受限空間條件下的一種高效巖石靜態致裂開挖施工方法

馬海鵬，易建坤，史海兵，黃武斌，潘德軍

（1.湖南軍凱靜爆科技有限公司， 湖南 長沙 410008；2.湖南鐵軍工程建設有限公司， 湖南 長沙 410116；3.中國建筑股份有限公司長沙市軌道交通4號線一標工程指揮部， 湖南 長沙 410006）

膨脹劑靜態破碎巖石以垂直鉆孔、靜態破碎的施工方法最為多見。由于鉆孔密度大、原材料消耗量大、作業循環周期長、勞動環境惡劣，存在施工成本高，效率較低的缺陷。此缺陷會因施工作業空間變小而更為顯著。本公司結合長沙市軌道四號線一期工程湖南大學站附屬結構2號出入口基坑石方開挖項目，對提高城市復雜環境受限空間內的膨脹劑破碎開挖石方效率，降低施工成本進行了有益的工程實踐探索和施工工藝創新。

1 工程特點與難點

長沙市軌道交通4號線一期工程湖南大學站2號出入口位于岳麓山下湖南大學校區內，呈“L”型展布，如圖1所示。主體部分開挖寬度為9.95 m，長度約57 m，開挖深度約14 m。地勘資料顯示基坑主體部分巖石開挖深度6～8 m，總體石方開挖量約 4000方，以板狀中風化灰巖為主，天然抗壓強度最高達65.2 MPa，屬于較硬巖石。

（1）環境復雜，施工過程中的次生危害效應管控嚴格。2號出入口周邊為湖大站主體基坑、麓山南路校內干道和湖大體育場館、教學樓和宿舍樓等建（構）筑物，且出入口基坑上方第一道橫支撐上架設臨時改道的市政供水管道和各類配電線路，周邊施工環境異常復雜，施工安全、擾民問題突出。嚴禁采用炸藥爆破開挖、液態二氧化碳相變致裂開挖等會產生振動、飛石等次生危害的施工工藝。另外也需嚴格控制噪音和粉塵污染。

圖1 基坑口部支撐結構和巖石開挖前狀況

（2）施工區域空間受限，對施工工藝和施工設備選用產生了較大的制約。2號出入口基坑橫向寬度不大于10 m，主體部分縱向長度小于60 m，基坑縱向還需設置堆料區和轉運區，不具在縱向開設多個開挖作業面的條件，只能從基坑一端向下和向前開挖。另外基坑開挖巖面距第一道分布較密的混凝土梁橫支撐結構約4.5 m（如圖1所示），作業空間高度受限，無法采用大型設備對巖石直接進行機械破除或二次解小破除，這就對非炸藥巖石致裂破除工藝的致裂效果提出了更高要求。

（3）基坑開挖區域巖石強度、硬度較高，但作業空間狹窄，無法使用大型機械破除設備，臨空面開設困難，可開設臨空面數量有限，開挖效率受到較大制約，成本控制難。

2 施工方案選擇

綜合2號出入口基坑巖石開挖施工現場環境復雜、作業空間受限、基坑巖石強度高和無明顯地下滲水影響等實際情況，先后對如表1所示的4種施工方案分別進行了工程實踐，通過對比施工效率和成本，最終選擇手風鉆大角度傾斜造孔膨脹劑靜態破碎結合液壓破碎錘二次解小的施工方案。

3 手持式鑿巖機大角度傾斜鉆孔膨脹劑靜態破碎致裂施工

3.1 總體方案設計

在基坑主體部分靠南端設置堆料區和轉運區，從基坑北端采用大傾斜角度鉆孔的膨脹劑靜態破碎工藝向下薄層剝離開挖，向南逐步推進。待作業空間在縱向具備形成梯度作業面后，可上下分梯次同步向南開挖推進。施工初期在無任何臨空面條件下可直接在水平開挖巖面上采用大傾斜角進行鉆孔施工，后續隨著施工進度的推進，可利用液壓破碎錘創造小臺階高度的臨空面后再進行大傾斜角鉆孔或平行上表面鉆孔施工。為減小鉆孔施工過程中的粉塵危害，采用濕法鉆孔，成孔后利用風管吹干鉆孔后再灌膨脹劑進行靜態破碎。總體施工工藝如圖2所示。

表1 2號出入口基坑巖石開挖項目所試驗的4種施工方案

圖2 總體施工方案

3.2 膨脹劑選擇與配制

根據本項目巖石靜態破碎時施工地域季節為長沙地區寒冬時期，選用使用溫度在-5℃～10℃范圍內的冬季型快速高效膨脹劑。考慮本施工工藝為大傾斜角濕法鉆孔，同時也為了加快藥劑起效作用時間，以實現24 h內即可使巖石破碎的目的，水灰比設為0.22～0.28。

3.3 大角度傾斜鉆孔孔網參數設計

本膨脹劑靜態破碎施工采用大傾斜角濕法鉆孔施工，主要以開挖巖體水平表面作為臨空面進行靜態破碎致裂，布孔樣式主要以單排大角度傾斜布孔方式為主。采用氣腿式鑿巖機進行大傾斜角（相對于開挖巖層上表面）鉆孔作業，鉆孔孔徑取42 mm，即d=42 mm，孔間距a=340 mm。

