廣州老城區動靜聯合開挖施工方法比選研究

譚小春, 楊 波

(中國中鐵股份有限公司， 廣東廣州 510308)

廣州市軌道交通11號線經由天河區、白云區、越秀區、荔灣區和海珠區。線路全長44.2km，全部采用地下敷設方式，全線共設32座車站。沿線臨近建筑密集且敏感。擬建線路穿行于主城區，沿線建(構)筑物眾多，環境復雜，且線路附近多處建筑距區間主體結構較近，施工風險大，安全防護要求高，特別是沿線工程穿繞廣州老城區均為城市交通主干道，交通十分繁忙，人流密度大，工程施工對道路的交通影響非常大，多數基坑屬于深基坑，開挖施工方法選擇難度大，本文以廣州地鐵11號線為背景，對廣州老城區地鐵開挖施工方法進行比選研究。

1 工程地質情況

(1)廣州市位于粵中拗陷(三級單元)中部，廣從、瘦狗嶺、廣三斷裂是本區構造的基本骨架，主要以廣從斷裂和瘦狗嶺斷裂為界線分成四個構造區：增城凸起、廣花凹陷、東莞盆地、三水斷陷盆地。

① 線路穿越的斷裂根據區域地質資料，線路下穿斷裂有：廣三斷裂、海珠斷裂、清泉街斷裂、三元里溫泉斷裂、廣從斷裂、麓湖斷裂、瘦狗嶺斷裂、北亭斷裂、沙河斷裂。

② 線路經過的地質褶皺從區域地質資料來看，線路基本位于天河向斜范圍，部分地段穿過荔灣背斜、芳村向斜、大塘背斜。

(2)地層與巖性地表普遍覆蓋第四系(Q)，基巖由新至老主要是中生界白堊系(K)、侏羅系(J)、石炭系(C)、上元古界震旦系(Z)，有侵入巖分布。

地層由上至下依次為人工填土層(Q4ml)<1-1～2>、沖積-洪積砂層(Q3+4al+pl)<3-1～4>、沖積-洪積-坡積土層(Q3+4al+pl和Qdl)<4N-1～3、4-2A、4-2B、4-3>、殘積土層(Qel)<5N-1～2>、全風化巖層(E2by)<6>、中風化巖層(E2by)、微風化巖層(E2by)<9-1～3>等。

(3)沿線不良地質。全線穿越不良地質地帶主要有：斷裂帶、巖溶發育區、軟土、上軟下硬地層等。

① 全線經過九條斷裂帶，分別為：廣三斷裂、海珠斷裂、清泉街斷裂、三元里溫泉斷裂、廣從斷裂、麓湖斷裂、瘦狗嶺斷裂、北亭斷裂、沙河斷裂。斷層的存在不僅使其巖石破碎給工程帶來危害，而且地下水富集于斷層帶通道，給地鐵施工帶來不利。主要不良影響和危害有以下幾個方面；一是斷裂破壞了巖體的完整性，膠結不良的破碎帶自穩能力差，在工程施工產生臨空面時坍塌；二是因裂隙發育加劇了可溶巖的溶洞發育，給成樁成槽造成困難；三是因存在儲水空隙，在一定條件下形成導水通道和富水帶(段)，造成施工排水困難，而過度排水還導致周邊土體下沉，危及周邊建筑安全。

② 2座車站位于巖溶發育區：大金鐘站、廣園新村站；3個區間穿越灰巖及溶洞發育地段：田心村站～云臺花園站、大金鐘站～廣園新村站、廣園新村站～梓元崗站。巖溶地區的發育有溶洞、土洞、溶溝、溶槽及巖溶坍塌區等不良地質體；在巖溶地區進行基坑開挖、容易產生突、涌水的風險；巖溶地區所發育的溶、土洞在地下水及人類的工程活動作用下容易“活化”產生坍塌等地質災害。

③ 14座車站存在淤泥、砂層等軟土地層，8個區間存在有較厚的淤泥、砂層等軟土地層，最厚達15m，本項目周邊建筑物密集，交通十分繁忙。工程基坑周邊用地緊張，環境復雜，既有重要建(構)筑物又有淺基礎多層住宅。

