硬岩地层地铁深基坑非爆破开挖施工技术

李小龙 李雅婷

近年来，随着城市地铁施工建设的稳步推进，部分城市新规划地铁线路中大部分车站位于城市闹市区且呈多线换乘趋势，加大了地铁深基坑的施工难度，这对地铁深基坑安全施工技术的创新发展提出了更高要求。

对于硬岩开挖，考虑到施工成本和工期要求，常采用爆破法进行施工。虽然使用炸药爆破具有许多优点，例如功率大，应用范围广，但爆破产生爆破振动破坏、结构累积损失、飞石粉尘和有毒有害气体等影响无法忽视。一旦爆破失控，将会对施工人员、施工设备及周边环境产生巨大威胁。许多学者通过理论研究和现场监测对硬岩深基坑爆破开挖技术进行了研究，取得了丰富的成果。此外，随着计算机技术的发展，不少学者也开始利用数值模拟来研究管道和其他地下结构在爆破振动下的动力响应特性。在可用的软件中，ANSYS/LS-DYNA被广泛用作非线性有限元数值仿真，用于分析爆炸载荷对结构模型的影响。

但当车站深基坑在存在坚硬岩层的情况下又与既有运营线直接进行接驳，为确保既有线及周边建筑物安全，石方一般情况下不允许爆破施工。而岩石的抗拉强度是影响其变形性、可钻性、可碎性、可挖性的关键参数。如果仅采用破碎锤进行开挖，随着岩石强度的增加，会使得在岩石中钻孔变得更加困难。在不采用传统爆破法进行施工的前提下，为了降低施工成本、缩短工期，本文提出了潜孔钻和破碎锤结合使用的地铁深基坑非爆破方式的开挖施工方法，现场施工结果显示，该方法可以节约施工成本，在面对类似工程问题时，具有推广的价值。

一、工程概况

广州地铁七号线二期某车站站点为地下三层岛式站台车站，设置单渡线，车站基坑开挖总深度为26.98～28.41m。车站与现有十三号线实行L型换乘，与原规划的二十五号线实行T型换乘。

本站地层按土层分类，从上至下依次为：素填土、杂填土、淤泥质粉细砂、淤泥质土、淤泥、粉质黏土、中粗砂、全风化含砾粗砂岩、强风化含砾粗砂岩、中风化含砾粗砂岩、微风化含砾粗砂岩，本站基坑底部大部分位于中风化含砾粗砂岩，局部位于微风化含砾粗砂岩。地质硬岩比较集中，在场地内连续分布且呈完整的块状存在。该层厚度0.3～13.7m，平均厚度3.67m，层顶埋深15.8～38.5m（标高-31.25～-8.22m），层底埋深16.7～40m（标高-32.75～-9.12m）。不利于破碎锤破除，同时车站临近既有13号线，不能采取爆破施工。

二、施工方案

1.施工流程

施工准备→测量放样→潜孔钻引孔→破碎锤制造临空面→破碎锤破除→渣土外运→钢支撑支撑安装→重复以上流程进行第二层石方开挖至基底。

2.施工原理

根据岩石的破碎原理，可以利用潜孔钻在岩层上预先钻取一定密度的小孔，在一定深度人为形成蜂窝状排列的孔洞，从而增加了岩层自由面，同时降低了基坑内岩石的抵抗力，有利于破碎锤对硬岩进行进一步的破碎工作，提高了机械的施工效率。施工原理和施工现场如图1和图2所示。潜孔钻是以压缩的空气作为动力。空气压缩机提供高压气流，经由风管、钻机和钻杆输送到潜孔钻冲击器里面，驱动潜孔锤进行工作。

图1 潜孔钻引孔原理图

图2 现场潜孔钻引孔施工

液压锤破碎机是一种常用的岩石非爆破开挖方法。液压锤破碎机的主要工作部件包括气缸、活塞、控制阀和凿子。冲击能量范围很广，从500 J到超过21500 J，可根据工作目的进行选择。破碎机本体通常安装在作为移动载体的挖掘机上。工具选择是岩石破碎中的一个重要生产力因素。楔形凿子用作破碎装置，因此楔形的锋利度对于实现良好的破碎生产率至关重要。因此在进入到弱风化含砾粗砂岩后，由于岩层强度高，完整性好，常规的破碎锤破除开挖严重制约了石方开挖效率。而引进潜孔钻后，通过潜孔钻的引孔可以有效地对岩层进行破坏，解决了破碎锤在硬岩中破除慢的问题，极大地提高了临近既有线基坑石方开挖的效率。如图3所示，为现场实际的石方破除效果。

图3 现场石方破除效果

3.施工要点

（1）施工前应将需要施工区域的场地平整好，以便于潜孔钻机能够进入钻孔定位的地方进行操作，钻具钻杆也能够顺利起落和安装。将风管和机器、空压机连接好，保持畅通，钻机焊机钻具钻杆试机均无故障，并提供好各种料具、备件。