（1）孔深h。本項目鉆孔采用2.5 m標準鉆桿，沿鉆孔方向成孔深度均取 2.5 m。局部根據作業空間條件，適當調小。

（2）鉆孔傾斜角α。在開挖巖體無任何垂直方向的臺階可供利用的情況下，鉆孔方向與開挖巖體表面夾角α（逆時針方向）為150°～165°。當有垂直方向臺階可供利用時，鉆孔傾斜角可進一步加大，在垂直臺階滿足可架設氣腿式鑿巖鉆機平行巖體上表面鉆孔的情況下，可以近似平行開挖巖體表面的方向進行鉆孔。α取值為160°～180°。

（3）初始最小抵抗線 W。此處的初始最小抵抗線是指在作業面有垂直方向臺階可利用的條件下，斜孔孔口距巖體上表面最短距離。為避免靠近鉆孔底部膨脹劑因距巖體上表面垂直距離過大而無法產生有效破碎作用，初始最小抵抗線w取值不宜超過400 mm。

（4）膨脹劑用量確定。本方案在上述孔網參數條件下，采用冬季型高效膨脹劑，按 0.22～0.28水灰比配制藥劑，每個斜孔藥劑均灌滿至孔口，合計膨脹劑用量為1.8～2.2 kg/m。

3.4 大角度傾斜鉆孔膨脹劑靜態破碎施工工藝

靜態破碎劑的施工按圖 3所示施工工藝流程進行。

相對于傳統的垂直鉆孔膨脹劑靜態破碎施工工藝而言，顯著的區別在于成孔過程為大傾斜角濕法鉆孔。本施工方案中采用YT-24型氣腿式鑿巖鉆機鉆鑿大斜角濕孔，主要鉆孔工藝要點如下：

圖3 施工工藝流程

（1）根據設計孔網參數和作業面實際情況標定單排孔位和鉆孔方向，確定鉆孔方向成孔深度。對于層狀板巖，盡量使鉆孔方向順著層理方向布設，可達到更好的破碎效果。

（2）在無任何垂直方向臺階面可利用情況下，為保證成孔方向一定的靜態破碎深度，斜孔布設角度不宜小于150°，并盡可能創造和利用垂直方向的小臺階面進行更大角度的傾斜孔布設和分層梯次鉆孔。

（3）按設計傾斜角度和鉆孔方向架設 YT-24型氣腿式鑿巖鉆機進行鉆孔。鉆孔初期，除鉆頭應準確對準標定孔位外，應盡可能保持鑿巖鉆機和釬桿穩定，避免鉆頭游走而使成孔方向產生偏差。

（4）鉆孔過程中始終通過釬桿和鉆頭中心孔向鑿巖面注水，以使產生的巖粉和水形成泥漿流出，徹底消除成孔過程中的粉塵危害。

（5）單排布孔一次性鉆鑿完畢后，再使用高壓風管逐一吹干每個鉆孔中的積水。應確保每個孔內積水全部吹出，避免殘留積水影響灌注的膨脹劑水灰比從而影響靜態破碎效果。

（6）單排布孔全部吹干后即可配漿灌注。灌注膨脹劑過程中可使用細桿伸入鉆孔內來回搗實，避免鉆孔內形成空氣夾層，影響藥劑靜態破碎效果。

3.5 施工效果分析與對比

長沙地鐵四號線一期工程湖大地鐵站2號出入口在冬季條件下采用大傾斜角濕法鉆孔膨脹劑靜態破碎結合液壓破碎錘二次分解的巖石開挖施工方案后，在36 h內可完成一個鉆孔、膨脹劑灌注、膨脹劑靜態破碎和液態破碎錘二次破碎在內的施工循環，即前30 h內完成膨脹劑靜態破碎作業，后6 h完成二次破除。實現了較短的作業循環周期內（36 h）膨脹劑靜態破碎效果與液壓破碎錘二次分解破除能力的較優匹配。基坑巖石開挖效率比表1中的方案1～方案3均顯著提高，開挖成本也低于方案 1～方案 3，且完全避免了粉塵污染。具體效果對比如表2所示:

從表2可知，采用氣腿式鑿巖機大斜角鉆孔膨脹劑施工工藝最大的優勢就在臨空面開設成本和日開挖效率上。無需開設臨空面極大節省了時間與金錢成本，也有利于鉆孔作業面的自由設置，提高了鉆孔設備和人員的利用率。而日開挖效率的顯著提高則主要取決于以開挖巖體上表面作為臨空面，采用非常規大傾斜角鉆孔的膨脹劑施工方式創新上。另外也由于采用大傾斜角鉆孔，單孔成孔深度較垂直鉆孔深度增大，提高了單孔膨脹劑有效破碎巖石方量，從而也進一步提高了有限布孔區域內的巖石破除方量。正是上述原因導致氣腿式鑿巖機大斜角鉆孔膨脹劑施工工藝相較于其它施工工藝，成本更低，效率更高。

表2 不同施工方案施工特點與效果對比

4 結 論

通過在長沙地鐵四號線一期工程湖大地鐵站二號出入口基坑巖石開挖項目中分別采用多種非炸藥巖石致裂開挖施工工藝進行施工后，實際施工效果對比表明在受限空間條件下中硬巖開挖施工中，采用氣腿式鑿巖機大斜角鉆孔膨脹劑施工工藝可實現施工設備、人員的優化匹配，較顯著提高巖石破除開挖效率，降低開挖成本，消除粉塵污染，對傳統的膨脹劑靜態破碎巖石施工模式是一種較好的創新，進一步拓展了膨脹劑靜態破碎施工技術的應用領域。