硬巖地層地鐵深基坑非爆破開挖施工技術

李小龍 李雅婷

近年來，隨著城市地鐵施工建設的穩步推進，部分城市新規劃地鐵線路中大部分車站位于城市鬧市區且呈多線換乘趨勢，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的創新發展提出了更高要求。

對于硬巖開挖，考慮到施工成本和工期要求，常采用爆破法進行施工。雖然使用炸藥爆破具有許多優點，例如功率大，應用范圍廣，但爆破產生爆破振動破壞、結構累積損失、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、施工設備及周邊環境產生巨大威脅。許多學者通過理論研究和現場監測對硬巖深基坑爆破開挖技術進行了研究，取得了豐富的成果。此外，隨著計算機技術的發展，不少學者也開始利用數值模擬來研究管道和其他地下結構在爆破振動下的動力響應特性。在可用的軟件中，ANSYS/LS-DYNA被廣泛用作非線性有限元數值仿真，用于分析爆炸載荷對結構模型的影響。

但當車站深基坑在存在堅硬巖層的情況下又與既有運營線直接進行接駁，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。而巖石的抗拉強度是影響其變形性、可鉆性、可碎性、可挖性的關鍵參數。如果僅采用破碎錘進行開挖，隨著巖石強度的增加，會使得在巖石中鉆孔變得更加困難。在不采用傳統爆破法進行施工的前提下，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合使用的地鐵深基坑非爆破方式的開挖施工方法，現場施工結果顯示，該方法可以節約施工成本，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為地下三層島式站臺車站，設置單渡線，車站基坑開挖總深度為26.98～28.41m。車站與現有十三號線實行L型換乘，與原規劃的二十五號線實行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、淤泥質粉細砂、淤泥質土、淤泥、粉質黏土、中粗砂、全風化含礫粗砂巖、強風化含礫粗砂巖、中風化含礫粗砂巖、微風化含礫粗砂巖，本站基坑底部大部分位于中風化含礫粗砂巖，局部位于微風化含礫粗砂巖。地質硬巖比較集中，在場地內連續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（標高-31.25～-8.22m），層底埋深16.7～40m（標高-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→鋼支撐支撐安裝→重復以上流程進行第二層石方開挖至基底。

2.施工原理

根據巖石的破碎原理，可以利用潛孔鉆在巖層上預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，同時降低了基坑內巖石的抵抗力，有利于破碎錘對硬巖進行進一步的破碎工作，提高了機械的施工效率。施工原理和施工現場如圖1和圖2所示。潛孔鉆是以壓縮的空氣作為動力。空氣壓縮機提供高壓氣流，經由風管、鉆機和鉆桿輸送到潛孔鉆沖擊器里面，驅動潛孔錘進行工作。

圖1 潛孔鉆引孔原理圖

圖2 現場潛孔鉆引孔施工

液壓錘破碎機是一種常用的巖石非爆破開挖方法。液壓錘破碎機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，可根據工作目的進行選擇。破碎機本體通常安裝在作為移動載體的挖掘機上。工具選擇是巖石破碎中的一個重要生產力因素。楔形鑿子用作破碎裝置，因此楔形的鋒利度對于實現良好的破碎生產率至關重要。因此在進入到弱風化含礫粗砂巖后，由于巖層強度高，完整性好，常規的破碎錘破除開挖嚴重制約了石方開挖效率。而引進潛孔鉆后，通過潛孔鉆的引孔可以有效地對巖層進行破壞，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，為現場實際的石方破除效果。

圖3 現場石方破除效果

3.施工要點

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

（2）鉆桿及鉆塔安裝完畢，根據測量放樣孔位，嚴格認真進行孔位調整，經過相關人員檢查合格后方可允許進入下道工序的施工。

（3）潛孔鉆預鉆孔在巖面上鉆取多個孔洞，孔徑150mm，間距300mm×300mm，孔深4m。確保鉆機安放支架牢固穩定，在造孔過程中不得出現晃動。采用空壓機供風，無水干成孔保證鉆桿導正器完好，使用的釬頭直徑不得小于設計孔徑。鉆孔自上而下逐層施工深入，鉆孔的速度、風壓、推進根據鉆機的性能并結合底層實際情況嚴格控制，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械，沿巖面進行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，然后再由長臂挖機或液壓伸縮臂抓至基坑外，運到指定地點。

4.施工質量控制

（1）潛孔鉆使用的是鋼套管跟進鉆采技術，鉆渣通過空壓機產生的高壓氣流排出孔外，因而使得覆蓋層鉆進過程不至埋鉆（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。

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

（3）加強對孔深標高的控制，當開挖接近設計標高時，應預留30cm厚度土層人工驗底，嚴格禁止超挖，對超挖部位應進行回填夯實。

（4）取孔完成后，應及時對孔口做好封孔措施，防止渣土進入孔內。

（5）潛孔鉆引孔完成后，應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.人員和設備

人員和設備配置如表1、表2所示。

表1 主要勞動力配置表

表2 主要設備使用表

6.適用范圍

（1）開挖現場非常靠近公共區域。即使采取了保護措施，爆破可能造成的任何飛石成為難以控制的問題。

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

（3）爆破可能影響附近的斜坡或自然地形的穩定性，威脅施工人員、施工設備和支護結構的安全，存在嚴重的施工風險。

三、應用效果

1.經濟效益

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構的影響，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，各種機械費用與人工費用支出減少368萬元，引進潛孔鉆機使用費用270萬元，創造經濟效益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。為項目后續施工創造了先決條件，提供了工期、技術、效益方面的有力保障。同時增加了項目綜合競爭能力，得到了業主與總包部對項目人員工作的一致認可。

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致地鐵深基坑施工技術方案的改變。其中分層開挖高度、工作面寬度、鉆孔間隔距離等因素對實際開挖效率都有影響。確定最優的施工參數，對選用合適的施工機械，提高施工開挖效率，降低施工成本具有積極意義，后續可結合現場試驗和數值模擬進行進一步研究。

五、結語

采用“潛孔鉆引孔+破碎錘破碎”的方法進行臨近既有線硬巖地層基坑石方開挖，比原來的單獨破碎錘施工方法效率更高，且降低了對既有線結構物安全影響。可以有效地節省基坑石方開挖時間，對后期工作面形成流水作業提供有利保障。結合本工程實際施工效果，可以得到以下結論：

（1）潛孔鉆可以破壞巖層完整性，人為創造多個“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）與傳統的爆破法施工相比，潛孔鉆和破碎錘組合施工產生的振動小，能夠滿足《城市軌道交通結構安全保護技術規范》CJJT 202-2013 中安全允許振速2.5cm/s。

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