山岭隧道下穿明长城水磨钻静态爆破施工技术

2023-02-24王炳麟

设备管理与维修 2023年2期

王炳麟

（中铁二十二局集团第四工程有限公司，天津 301700）

0 引言

中国文化源远流长，在中华文明璀璨的历史长河中，长城作为最耀眼的明珠而存在。随着国家交通建设的飞速发展，路网的规划不可避免地会与历史古建筑及文明古迹相交汇。为达到施工与文保和谐统一，确保施工过程中文物保护安全，降低施工过程中文保风险等级，进行相关课题的研究显得尤为重要。张悦[1]模拟三台阶法和双侧壁导坑法施工对明长城的影响；蒋志强[2]研究小净距隧道在不同施工工序、不同开挖进尺、不同支护刚度下，洞室的相互影响规律、围岩的应力、围岩变形以及烽火台的稳定性问题。潘雪峰[3]以实际工程为背景，对隧道穿越明长城设计方案与施工技术进行研究。熊华涛[4]确定了下穿明长城段地表最大沉降不应超过30 mm、位移速率不应大于5 mm/d、局部倾斜应小于1‰的控制标准，并分析了不同（超前）支护措施对地表沉降的控制效果崔会超等[5]将“水磨钻”非爆破开挖施工工艺应用到小断面地铁隧道施工中。李晓辉[6]对静态爆破在公路隧道施工中应用进行研究。李杰浩等[7]研究了提高静态爆破施工效率与经济性的措施、隧道静态爆破参数设计与开挖。李波等[8]提出水磨钻断面取芯+静爆破岩施工工艺。聂雯等[9]研究利用混凝土比拟岩石进行无边界约束情况下的石方静胀试验，基于试验结果建立了DDA（Digital Differential Analyzer，数值微分）单孔静胀模型。

本项目依托朔神高速公路第二合同段项家沟隧道工程建设，对新建隧道掘进下穿明长城古遗址段施工技术展开研究，以实现施工对明长城遗址不造成影响和隧道顺利贯通的目的。

1 工程概况

朔神高速公路第二合同段项家沟隧道位于神池县龙泉镇，隧址区位于管岑山东南侧余脉。左线起止里程ZK16+250～ZK16+528，长278 m；右线起止里程K16+255～K16+525、长270 m，采用端墙式洞门。隧道洞顶地形起伏较大，两端洞口均为基岩陡坡。隧址最高点地面标高约为1501 m，对应的里程桩号为K16+260 附近，整个隧道地表海拔高程介于1445～1501 m，相对高差约56 m，隧道在K16+350、ZK16+345 处下穿明长城古遗址（图1）。

图1 项家沟隧道与明长城古遗址位置

2 项家沟隧道下穿明长城古遗址方案比选

明长城作为中华文化瑰宝，需要遵循文物“保护为主、抢救第一、合理利用、加强管理”的十六字方针。当土木工程与文物古迹相交汇时，必须选择合理的施工方法，确保文物安全。近年来，随着绿色施工技术大力发展，非爆破施工工艺在高速公路隧道掘进中得到广泛推广。常用非爆破高速公路隧道施工技术主要有悬臂掘进机法、“水磨钻+静态爆破剂”法、液压劈裂法等。依据项家沟隧道勘察资料可知，隧道穿越明长城古遗址段岩石为中风化灰岩夹薄层泥灰岩，较坚硬、岩性单一，地下水对隧洞施工影响小，大部分围岩为Ⅳ～V 类，围岩基本上稳定。

神池明长城墙体为石砌，现在仍可见其石基、石堆等，这些长城城墙建筑多因地制宜、就地取材，在平原和矮丘处，以土板构筑城墙，而在山上就以石垒砌。根据神池县文物局《关于呼北高速公路神池段建设工程中加强长城保护工作的通知》要求，为降低隧道下穿明长城古遗址段施工风险，确保施工安全，对不同施工方案依据工程项目管理原则进行比选，具体比选方案如图2 所示。项家沟隧道下穿明长城段拟采用“水磨钻钻孔+静力爆破剂加热膨胀劈岩+周边钻孔劈岩机修整”的施工方案。

图2 项家沟隧道下穿明长城古遗址段施工方案比选

3 项家沟隧道下穿明长城古遗址技术要点

3.1 “水磨钻+静态爆破”施工技术流程

项家沟隧道下穿明长城古遗址段拟先采用水磨钻沿掌子面掘进区域周边以相割圆方式按水平方向施钻取芯，在周边形成连续槽道，成型开挖轮廓，为中部岩体劈裂和后部隧道扩挖提供临空面。在中部开挖区域周边内使用风钻按一定间距在水平方向钻劈裂孔，然后以周边槽道形成的临空面，用静力爆破剂自周边向内进行分裂开挖岩体，周边采用液压劈裂机劈裂岩体（图3）。

图3 “水磨钻钻孔+静力爆破剂加热膨胀劈岩”的工艺流程

3.2 机械设备配置及器材选择

根据项家沟隧道穿越明长城古遗址段工程水文地质现状、质量控制标准、工期要求及神池县文物局下发的《关于呼北高速公路神池段建设工程中加强长城保护工作的通知》要求，并结合项目所在地机械设备租赁实际，采用Φ160 mm 水磨钻、静爆剂，具体设备及器材配置见表1。

