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1、隧道超前导坑水磨钻非爆破施工工法中铁隧道集团一处有限公司中铁二院工程集团有限责任公司张志和 匡亮 陈赤坤1前言为保证隧道在近距离下穿构筑物和建筑物的安全，必须严 格控制爆破震动。一般的爆破震 动控制技术,也只能是最大限度地降低爆破震动，且振速控制波动性较大，易 对居民造成影响。在地表建筑物林立的城市环境下进行浅埋隧道掘进施工时，对于下穿地表抗震等 级低的构筑物困难地段，或者不允许产生爆破震动的地段，非爆破开挖往往成 为一种不得不 选用的手段。尽管非爆破开挖具备完全减震的特点，能降低或完全解决一些因爆破开挖而 对周边环境产生的影响，但其也存在一定的局限性，主要体现在：机械化程度低、移动不方便，效
2、率较低，作 业范围有限，无法解决施工进度问题，因此 对于长距离、大断面下穿地表建筑物隧道而言，非爆破开挖 设备及工艺仅能作为爆破开挖施工的补充，无法作 为主要施工手段进 行施工。在重 庆地区地层砂泥岩分布较广，抗滑桩和桩基等基坑开挖中利用水磨钻在垂直方向取芯劈裂开挖应用较多，据此，我们认为这种非爆开挖方法也可以在水平方向的隧道掘进中试用， 为此将 “水磨钻”非爆破开挖引入隧道循环施工中，达到既能减轻爆破地震动，又能达到快速施工的目的。中铁隧道集团一处有限公司在长洪岭隧道出口 DK183+395DK182+995 浅埋下穿江池镇段施工中，开展了浅埋高风险隧道下穿密集民房施工爆破震 动 控制技术研
3、究课题研究，采用水磨 钻非爆破的方法施工导洞，为后续扩 挖提供临空面，很好地控制了后续扩挖的爆破震动，取得了一定效果，本文通过对科研成果和工艺的总结提高，形成本工法，希望给类似工程提供借鉴。2工法特点2.1 本工法投入小，施工成本低。本工法无需大型 设备，所需 设备成本低，轻便易维护，易于操作，并且需用劳动力较少，普通工人即可操作，设备和人员方面的投入较小，和静态爆破、 铣挖法、掘进机法等低震、微震工法相比，施工成本低。2.3 水磨钻及液压劈裂机工作时，不会 产生震动、冲击、噪音、粉尘飞屑等，不会产生有毒气体和其它有害废弃物，对周围环 境无影响，作 业环境明显改善。2.4 与其它爆破震动控制较
4、好的几种开挖方法相比，兼具成本和效率 优势， 综合效益高。2.2 工艺简单，对操作人员进 行简单培训即可上岗，易于学习掌握，便于推广。3适用范围本工法适用于围岩较好、爆破震 动控制严格的隧道工程开挖施工，尤其适用于采用导洞超前、后钻爆扩挖进行爆破震动控制的隧道超前导洞施工；在工期要求不严或距离较短的地段也可采用上台阶或全断面开挖。4工艺原理4.1 本工法采用“ 周边钻孔取芯切割中心钻孔劈裂”的方法进行隧道或超前导坑的非爆破法开挖，减小隧道后续扩挖爆破震 动。4.2 采用水磨钻沿开挖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
5、。4.3 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，用液压劈裂机自周边 向内进行分裂开挖岩体，人工清除劈裂岩体。5施工工艺流程及操作要点5.1 施工工艺流程（见图 5.1）图 5.1 施工工艺流程图5.2 操作要点5.2.1 施工准备按照“安全第一、 预防为主、综合治理”的原则，先 对施工段隧道进行超前地质测报、水文地质调查及时监测的信息化施工，根据 围岩级别及水文地质情况确定支 护参数及开挖方法，并 结合现场人员、机械配置情况制定施工方案，确保施工安全，施工方案经济、合理。5.2.2 确定非爆开挖断面超前导洞非爆开挖，其断面尺寸根据隧道整体开挖断面
