隧道超前導(dǎo)洞水磨鉆非爆施工工法823

1、隧道超前導(dǎo)坑水磨鉆非爆破施工工法中鐵隧道集團一處有限公司中鐵二院工程集團有限責(zé)任公司張志和 匡亮 陳赤坤1前言為保證隧道在近距離下穿構(gòu)筑物和建筑物的安全，必須嚴格控制爆破震動。一般的爆破震動控制技術(shù),也只能是最大限度地降低爆破震動，且振速控制波動性較大，易對居民造成影響。在地表建筑物林立的城市環(huán)境下進行淺埋隧道掘進施工時，對于下穿地表抗震等級低的構(gòu)筑物困難地段，或者不允許產(chǎn)生爆破震動的地段，非爆破開挖往往成為一種不得不選用的手段。盡管非爆破開挖具備完全減震的特點，能降低或完全解決一些因爆破開挖而對周邊環(huán)境產(chǎn)生的影響，但其也存在一定的局限性，主要體現(xiàn)在：機械化程度低、移動不方便，效率較低，作業(yè)范

2、圍有限，無法解決施工進度問題，因此對于長距離、大斷面下穿地表建筑物隧道而言，非爆破開挖設(shè)備及工藝僅能作為爆破開挖施工的補充，無法作為主要施工手段進行施工。在重慶地區(qū)地層砂泥巖分布較廣，抗滑樁和樁基等基坑開挖中利用水磨鉆在垂直方向取芯劈裂開挖應(yīng)用較多，據(jù)此，我們認為這種非爆開挖方法也可以在水平方向的隧道掘進中試用，為此將“水磨鉆”非爆破開挖引入隧道循環(huán)施工中，達到既能減輕爆破地震動，又能達到快速施工的目的。中鐵隧道集團一處有限公司在長洪嶺隧道出口DK183+395DK182+995淺埋下穿江池鎮(zhèn)段施工中，開展了淺埋高風(fēng)險隧道下穿密集民房施工爆破震動控制技術(shù)研究課題研究，采用水磨鉆非爆破的方法施工

3、導(dǎo)洞，為后續(xù)擴挖提供臨空面，很好地控制了后續(xù)擴挖的爆破震動，取得了一定效果，本文通過對科研成果和工藝的總結(jié)提高，形成本工法，希望給類似工程提供借鑒。2工法特點2.1 本工法投入小，施工成本低。本工法無需大型設(shè)備，所需設(shè)備成本低，輕便易維護，易于操作，并且需用勞動力較少，普通工人即可操作，設(shè)備和人員方面的投入較小，和靜態(tài)爆破、銑挖法、掘進機法等低震、微震工法相比，施工成本低。2.3 水磨鉆及液壓劈裂機工作時，不會產(chǎn)生震動、沖擊、噪音、粉塵飛屑等，不會產(chǎn)生有毒氣體和其它有害廢棄物，對周圍環(huán)境無影響，作業(yè)環(huán)境明顯改善。2.4 與其它爆破震動控制較好的幾種開挖方法相比，兼具成本和效率優(yōu)勢，綜合效益高。

4、2.2 工藝簡單，對操作人員進行簡單培訓(xùn)即可上崗，易于學(xué)習(xí)掌握，便于推廣。3適用范圍本工法適用于圍巖較好、爆破震動控制嚴格的隧道工程開挖施工，尤其適用于采用導(dǎo)洞超前、后鉆爆擴挖進行爆破震動控制的隧道超前導(dǎo)洞施工；在工期要求不嚴或距離較短的地段也可采用上臺階或全斷面開挖。4工藝原理4.1 本工法采用“周邊鉆孔取芯切割中心鉆孔劈裂”的方法進行隧道或超前導(dǎo)坑的非爆破法開挖，減小隧道后續(xù)擴挖爆破震動。4.2 采用水磨鉆沿開挖區(qū)域周邊以相割圓方式按水平方向施鉆取芯，在周邊形成連續(xù)槽道，成型開挖輪廓，為中部巖體劈裂和后部隧道擴挖提供臨空面。4.3 在中部開挖區(qū)域周邊內(nèi)使用風(fēng)鉆按一定間距在水平方向鉆劈裂孔，