（2）钻杆及钻塔安装完毕，根据测量放样孔位，严格认真进行孔位调整，经过相关人员检查合格后方可允许进入下道工序的施工。

（3）潜孔钻预钻孔在岩面上钻取多个孔洞，孔径150mm，间距300mm×300mm，孔深4m。确保钻机安放支架牢固稳定，在造孔过程中不得出现晃动。采用空压机供风，无水干成孔保证钻杆导正器完好，使用的钎头直径不得小于设计孔径。钻孔自上而下逐层施工深入，钻孔的速度、风压、推进根据钻机的性能并结合底层实际情况严格控制，防止钻孔扭曲和变径、造成塌孔或其他事故。

（4）破碎时使用PC330液压破碎锤作为主机械，沿岩面进行300mm×300mm破孔，破碎按照一定坡度破除，形成大面积临空面，将大面积的岩面破碎为大块状，再使用PC120液压破碎锤破碎成小块，然后再由长臂挖机或液压伸缩臂抓至基坑外，运到指定地点。

4.施工质量控制

（1）潜孔钻使用的是钢套管跟进钻采技术，钻渣通过空压机产生的高压气流排出孔外，因而使得覆盖层钻进过程不至埋钻（潜孔钻头）。保证斜岩面上的孔洞能与钻头的刃脚相互咬合，从而防止其沿岩面倾斜方向偏转。

（2）潜孔钻施工时，孔间距不宜过大，间距偏差控制在50mm为宜，高程误差严格控制基底以上30～50cm。

（3）加强对孔深标高的控制，当开挖接近设计标高时，应预留30cm厚度土层人工验底，严格禁止超挖，对超挖部位应进行回填夯实。

（4）取孔完成后，应及时对孔口做好封孔措施，防止渣土进入孔内。

（5）潜孔钻引孔完成后，应立即组织破碎锤破碎，两工序间隔时间不宜过长，避免因不良天气对引孔完成的孔位流入泥浆后造成堵塞，影响“临空面”的形成，降低破碎锤施工效率。

5.人员和设备

人员和设备配置如表1、表2所示。

表1 主要劳动力配置表

表2 主要设备使用表

6.适用范围

（1）开挖现场非常靠近公共区域。即使采取了保护措施，爆破可能造成的任何飞石成为难以控制的问题。

（2）在挖掘现场的邻近区域，有一些对爆破引起的地面振动非常敏感的建（构）筑物，如地铁车站、高压电塔、居住住宅、纪念碑等。

（3）爆破可能影响附近的斜坡或自然地形的稳定性，威胁施工人员、施工设备和支护结构的安全，存在严重的施工风险。

三、应用效果

1.经济效益

引入潜孔钻引孔后，相较于原来单一的开挖工法，既解决了硬岩石方开挖效率慢的问题，还很好地解决了硬岩石方开挖期间对既有线结构的影响，使得该车站深基坑石方开挖效率得到了大大提升。计划工期由原估计的3个月缩短至2个月，各种机械费用与人工费用支出减少368万元，引进潜孔钻机使用费用270万元，创造经济效益98万元。

2.社会效益

在引入潜孔钻引孔后，提高了硬岩非爆破开挖施工功效。为项目后续施工创造了先决条件，提供了工期、技术、效益方面的有力保障。同时增加了项目综合竞争能力，得到了业主与总包部对项目人员工作的一致认可。

四、研究展望

从钻爆开挖到硬岩非爆破开挖方法的改变会直接导致地铁深基坑施工技术方案的改变。其中分层开挖高度、工作面宽度、钻孔间隔距离等因素对实际开挖效率都有影响。确定最优的施工参数，对选用合适的施工机械，提高施工开挖效率，降低施工成本具有积极意义，后续可结合现场试验和数值模拟进行进一步研究。

五、结语

采用“潜孔钻引孔+破碎锤破碎”的方法进行临近既有线硬岩地层基坑石方开挖，比原来的单独破碎锤施工方法效率更高，且降低了对既有线结构物安全影响。可以有效地节省基坑石方开挖时间，对后期工作面形成流水作业提供有利保障。结合本工程实际施工效果，可以得到以下结论：

（1）潜孔钻可以破坏岩层完整性，人为创造多个“临空面”，便于破碎锤在钻孔之间快速形成有效的贯穿裂缝。该技术可以使基坑石方开挖效率提高30%，降低施工成本，缩短施工周期；

（2）与传统的爆破法施工相比，潜孔钻和破碎锤组合施工产生的振动小，能够满足《城市轨道交通结构安全保护技术规范》CJJT 202-2013 中安全允许振速2.5cm/s。

（3）施工过程噪音及产生的振动很小，对周边环境造成影响小，满足绿色施工的需要。