城市地铁岩石地层非爆破施工试验与应用

刘伟涛

摘  要：在地铁通过居民区、学校、医院等敏感区域时出于安全和减少扰民等要求，施工需要采取非爆破施工。文章以贵阳市轨道交通某项目为例介绍了钻劈台车和悬臂掘进机在地铁硬岩隧道施工中的试验和应用。分析了两种施工方法的优缺点，为类似工程积累了经验。

关键词：地铁;非爆破;钻劈台车、悬臂掘进机;施工技术

中图分类号：U455.4        文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）05-0167-03

Abstract： In order to meet the requirements of safety and reducing disturbance when the subway passes through sensitive areas such as residential areas， schools， hospitals and so on， non-blasting construction is needed. Taking a rail transit project in Guiyang City as an example， this paper introduces the test and application of drilling and splitting trolley and cantilever roadheader in the construction of subway hard rock tunnel. The advantages and disadvantages of the two construction methods are analyzed， which accumulates experience for similar projects.

Keywords： subway; non-blasting; drilling and splitting trolley， cantilever roadheader; construction technology

1 概述

在地鐵施工中硬质围岩施工方法多采用钻爆法，钻爆法施工会引起隧道围岩和邻近建筑物结构发生爆破振动，会发出爆破噪音，破坏隧道周边的人居环境。贵阳市轨道交通某项目下穿居民区、隧道口紧邻加油站，需要采用非爆破施工，项目采用钻劈台车和悬臂掘进机两种施工方法，为类似工程积累了经验。

2 工程概况

贵阳市轨道交通某项目，工程包含区间隧道和车站一座。区间隧道穿越多个小区，主干道，部分隧道位于狮子岩山体内，区间隧道长1000m，线间距为11.0-18.0m，隧顶埋深约12.7-130.6m。车站花果园西车站整个车站位于山体下，拟采用拱盖法暗挖施工。暗挖主体总长约251m，净宽度22.7m，断面面积393.46m2，埋深100m以上。在车站东侧设置一座斜井作为施工通道，兼顾车站和区间施工，斜井设置2个分支通道进入车站站厅层，全长453.9m，断面尺寸7.2m*6.5m。区间隧道和车站施工范围主要穿越地层为：中风化灰岩、强风化泥岩。岩石饱和单轴极限抗压强度强度12～85MPa。区间范围有雨水、污水、电信、电力、给水、燃气等管线。特别是斜井洞口紧邻加油站，为保证安全、减少对敏感区域的影响要求采用非爆破开挖法施工。

3 非爆破施工方案

3.1 钻孔——劈裂法施工

2019年7月，项目采用隧道局研制的ZP-11钻劈台车进行试验，施工方法是先用潜孔钻钻孔再用液压劈裂棒将岩石劈裂，然后再用挖掘机、自卸车将石块运出隧道。

3.1.1 钻劈台车构造及原理

ZP-11钻劈台车采用履带式底盘，一个钻臂和一个作业平台，钻孔采用风动潜孔钻（需要另外配置一台空压机作为动力源）。液压控制系统、劈裂液压系统等集成在底盘上。外形结构如图1、图2。