5、然后以周邊槽道形成的臨空面，用液壓劈裂機自周邊向內(nèi)進行分裂開挖巖體，人工清除劈裂巖體。5施工工藝流程及操作要點5.1 施工工藝流程（見圖5.1）測量放線、布孔水磨鉆鉆孔、取周邊巖芯鉆劈裂孔液壓劈裂機分裂核心巖體搭設(shè)簡易臺架施工準備確定非爆開挖斷面人工清除劈裂巖體檢查驗收、信息反饋圖5.1 施工工藝流程圖5.2 操作要點 施工準備按照“安全第一、預(yù)防為主、綜合治理”的原則，先對施工段隧道進行超前地質(zhì)測報、水文地質(zhì)調(diào)查及時監(jiān)測的信息化施工，根據(jù)圍巖級別及水文地質(zhì)情況確定支護參數(shù)及開挖方法，并結(jié)合現(xiàn)場人員、機械配置情況制定施工方案，確保施工安全，施工方案經(jīng)濟、合理。5.2.2 確定非爆開挖斷面超前導(dǎo)

6、洞非爆開挖，其斷面尺寸根據(jù)隧道整體開挖斷面及掏槽區(qū)大小確定，同時必須滿足作業(yè)人員操作需要，又要便于現(xiàn)場操作，非爆開挖部分宜位于隧道下部中線處。考慮到超前導(dǎo)洞非爆破開挖及隧道擴挖層、支護等循環(huán)時間，按照一天一循環(huán)進行組織，同時考慮到相同周長條件下圓形面積最大的特點，非爆開挖斷面也采用圓形斷面，半徑為1.5m左右為宜，可做到一次搭設(shè)簡易作業(yè)支架、完成一次作業(yè)循環(huán)全部鉆孔。5.2.3 測量放線、布孔1 由測量人員根據(jù)隧道洞內(nèi)控制導(dǎo)線，精確測設(shè)出非爆開挖斷面的圓心，然后再在掌子面上畫一個半徑1.5m的圓。2 水磨鉆鉆孔孔位可沿輪廓線連續(xù)布置。由于水磨鉆行程僅有60cm，有效成孔深度在50cm左右，需多

7、次鉆孔才能達到非爆區(qū)的設(shè)計循環(huán)進尺，水磨鉆鉆孔需存在一定外插角，若開孔處采用相切圓，則在孔位末端存在楔形巖體，斷面不連續(xù)，因此，開孔時采用咬合圓的型式，消除孔末端的楔形巖石，形成連續(xù)的臨空面。3 中部用于劈裂的鉆孔孔間距40cm、排距40cm，沿隧道中線呈梅花形左右對稱布置。圖-1 超前導(dǎo)坑“周邊鉆孔取芯切割中心鉆孔劈裂”孔位布置示意圖5.2.4 搭設(shè)簡易臺架用于鉆孔和劈裂的臺架采用腳手架搭設(shè)。臺架頂部非爆開挖區(qū)高80cm、寬2m（左右側(cè)各1m）左右，以便于人員操作和水磨鉆懸吊。臺架搭設(shè)應(yīng)牢固，強度和穩(wěn)定性滿足要求，盡量減少作業(yè)的晃動，保證施工安全和試鉆精度。5.2.5 水磨鉆鉆孔、取周邊巖芯

8、1 將水磨鉆利用倒鏈懸吊在作業(yè)臺架上，并安裝可以調(diào)節(jié)水磨鉆橫向位置的支撐架，然后上下左右調(diào)整水磨鉆位置，檢查水磨鉆能否順利到位。水磨鉆布置見圖5.2.5-1，水磨鉆支撐架見圖5.2.5-2。圖5.2.5-1 超前導(dǎo)坑水磨鉆取芯作業(yè)示意圖圖-2 超前導(dǎo)坑水磨鉆支撐結(jié)構(gòu)立面圖2 開機檢查水磨鉆運轉(zhuǎn)是否正常，然后人工手持取芯鉆在隧道輪廓線上鉆孔取芯，采用以相割圓方式按水平方向施鉆取芯，在周邊形成連續(xù)槽道臨空面。3 為了同時保證取芯效率和較小的超挖量，相鄰鉆孔中心間距13cm，兩孔搭接2cm（見圖-3），每循環(huán)取芯孔數(shù)在6570個。根據(jù)取芯鉆筒長度每次鉆取深度50cm左右。23臺鉆機，每臺鉆機需34人

