的施工計(jì)劃

施工管理與優(yōu)化的核心在于制定科學(xué)合理的施工計(jì)劃，以保證高效、有序地推進(jìn)礦山法施工過程。科學(xué)的施工計(jì)劃應(yīng)考慮到多個(gè)關(guān)鍵因素，以達(dá)到最佳的施工效果。首先，需要綜合考慮地質(zhì)條件、隧道斷面尺寸、設(shè)備性能等因素。通過詳細(xì)的地質(zhì)勘測(cè)和數(shù)據(jù)分析，科學(xué)評(píng)估施工環(huán)境，確定合理的開挖順序和方式，以應(yīng)對(duì)不同地質(zhì)條件下的挑戰(zhàn)。在考慮隧道斷面尺寸時(shí)，需要根據(jù)具體工程要求和設(shè)備性能，設(shè)置合理的開挖參數(shù)，以保證施工的精準(zhǔn)性和高效性。其次，科學(xué)的施工計(jì)劃應(yīng)包括合理的工期安排和進(jìn)度控制。合理劃分整個(gè)施工周期，明確每個(gè)階段的工作重點(diǎn)和目標(biāo)，保證施工的連貫性和高效性。同時(shí)，建立有效的進(jìn)度監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)時(shí)追蹤施工進(jìn)度，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并解決可能存在的問題，確保整個(gè)施工過程按計(jì)劃推進(jìn)。最后，在制定施工計(jì)劃時(shí)，需要充分考慮人力資源的合理配置。科學(xué)的施工計(jì)劃，應(yīng)根據(jù)不同工序特點(diǎn)和工作強(qiáng)度，合理安排施工人員的工作時(shí)間和休息周期，以在保證工作效率的同時(shí)，提高工作人員的工作舒適度和安全性。

4.2.2 提高物流與材料管理效率

在礦山法施工中，提高物流與材料管理效率是施工管理與優(yōu)化的關(guān)鍵。有效的物流與材料管理能夠保證施工過程中材料供應(yīng)、運(yùn)輸和使用的高效性和流暢性。首先，采用先進(jìn)的物流管理系統(tǒng)，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制施工現(xiàn)場(chǎng)。利用傳感器、RFID 等技術(shù)，實(shí)時(shí)獲取和傳輸材料庫存、運(yùn)輸車輛位置、設(shè)備狀態(tài)等信息，使管理人員迅速作出決策，優(yōu)化物流路徑，提高運(yùn)輸效率。其次，采用智能化的材料管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)施工材料的全生命周期追蹤。通過條碼、二維碼等標(biāo)識(shí)技術(shù)，對(duì)每個(gè)材料進(jìn)行唯一標(biāo)識(shí)，實(shí)現(xiàn)材料的實(shí)時(shí)管理和追溯。這樣不僅有助于減少物料損耗，還能提高材料的利用率，降低施工成本。最后，優(yōu)化運(yùn)輸路徑和方式是提高物流效率的重要手段。采用智能調(diào)度系統(tǒng)，根據(jù)施工進(jìn)度和物料需求，優(yōu)化運(yùn)輸計(jì)劃，以確保及時(shí)供應(yīng)材料。同時(shí)，引入先進(jìn)的運(yùn)輸工具和裝卸設(shè)備，提高裝卸速度，減少物料運(yùn)輸和搬運(yùn)過程中的停滯時(shí)間。

5 案例分析與實(shí)證研究

5.1 礦山法施工過程

在某地鐵車站礦山法施工過程中，施工團(tuán)隊(duì)先進(jìn)行了詳盡的地質(zhì)勘測(cè)和分析，全面評(píng)估了地層的穩(wěn)定性和特點(diǎn)；根據(jù)地質(zhì)條件的不同，采用了靈活的分部開挖策略，優(yōu)先開挖導(dǎo)坑，再由導(dǎo)坑向斷面設(shè)計(jì)輪廓進(jìn)行擴(kuò)大開挖。為保證施工的高效性，施工團(tuán)隊(duì)特別在地層較為松軟的區(qū)域采用了簡(jiǎn)便的挖掘機(jī)具，靈活調(diào)整設(shè)備，以適應(yīng)復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境。在分部開挖的過程中，施工團(tuán)隊(duì)注重應(yīng)用地下空間探測(cè)與監(jiān)測(cè)技術(shù)。采用先進(jìn)的地下勘測(cè)設(shè)備，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)地層變化，以精準(zhǔn)應(yīng)對(duì)施工過程中的地質(zhì)環(huán)境。此外，建設(shè)緊急救援與逃生系統(tǒng)，為施工人員提供安全的工作環(huán)境。在施工效率方面，引入了自動(dòng)化與智能化設(shè)備，特別是在提高機(jī)械化程度方面取得了顯著進(jìn)展。在設(shè)備操作中應(yīng)用先進(jìn)的控制技術(shù)，提高了施工精度和速度。在施工管理與優(yōu)化方面，科學(xué)制定施工計(jì)劃，確保整個(gè)工程按計(jì)劃有序推進(jìn)，提高了物流與材料管理效率。

5.2 經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

通過深入研究地鐵車站的礦山法施工過程，得出了一系列寶貴的經(jīng)驗(yàn)。首先，成功的關(guān)鍵在于充分了解地質(zhì)條件，根據(jù)不同地層特點(diǎn)，采用差異化的施工方案，靈活應(yīng)對(duì)松軟、破碎地層。其次，精準(zhǔn)應(yīng)用地下空間探測(cè)與監(jiān)測(cè)技術(shù)，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)地層變化，提高施工的安全性和穩(wěn)定性。再次，在技術(shù)創(chuàng)新方面，應(yīng)用自動(dòng)化與智能化設(shè)備是關(guān)鍵之一，特別是在設(shè)備操作中應(yīng)用先進(jìn)的控制技術(shù)，不僅提高了施工效率，還保證了操作高精度，為工程的成功實(shí)施奠定了基礎(chǔ)。最后，在施工管理與優(yōu)化方面，科學(xué)制定施工計(jì)劃，加強(qiáng)物流、材料管理，對(duì)整個(gè)工程的順利推進(jìn)起到了積極作用。

6 結(jié)語

綜上所述，應(yīng)用地下空間探測(cè)與監(jiān)測(cè)技術(shù)，以及建設(shè)緊急救援與逃生系統(tǒng)，為施工提供了堅(jiān)實(shí)的安全保障。應(yīng)用自動(dòng)化與智能化設(shè)備，尤其是在設(shè)備操作中巧妙運(yùn)用先進(jìn)的控制技術(shù)，顯著提高了施工效率與精度。同時(shí)，通過科學(xué)的施工計(jì)劃和物流、材料管理的升級(jí)，進(jìn)一步保證了工程高效推進(jìn)。