④ 2個區間存在上軟下硬地層：沙河站～田心村站、如意坊站～石圍塘站。

2 控制開挖適宜條件分析

市政工程特別是在繁華老城區進行較大石方量的工程開挖施工，首先必須保障周圍環境安全，其次還須盡最大努力滿足施工工期的要求。

2.1 周圍環境

要保障周圍環境安全，則盡量采用機械破碎或靜態破碎法進行施工。本工程開挖方量大，巖體堅硬，大面積使用機械破碎顯然不符合工程經濟性、高效性要求。特別是基于地面復雜環境多個車站必須暗挖，其機械開挖作業時施工環境高度污染、通風極為困難，機械破碎開挖適用性非常差。

對于采用靜態破碎法，其無噪音、無振動的優點較為突出，得到較為廣泛的應用。但實踐已證明，靜態破碎技術受限條件眾多：

(1)水化反應受溫度的影響很大，在高溫40 ℃以上水化太快，很容易噴出。低溫下水化反應速度太慢，破碎效果受到了限制。

(2)靜態破碎的成本相對于傳統爆破要高很多。

(3)靜態破碎技術的膨脹壓力較小，主要用于脆性材料。

(4)每次破碎的規模較小，需存在良好的臨空面，且每次破碎的體寬及孔深都不能大于3m(即小于6排孔)，一次破碎量不會超過1 000m3，且每次作用時間長達8～12h，加上清渣、裝藥等一個循環需要24h以上。

(5) 破碎不易預測和控制，易產生噴孔事故及低溫“滯死”等問題。

(6) 對于車站暗挖，靜態破碎基本無法施工，不但效率極低，其施做安全也存在很多的問題。因此，在本工程中不適宜大面積使用靜態破碎，工期根本不可能保證，只適合在局部破碎或二次解大塊時采用。

2.2 工程工期

本工程需要開挖的石方量高達1.7×106m3，且多個車站需要暗挖的實際情況，要能保證工程工期，傳統最好的辦法就是采用爆破方法。

露天淺孔爆破即采用小型手持式風動鑿巖機進行鉆孔，孔深小于5m，實施低臺階爆破。對于本工程，采用露天淺孔爆破存在許多不利因素。首先，從飛石控制角度考慮，根據國家GB6722-2014《爆破安全規程》的規定，復雜地質條件下淺孔爆破飛石控制安全允許距離為300m，深孔爆破飛石安全允許距離為200m，說明淺孔爆破對飛石的控制要差于深孔爆破；采用小孔徑淺孔爆破，一次的爆破規模不能過大，總的爆破次數會增多，從管理角度看，發生飛石侵害的概率也有所增加；其次，根據研究知道，對于周邊的建筑頻繁爆破震動會使結構處于低強度工作狀態，結構不會發生倒塌破壞，但對耐久性不利；再次，采用小孔徑淺孔爆破，施工噪音、粉塵無法控制，所需施工設備及人員數量多，在狹小的空間作業會造成相關工序的干擾，且容易引發安全事故。綜上所述，采用露天淺孔爆破法顯然無法滿足本工程的安全、進度施工要求。另外，對于暗挖車站，爆破技術及安全控制也較為困難。

2.3 控制開挖施工總體方案

考慮施工安全及工期要求，結合前述分析并結合類似工程實例，綜合考慮項目的環境條件和目前現有的技術要求，認為單一的開挖方式不能滿足本工程相關要求，必須盡可能吸取傳統開挖方法的基礎上，選用當前最為先進和最前沿的新技術。

具體開挖施工方法：首先在建(構)筑物基坑四周開挖減振槽，減振槽寬度5～10m，緊靠減振槽及敏感點附近進行靜態爆破，對振動控制要求不是太高的采用謹慎控制預裂爆破，基坑中部采用謹慎控制爆破逐孔起爆的方式，爆破器材大部分采用能精確延時的電子雷管。在整個基坑開挖至距基坑底設計標高0.5m左右時，采用人工配合機械開挖，確保建筑物底部巖層的完整性；地鐵及環線風井處內支撐部分，采用人工開挖。其中，可以用新型的二氧化碳爆裂技術替代謹慎控制爆破。