9、操作。取芯時一個孔鉆進時間約為510分鐘。圖5.2.5-3 超前導(dǎo)坑水磨鉆鉆孔孔位咬合圓示意圖4 水磨鉆取芯到位時，人工緩慢拉出水磨鉆，人工輕輕敲擊芯體，使其與母巖斷開，然后人工將其取出，水磨鉆移至下一個孔位處鉆孔。5.2.6 鉆劈裂孔在開挖區(qū)域輪廓線取芯的中間部分先用YT28鑿巖鉆機鉆孔，相鄰孔間距40cm，孔徑4.2cm，鉆孔數(shù)4245個；鉆劈裂孔也可在搭設(shè)簡易臺架前進行，為方便施工劈裂孔可一次鉆進24m，滿足48個劈裂循環(huán)作業(yè)（一個開挖循環(huán)約1.5米，每劈裂循環(huán)約0.5米）。5.2.7 液壓劈裂機分裂核心巖體1 取芯孔完成后，然后以周邊槽道形成的臨空面，用液壓劈裂機自周邊向內(nèi)進行分裂開挖

10、巖體，劈裂自上而下分裂巖塊，人工撬落。2 劈裂采用一臺劈裂機，4個操作人員，根據(jù)圍巖裂隙發(fā)育情況，小導(dǎo)洞劈裂每循環(huán)約1小時。 人工清除劈裂巖體為保證臺架和液壓劈裂機管線和下部工作面安全，劈裂機將巖體分裂后，分裂巖塊隨時由人工將地面石塊用手推車運至距離掌子面10m以外臨時堆放，根據(jù)現(xiàn)場條件約3個運砟人員，開挖完一個循環(huán)后用裝載機配合大車出碴至棄碴場。 檢查驗收、信息反饋每循環(huán)后檢查施工效果，分析原因及時修正相關(guān)參數(shù)，改善技術(shù)經(jīng)濟指標，檢查后續(xù)開挖是否超過設(shè)計要求，對比爆破前后地表建筑物情況，是否對建筑有破壞。5.3 勞動組織采用兩班倒循環(huán)作業(yè)制，勞動力見配備表5.3。表5.3 勞動力配備組織序號

11、工序作業(yè)內(nèi)容班次×人數(shù)備注1開挖搭設(shè)簡易臺架、鉆孔2×122裝運裝碴2×1挖機司機出碴運輸2×1出碴車司機3測量開挖輪廓線放樣2×24管理及后勤保障3合計356材料與設(shè)備6.1 材料本工法除水磨鉆取芯筒外，均為常規(guī)隧道施工用材料。6.2 設(shè)備（參見表6.2）表6.2 機械設(shè)備及儀器配備表序號名稱規(guī)格型號數(shù)量（臺）備注1風(fēng)動鑿巖機YT-2812全斷面開挖配制2混凝土噴射機YYTE-773全斷面開挖配制3裝載機ZL50C2全斷面開挖配制4水磨鉆（取芯機）LM1504備用一臺5劈裂機16工程自卸車15t6全斷面開挖配制7電動空壓機4L-204全斷面開

12、挖配制8挖掘機PC20019開挖臺架自制110鋼筋加工設(shè)備套2開挖支護使用7質(zhì)量控制7.1 對隧道主體及建筑物等，加強測量與量測工作，按設(shè)計要求施工，加強施工監(jiān)控，并及時反饋信息指導(dǎo)施工。7.2 簡易臺架固定支撐牢固，保證取芯機械運行順暢，取芯位置準確。7.3 擴挖爆破過程中做好監(jiān)測工作，及時了解爆破對地表的影響，并留下爆破振動對房屋影響的證據(jù)。7.4 做好周邊環(huán)境調(diào)查，嚴格按照薩氏公式計算最大單段控制藥量，嚴格控制單響藥量，最大限度減小爆破震動。7.5 爆破產(chǎn)生的石碴塊度需滿足機械裝碴、運輸及棄碴的要求。7.6 對隧道主體及建筑物等，加強測量與量測工作，按設(shè)計要求施工，加強施工監(jiān)控，并及時反

13、饋信息指導(dǎo)施工。8安全措施8.1 本工法一是綜合開挖的一部分，開挖服務(wù)業(yè)面小，開挖時采用挖機先將掌子面的危石清除，在再進行簡易臺架搭設(shè)，施工員將對其認真仔細檢查，確保安全以后才讓工人靠近工作面。8.2 控制爆破振動速度：隧道開挖必須遵循“弱爆破、短進尺、多循環(huán)”的施工原則，減少對圍巖的擾動，減少對周圍建筑物的振動影響。8.3 通過現(xiàn)場試爆，委托專業(yè)監(jiān)測單位對隧道及隧道周邊重點建筑物及震動波進行監(jiān)測，及時反饋信息，以取得合適的參數(shù)，及時進行調(diào)整，保證周邊建筑、行人、行車的安全。8.4 對周邊重點建筑物的安全防護措施：準確測量出建筑物距爆破點的距離，對距離不同的建筑采取不同的裝藥量，或增加減震孔。