6、及掏槽区大小确定，同时必须满足作业人员操作需要，又要便于现场 操作，非爆开挖部分宜位于隧道下部中线处。考虑到超前导洞非爆破开挖及隧道扩挖层、支 护等循环时间 ，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，非爆开挖断面也采用 圆形断面，半径 为 1.5m 左右为宜，可做到一次搭设简易作业支架、完成一次作 业循环全部钻 孔。5.2.3 测量放线、布孔1 由测量人员根据隧道洞内控制 导线，精确 测设出非爆开挖断面的圆心，然后再在掌子面上画一个半径 1.5m 的圆。2 水磨钻钻孔孔位可沿轮廓 线连续布置。由于水磨钻行程仅有 60cm，有效成孔深度在 50cm 左右，需多次钻孔
7、才能达到非爆区的 设计循环进尺，水磨 钻钻 孔需存在一定外插角，若开孔处采用相切测量放线、布孔水磨 钻钻 孔、取周边岩芯钻 劈裂孔液压劈裂机分裂核心岩体搭设简易台架施工准备确定非爆开挖断面人工清除劈裂岩体检查验收、信息反馈圆，则在孔位末端存在楔形岩体，断面不 连续，因此，开孔时采用咬合圆的型式，消除孔末端的楔形岩石，形成连续的临空面。3 中部用于劈裂的钻孔孔间距 40cm、排距 40cm，沿隧道中线呈梅花形左右对称布置。、 30R154.2031cm2、503、图 5.2.3-1 超前导坑“周边钻孔取芯切割中心钻孔劈裂”孔位布置示意图5.2.4 搭设简易台架用于钻孔和劈裂的台架采用脚手架搭设。
8、台架 顶部非爆开挖区高 80cm、宽 2m（左右侧各 1m）左右，以便于人员操作和水磨钻悬 吊。台架搭设应牢固，强度和稳定性 满足要求，尽量减少作 业的晃 动，保证施工安全和试钻精度。5.2.5 水磨钻钻孔、取周边岩芯1 将水磨钻利用倒链悬吊在作 业台架上，并安装可以 调节水磨钻横向位置的支撑架，然后上下左右调整水磨钻位置，检查水磨 钻能否顺利到位。水磨 钻布置 见图 5.2.5-1，水磨钻支撑架见图 5.2.5-2。 、图 5.2.5-1 超前导坑水磨钻取芯作业示意图、图 5.2.5-2 超前导坑水磨钻支撑结构立面图2 开机检查水磨钻运转是否正常，然后人工手持取芯 钻在隧道轮廓线上钻孔取芯，
9、采用以相割圆方式按水平方向施钻取芯，在周 边形成连续槽道临空面。3 为了同时保证取芯效率和 较小的超挖量，相邻钻孔中心间距 13cm，两孔搭接 2cm（见图5.2.5-3），每循环取芯孔数在 6570 个。根据取芯钻筒长度每次钻取深度 50cm 左右。23 台钻机，每台钻机需 34 人操作。取芯 时一个孔钻进时间约为 5 10 分钟。、图 5.2.5-3 超前导坑水磨钻钻孔孔位咬合圆示意图4 水磨钻取芯到位时，人工缓慢拉出水磨钻，人工 轻轻敲击芯体，使其与母岩断开，然后人工将其取出，水磨钻移至下一个孔位 处钻孔。5.2.6 钻劈裂孔在开挖区域轮廓线取芯的中间部分先用 YT28 凿岩钻机钻孔，相
10、邻孔间距 40cm，孔径 4.2cm，钻孔数 4245 个；钻劈裂孔也可在搭设简易台架前进行， 为 方便施工劈裂孔可一次钻进 24m ，满足48 个劈裂循环作业（一个开挖循环约 1.5 米，每劈裂循 环约 0.5 米）。5.2.7 液压劈裂机分裂核心岩体1 取芯孔完成后，然后以周边 槽道形成的临空面，用液 压 劈裂机自周边向内进行分裂开挖岩体，劈裂自上而下分裂岩块，人工撬落。2 劈裂采用一台劈裂机，4 个操作人 员，根据 围岩裂隙发 育情况，小导洞劈裂每循环约 1 小时。5.2.8 人工清除劈裂岩体为保证台架和液压劈裂机管线和下部工作面安全，劈裂机将岩体分裂后，分裂岩块随时由人工将地面石块用手
11、推车运至距离掌子面 10m 以外临时堆放，根据现场条件约 3 个运砟人员，开挖完一个循环后用装载机配合大车出碴至弃碴场。5.2.9 检查验收、信息反馈每循环后检查施工效果，分析原因及 时修正相关参数，改善技术经济指标，检查后续开挖是否超过设计要求，对比爆破前后地表建筑物情况，是否 对建筑有破坏。5.3 劳动组织采用两班倒循环作业制，劳动 力见配备表 5.3。表 5.3 劳动力配备组织序号 工序 作业内容 班次人数 备注1 开挖 搭设简易台架、钻孔 212装碴 21 挖机司机2 装运出碴运输 21 出碴车司机3 测量 开挖轮廓线放样 224 管理及后勤保障 3合计 356材料与设备6.1 材料本