3 動靜結合控制開挖方法比選分析

3.1 人工配合機械

在車站基坑明挖或暗挖時，距離需要保護的建(構)筑物小于10m,或有特別保護要求時，以及需要開挖至距基坑底設計標高0.5m左右范圍，采用人工配合機械開挖，確保建筑物底部巖層的完整性。地鐵及環線風井處內支撐部分，采用人工配合機械開挖如圖1所示。

圖1 人工配合機械開挖

3.2 靜態破碎

靜態破碎也稱“膨脹劑法”或“無聲爆破”，其實質是在巖體上鉆孔，在鉆孔中灌裝膨脹劑，依靠膨脹力使巖石產生裂隙或裂縫，從而達到破碎巖石的目的。這種方法的最大優點是不產生爆破聲響、爆破飛石、爆破粉塵、爆破震動以及爆破所產生的有毒、有害氣體，能確保周圍居民房屋和施工安全，故本項目設計采用靜態爆破法，它的缺點是投入的施工機械設備多，進度較為緩慢。

靜態爆破法主要在以下條件下采用：

(1)在非常臨近建(構)筑物或明確不允許和不適宜使用炸藥爆破和機械破碎施工的條件又必須破碎巖石石方區段。

(2)不允許和不適宜出現飛石的鐵路復線、高壓輸電線、通訊光纜旁施工、機關學校、公共場所及密集民宅旁的破碎施工。

(3)不允許和不適宜出現強烈震動的破碎施工，如建筑物保留拆除、邊坡險情處理、文物搶救保護工程、既有管線周圍的地下工程。

(4)不允許和不適宜出現巨大聲響和噪聲的破碎施工。

(5)城市建筑、大型設備混凝土基礎拆除，且須保留部分的巖石和混凝土完整性和結構強度要求不能受到任何損害的破碎拆除。

(6)車站暗挖區段。

(7)欠挖處理及開挖和支護要求同時進行的基坑邊坡處理工程。

3.3 謹慎控制爆破

在車站基坑明挖或暗挖時，距離需要保護的建(構)筑物大于50m或經過論證后的安全距離范圍以外。

(1)常規城市控制爆破。如果采用控制爆破，從基坑最中心開始，環境許可時可以采用常規城市控制爆破方法。

(2)電子數碼雷管精細控制爆破。如果環境較為復雜時，里層部位必須采用電子數碼雷管控制方法。

3.4 減振孔和減振槽

如果采取謹慎控制爆破后任然不能滿足安全要求，則在需要保護的建(構)筑物以及爆破工點之間施做減振孔和減振槽。

3.5 二氧化碳爆破技術

本方法完全可以替代傳統的控制爆破方法，且具有技術本身并非屬于爆破施工，不需公安部們審批，爆破振動遠遠小于傳統爆破。爆破施工前，由業主組織第三方對基坑周邊50m范圍內建(構)筑物進行安全評估，建立評估檔案。開挖過程中，由第三方對周邊重要建(構)筑物進行動態爆破振動監測，根據監測數據及時調整爆破參數。CO2爆破試驗見圖2。

4 結論

本文結合現場實際情況，通過查閱文獻、理論分析和現場試驗驗證的方法對廣州老城區地鐵11號線基坑開挖方法進行了對比分析，并確定了最終的開挖方法，車站開挖宜采取動靜結合的控制開挖技術方法。具體為靜態爆破、機械破碎與深淺孔謹慎控制爆破相結合的開挖方法，其中謹慎控制爆破輔以在不同區域采用預裂爆破、電子數碼雷管、減振孔、減振槽以及防護排架(吸音板)和炮被等減振措施。特別要提出的是，適當采用當前正在推廣的二氧化碳爆破技術，可以在很大程度上達到控制爆破的效果。

圖2 CO2爆破試驗

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