14、8.5 加強施工量測：施工時，每次爆破時，都必須在重要建筑物和距起爆點最近建筑物進行沉降及變形觀測，隨時掌握爆破對建筑物的影響程度，并及時反饋信息，以便及時調(diào)整爆破參數(shù)指導(dǎo)施工。9環(huán)保措施9.1 施工方案強化施工中的監(jiān)控布點、量測、信息反饋與分析，不斷優(yōu)化設(shè)計參數(shù)，并從根本上杜絕因隧道變形過大而造成對地面建筑物/構(gòu)筑物產(chǎn)生的不良影響。9.2 由于擴挖爆破對地層產(chǎn)生的擾動，會引起地表建筑物/構(gòu)筑物變形或沉陷，在施工前做好調(diào)查，對可能產(chǎn)生的危害采取加固等預(yù)防措施。9.3 施工場地的廢水，經(jīng)過多級沉淀處理達標后，并作除油處理，經(jīng)業(yè)主和當(dāng)?shù)丨h(huán)保部門確認后排放。9.4 隧道棄碴應(yīng)在指定地點堆放，做到“先

15、擋后棄”，棄碴場底部和棄堆頂面設(shè)排水系統(tǒng)，在工程完工后做好綠化和復(fù)耕。9.5 選擇節(jié)能型機械設(shè)備，嚴禁國家淘汰、落后的產(chǎn)品進場。10效益分析10.1 經(jīng)濟效益工效分析（見表10.1.1）表 小導(dǎo)洞非爆開挖循環(huán)時間表項 目時間（小時）備注搭設(shè)簡易臺架2做為小導(dǎo)洞非爆開挖的前期準備，可在支護時進行小導(dǎo)洞非爆開挖4*3=12超前導(dǎo)坑非爆開挖，4h/循環(huán)，3個循環(huán)完成1.5米進尺小導(dǎo)洞臨時支護1臨時錨噴，找頂處理危石小導(dǎo)洞出碴1可與擴挖層出碴同時進行總計16按照每16小時進尺1.5m計算，考慮施工干擾等因素影響平均每天進尺1.5m，月度進尺為45m。 在埋深較淺、下穿密集民房地段采用本工法所修建隧道工

16、程造價為7.03萬元/延米，同條件下采用全非爆破法施工的隧道工程造價為9.73萬元/延米，較全非爆破開挖法可節(jié)約工程投資2.7萬元/延米。有較好的經(jīng)濟效益。10.2 社會、技術(shù)、環(huán)境等效益在隧道下穿密集民房段開挖施工中，由于本工法的成功開發(fā)應(yīng)用，既節(jié)約了施工成本，保證了地面交通暢通無阻，對地表建筑無影響，施工中未發(fā)生一起安全、質(zhì)量事故。工程的順利建成，提升了渝利鐵路建設(shè)的整體水平，豐富了減震爆破技術(shù)，為今后類似條件下隧道下穿建筑物的設(shè)計和施工提供可靠的決策依據(jù)，體現(xiàn)了良好的社會、技術(shù)及環(huán)境效益。11工程實例11.1 渝利鐵路長洪嶺隧道下穿江池鎮(zhèn)段 工程概況長洪嶺隧道為渝利鐵路第二長隧，全長13

17、294m，隧道開挖斷面寬約13.5m，高約11.5m。其中，DK183+050DK183+350段下穿江池鎮(zhèn)，區(qū)間地表建筑物密集，多為民用磚砌房屋，抗振性能差，此段隧道最小埋深僅為22m，為鐵道部指定的高風(fēng)險施工地段，爆破震動要求更為嚴格，經(jīng)專家鑒定安全震速為1.5cm/s，確保地面建筑的安全，控制爆破震動強度是重點，施工技術(shù)難度大。長洪嶺隧道下穿江池鎮(zhèn)段房屋及振速要求分布見圖圖。圖 長洪嶺隧道下穿江池鎮(zhèn)段房屋及振速要求分布圖 應(yīng)用情況為了確保地面建筑物和地中構(gòu)筑物的安全，中鐵隧道集團一處有限公司結(jié)合科研項目的實施開展減震爆破技術(shù)攻關(guān)。于2009年8月9日開始，首先采用下導(dǎo)坑先行、擴挖層、光爆層間隔一定距離跟進的分部開挖方法，地表振速為2.16cm/s，地表振速大于專家鑒定振速，后改用小導(dǎo)坑非爆開挖，擴挖層、光爆層間隔一定距離跟進的分部開挖方法，地表無明顯震動，地表振速為1.209cm/s0.50