3.1.2 施工方法及要求

（1）施工准备：根据图纸要求对作业面进行测量，标注钻孔点位，设备人员就位。

（2）利用钻臂沿隧道周边轮廓线施做咬合孔临空面。孔深1.2m，孔径115mm。要求相邻孔间距小于95mm，以保证临空面质量。

（3）自下向上水平施做劈裂孔，层高设置为500mm，孔距600mm（层高和劈裂孔距依据岩石硬度及劈裂效果可适当调整），孔深1.2m。

（4）利用作业平台安装劈裂棒进行劈裂，一次最多可安装6根劈裂棒。劈裂顺序为自下而上。

（5）将岩石劈裂后，将钻劈台车退出。

（6）利用挖掘机将裂开的岩石从作业面剥离，然后装在自卸车里运出洞外。

（7）如果仍有没有裂开的岩石，在需要的部位再钻孔、劈裂。重复3、4、5、6步骤。

（8）完成开挖，进入下一道工序。

3.1.3 现场试验情况

2019年7月，先后试验了不同临空面和孔间距的劈裂效果。（岩石硬度：104MPa）

（1）竖向临空面劈裂试验：在临空面两侧设置劈裂孔，向中间劈裂。目的是测试在竖向临空面条件下，劈裂孔的间距设置。

（2）水平临空面劈裂试验：在临空面上方设置劈裂孔，向下劈裂，目的是测试在水平临空面条件下劈裂孔的间距设置。

经过不同临空面条件下的试验，在岩石硬度100PMa，层高500mm，间距600mm左右，劈裂液压系统压力达到130MPa可以将岩石劈裂。

（3）又进行了整工序试验，布孔图如图3;试验情况如表1。

3.1.4 钻劈台车施工优缺点分析

根据试验结果分析，钻劈台车施工有以下特点：

（1）劈裂岩石时无震动、无冲击，立即见效不用等待、可以不间断重复作业。适用于硬度超过80MPa的岩石。

（2）整体作业效率低。整个循环需要钻劈台车、挖掘机、自卸车等设备多次转换，影响作业效率。

（3）劈裂时需要人工在作业平台上安装、拆除劈裂棒，劳动强度大、存在较大的安全隐患。

3.2 悬臂掘进机法施工

3.2.1 悬臂掘进机的构造

悬臂隧道掘进机是一种集切割、行走、装运、喷雾灭尘等多种功能为一体的高效联合作业机械。工作时，安装在悬臂上的截割头上下左右擺动，能够切割任意形状的隧道断面。花果园西站项目采用一台CTR300A型隧道掘进机。结构如图4;技术参数如表2。

3.2.2 施工方法

悬臂掘进机就位后，开始从掌子面底部水平切削出一条槽，向前移动掘进机再一次就位，就位后截割头采取自下而上、左右循环切削。在切削同时铲板部耙爪将切削下来的碴装入第一运输机，第一运输机转运至第二运输机，第二运输机直接装入出碴车运出洞外。从底部开挖到顶部完成后，进行二次修整以达到准确的设计断面。悬臂式掘进机的截割方式是从扫底开始截割，再按S型或Z型左右循环向上的截割路线逐级截割以上部分。

选用右旋截割头截割硬岩，先由右向左从扫底开始截割，再按从左至右、自下往上的方式或从右往左、自上而下逐步进行截割。如遇节理发育较好岩石，则应选择沿岩石节理方向逐步切割。

3.2.3 效果分析

悬臂掘进机集切削、装碴、转运、除尘和自行于一身，可以做到切削、装运同步进行。具有连续掘进、地质适应性好的优点，施工无需其他设备辅助，需要投入3～4人即可完成掘进工序。根据花果园西站斜井的施工情况对作业时间、进尺、实际开挖量和平均日单耗进行统计。施工时围岩强度85～104MPa，平均日进尺达到0.75m。当岩石硬度小于60MPa时平均日进尺2.1m，最高日进尺3m。

（1）根据施工情况分析悬臂掘进机施工有以下优势：

a.开挖断面形状易于控制，超欠挖量小;由于开挖断面规范，钢架、网片拼装、喷射砼速度快，可节省大量时间。可节约锚杆、喷射混凝土用量。

b.施工人员数量少，人工成本低;对围岩扰动量小，对围岩破坏少，作业安全风险少。

c.悬臂掘进机集切削、装碴、转运和自行于一身，可以做到切削、装运同步进行，功能齐全，无需其他设备辅助，作业效率较高。

（2）悬臂掘进机施工存在的问题

a.由于掘进机切割头较长，每次掘进施工掌子面需预留约0.8～1.2m的开挖面，以避免下次开挖损坏已施做的初支，导致掌子面距离初支面距离过大。

b.悬臂掘进机施工作业粉尘、噪音较大，扬尘及噪音污染严重，对施工环境影响较大。

c.设备总装机功率大，对电力要求高，需要配备专用变压器供电。虽然设备整体效率较高，但机械一旦发生故障，维修时间较长。

4 结束语

悬臂掘进机开挖具有机械化程度高、对围岩损伤扰动少、超欠挖易控制、开挖出碴连续、作业人员少、劳动强度低、安全性高、适应断面灵活等特点。围岩强度超过60MPa时效率较低，截齿磨损较快，使用成本较高。在30～60MPa中等岩石硬度条件下施工效率较高，综合成本较优，施工性价比最高。

钻劈台车由于还在试验阶段，受整体结构影响，只有一个钻臂和一个作业平台，作业效率较低。但经过试验验证采用钻孔劈裂技术可以实现岩石地层非爆破施工，能够通过液压劈裂硬度超过80MPa的岩石，相关技术研究还需要有很长的路去走， 需要施工单位与机械设计单位紧密沟通， 采用多钻臂、自动安装（拆除）劈裂棒、集成破碎锤、集料输料装置实现装渣功能等，可以解决城市地铁车站及隧道非爆条件下施工效率低和施工成本高等问题。

参考文献：

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