表1 机械设备及器材配置表

3.3 确定非爆开挖断面

隧道开挖断掌子面尺寸根据隧道整体开挖规划及掏槽区大小确定，必须满足作业人员操作需要且方便操作，非爆开挖部分宜位于隧道下部中线处。整体规划一个掌子面上的施工分段情况。由于开挖掌子面较大，故计划分3 个阶段进行施工，各段钻孔位置、孔距、排距和孔径如图4 所示。

图4 超前导坑水磨钻钻孔孔位咬合圆示意

考虑到公路隧道非爆破开挖及隧道扩挖层、支护等循环时间等，按照一天一循环进行组织，同时考虑到相同周长条件下圆形面积最大的特点，非爆开挖掌子面也采用圆形断面（半径为1.5 m 左右为宜），可以做到一次搭设简易作业支架、完成一次作业循环全部钻孔。

3.4 水磨钻布孔、取岩芯

由专业测量工程师根据隧道洞内控制导线精确测设出劈裂开挖断面的圆心，在掌子面上标出各开挖段钻孔的中心位置。

人工手持水磨钻在图5a）的二环线上采用以相割圆方式按水平方向施钻取芯，形成连续槽道临空面，将岩心与周围岩体分开，孔距70 mm，水磨钻钻孔孔径100 mm；相邻两个钻孔相割70 mm，相邻钻孔咬合20～30 mm，每次钻取深度1000 mm 左右。每台钻机由3～4 人操作，完成1 个孔钻取芯时间约5～10 min。

图5 开挖断面钻孔布置

3.5 搭设简易台架

搭设台架钢管应采用GB/T 13793—2016《直缝电焊钢管》或GB/T 3091—2015《低压流体输送用焊接钢管》规定的Q235普通钢管，钢管型号为Φ48.3×3.6 mm，台架的搭设要根据设计要求，同时要满足水磨钻施工精度及安全性所需的足够的强度、刚度及稳定性。根据隧道断面尺寸及施工作业面需求，台架作业面与隧道顶部的垂直距离为80 cm，台面宽度与掌子面两侧分别预留100 cm，以满足水磨钻施工时所需作业面。

3.6 劈裂孔布设及钻孔

为确保项家沟隧道下穿明长城古遗址段施工安全，达到文物保护单位的要求，将施工队明长城古遗址段的影响降到最低，同时满足工程质量及工期要求，静态爆破孔梅花布设，爆孔间距不大于掌子面的最小抵抗线。

为确保静态爆破效率，提高静爆剂利用率，劈裂孔钻孔设备采用YT28 型凿岩机，劈裂孔直径42 mm，劈裂孔钻孔与开挖掌子面成87°夹角。

3.7 静态爆破剂放置

（1）使用前，先按配合比静态爆破剂∶水=0.7∶0.3（重量比）进行静爆剂制作，然后将拌制好的静爆剂倒入劈裂孔，并用专门工具将静爆剂挤压密实，深度较大的劈裂孔可以根据现场实际分段装药。

（2）当静爆剂在劈裂孔中产生化学反应，随着岩石裂缝的出现，需连续不断向裂缝中加水，以确保静爆剂在劈裂孔中持续工作，随着水分的加入，岩石劈裂效果显著增加。

（3）为确保静爆剂灌注过程的安全及高效，拟采取分组形式进行施工，每灌注小组由3 人组成，组长负责静爆剂的拌制及灌注。2 名组员负责已灌注静爆剂劈裂孔的挤压密实工作。

（4）温度是影响静爆剂爆破效果的主要因素，静爆剂灌注及挤压密实过程中，要动态监测劈裂孔孔壁、静爆剂、水及周边环境的温度，静爆剂拌制到灌注挤压密实的持续时间应小于5 min。

（5）为确保静态爆破效果，当劈裂孔穿越地下水位时需为水位以下的劈裂孔安装相应长度的套管。

3.8 静爆剂反应时间的控制

静爆剂反应的快慢与温度有直接的关系，温度越高反应时间越快，反之则慢。静爆剂发生化学反应的时间宜控制在30～60 min，具体时间应根据现场实际工况进行动态调整。

3.9 检查验收、信息反馈

检查验收、信息反馈。每循环后检查施工效果，分析存在问题及原因，及时修正相关参数，改善技术经济指标，提高开挖效率和保证施工安全。

4 效益分析

4.1 经济效益

“水磨钻钻孔+静力爆破剂加热膨胀劈岩+周边钻孔劈岩机修整”施工工艺综合费用低，本工艺通过调整水磨钻钻孔参数、规划临空面及合理选用静态爆破剂等措施，在优化破碎效果、提高掘进速度的前提下，缩短了水磨钻钻孔、清渣和静爆剂搅拌灌装的时间。虽然设置临空面增加了水磨钻取芯的时间，但单位体积范围内掘进效率有显著提高。通过对施工工艺各关键工序所需作业时间进行对比分析，通过造价工程师对现场劳动力、静态爆破剂用量和机械设备进行统计核算，水磨钻钻孔机械台班增加67.5 台班，由于水磨钻钻孔的施工，凿岩机钻劈裂孔减少35.8 台/班。出渣用装载机减少8.7 台/班，配套人工开挖劳动力减少150.6 工日，静态爆破剂用量减少62.1 t。

采用优化施工工艺后，单循环掘进施工作业时间节约4.5 h，单循环掘进进度可增加0.3 m，施工效率提高了0.5 m/d。项家沟隧道下穿明长城古遗址段范围为548 m，总工期缩短了55 d，节省25 4811.6 元的费用。