隧道超前导洞水磨钻非爆施工工法

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.刖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+395〜DK182+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.施工工艺流程及操作要点施工工艺流程及操作要点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施工工艺流程及操作要点5.1施工工艺流程（见图5.1）确妃米爆为「挖断向图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。

水磨钻孔位劈裂临空孔孔位4004152■4■水磨钻孔位劈裂临空孔孔位4004152■4■说明：1、2沿开挖线边缘用水磨钻钻孔取芯，孔深50cm左右;段劈裂开挖。中间用液压劈裂机，逐层逐、中间用液压劈裂机，逐层逐图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。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。调节滑链取芯点支撑架开挖轮廓线竖杆滑轮简易脚手架横杆图5.2.5-1超前导坑水磨钻取芯作业示意图水磨钻钻头水磨钻电机水磨钻行走杆水磨钻进水孔水磨钻支撑杆水磨钻旋转轴图5.2.5-2超前导坑水采用以相割2cm（见图采用以相割2cm（见图2〜3台钻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5.2.5-3），每循环取芯孔数在65〜70个。根据取芯钻筒长度每次钻取深度50cm左右机，每台钻机需3〜4人操作。取芯时一个孔钻进时间约为5〜10分钟。超挖轮廓线图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，相邻孔间距40cm，孔径4.2cm，钻孔数42〜45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 2〜4m，满足4〜8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X人数备注1开挖搭设简易台架、钻孔2x122装运装碴2x1挖机司机出碴运输2x1出碴车司机3测量开挖轮廓线放样2x24管理及后勤保障3合计35.材料与设备6.1材料本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-2812全断面开挖配制2混凝土喷射机YYTE-773全断面开挖配制3装载机ZL50C2全断面开挖配制4水磨钻（取芯机）LM1504备用一台5劈裂机1工程自卸车15t全断面开挖配制电动空压机4L-20全断面开挖配制挖掘机PC200开挖台架自制10钢筋加工设备开挖支护使用工程自卸车15t全断面开挖配制电动空压机4L-20全断面开挖配制挖掘机PC200开挖台架自制10钢筋加工设备开挖支护使用.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。开挖服务业面小，开挖时采用挖机先将掌子面的危石清.安全措施开挖服务业面小，开挖时采用挖机先将掌子面的危石清8.1本工法一是综合开挖的一部分，除，在再进行简易台架搭设，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程度，并及时反馈信息，以便及时调整爆破参数指导施工。.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，严禁国家淘汰、落后的产品进场。.效益分析10.1经济效益10.1.1工效分析（见表10.1.1）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。10.2社会、技术、环境等效益在隧道下穿密集民房段开挖施工中，由于本工法的成功开发应用，既节约了施工成本，保证了地面交通畅通无阻，对地表建筑无影响，施工中未发生一起安全、质量事故。工程的顺利建成，提升了渝利铁路建设的整体水平，丰富了减震爆破技术，为今后类似条件下隧道下穿建筑物的设计和施工提供可靠的决策依据，体现了良好的社会、技术及环境效益。11.工程实例11.1渝利铁路长洪岭隧道下穿江池镇段11.1.1工程概况长洪岭隧道为渝利铁路第二长隧，全长13294m，隧道开挖断面宽约13.5m，高约11.5m。其中，DK183+050〜DK183+350段下穿江池镇，区间地表建筑物密集，多为民用砖砌房屋，抗振性能差，此段隧道最小埋深仅为22m，为铁道部指定的高风险施工地段，爆破震动要求更为严格，经专家鉴定安全震速为1.5cm/s，确保地面建筑的安全，控制爆破震动强度是重点，施工技术难度大。长洪岭隧道下穿江池镇段房屋及振速要求分布见图11.1.1图。□□建K册汛降想点4Wri-□□建K册汛降想点4Wri-A图例Wk口窿裁劫昴点A娥表瓦降剥点4蚌*t七点3K图11.1.1长洪岭隧道下穿江池镇段房屋及振速要求分布图11.1.2应用情况为了确保地面建筑物和地中构筑物的安全，中铁隧道集团一处有限公司结合科研项目的实施开展减震爆破技术攻关。于2009年8月9日开始，首先采用下导坑先行、扩挖层、光爆层间隔一定距离跟进的分部开挖方法，地表振速为2.16cm/s，地表振速大于专家鉴定振速，后改用小导坑非爆开挖，扩挖层、光爆层间隔一定距离跟进的分部开挖方法，地表无明显震动，地表振速为1