12、工法除水磨钻取芯筒外，均 为常规隧道施工用材料。6.2 设备（参见表 6.2）表 6.2 机械设备及仪器配备表序号 名称 规格型号 数量（台） 备注1 风动凿岩机 YT-28 12 全断面开挖配制2 混凝土喷射机 YYTE-77 3 全断面开挖配制3 装载机 ZL50C 2 全断面开挖配制4 水磨钻（取芯机） LM150 4 备用一台5 劈裂机 16 工程自卸车 15t 6 全断面开挖配制7 电动空压机 4L-20 4 全断面开挖配制8 挖掘机 PC200 19 开挖台架 自制 110 钢筋加工设备 套 2 开挖支护使用7质量控制7.1 对隧道主体及建筑物等，加强测量与量测工作，按 设计要求施
13、工，加强施工监控，并及时反馈信息指导施工。7.2 简易台架固定支撑牢固，保 证取芯机械运行顺畅，取芯位置准确。7.3 扩挖爆破过程中做好监测工作，及时了解爆破对地表的影响，并留下爆破振动对房屋影响的证据。7.4 做好周边环境调查，严 格按照萨氏公式计算最大单段控制药量， 严格控制单响药量，最大限度减小爆破震动。7.5 爆破产生的石碴块度需满足机械装碴、运 输及弃碴的要求。7.6 对隧道主体及建筑物等，加强测量与量测工作，按 设计要求施工，加强施工监控，并及时反馈信息指导施工。8安全措施8.1 本工法一是综合开挖的一部分，开挖服 务业面小，开挖时采用挖机先将掌子面的危石清除，在再进行简易台架搭设
14、，施工 员将对其认真仔细检查，确保安全以后才让工人靠近工作面。8.2 控制爆破振动速度：隧道开挖必须遵循“弱爆破、短进尺、多循 环”的施工原则，减少对围岩的扰动，减少对周围建筑物的振 动影响。8.3 通过现场试爆，委托专业监测单位对隧道及隧道周边重点建筑物及震动波进行监测，及时反馈信息，以取得合适的参数，及时进行调整，保证周边建筑、行人、行车的安全。8.4 对周边重点建筑物的安全防护措施：准确测量出建筑物距爆破点的距离，对距离不同的建筑采取不同的装药量，或增加减震孔。8.5 加强施工量测：施工时，每次爆破时，都必须在重要建筑物和距起爆点最近建筑物进行沉降及变形观测，随时掌握爆破对 建筑物的影响
15、程度，并及 时反 馈信息，以便及时调整爆破参数指导施工。9环保措施9.1 施工方案强化施工中的监控布点、量测、信息反 馈与分析，不断优化设计参数，并从根本上杜绝因隧道变形过大而造成对地面建筑物/构筑物产生的不良影响。9.2 由于扩挖爆破对地层产生的扰动，会引起地表建筑物/ 构筑物变形或沉陷，在施工前做好调查， 对可能产生的危害采取加固等 预防措施。9.3 施工场地的废水，经过 多级沉淀处理达标后，并作除油处理，经业主和当地环保部门确认后排放。9.4 隧道弃碴应在指定地点堆放，做到“先挡后弃”，弃 碴场底部和弃堆顶面设排水系统，在工程完工后做好绿化和复耕。9.5 选择节能型机械设备，严 禁国家淘
16、汰、落后的 产品进场 。10效益分析10.1 经济效益10.1.1 工效分析（见表 10.1.1）表 10.1.1 小导洞非爆开挖循 环时间表项 目 时间（小时） 备注搭设简易台架 2 做为小导洞非爆开挖的前期准备，可在支护时进行小导洞非爆开挖 4*3=12 超前导坑非爆开挖，4h/循环，3 个循环完成 1.5 米进尺小导洞临时支护 1 临时锚喷，找顶处理危石小导洞出碴 1 可与扩挖层出碴同时进行总计 16按照每 16 小时进尺 1.5m 计算，考虑施工干扰等因素影响平均每天进尺 1.5m，月度进尺为45m。10.1.2 在埋深较浅、下穿密集民房地段采用本工法所修建隧道工程造价 为 7.03 万元/ 延米，同条件下采用全非爆破法施工的隧道工程造价为 9.73 万元/ 延米， 较全非爆破开挖法可节约工程投资2.7 万元/延米。有较好的经济效益。10.
