水工隧洞下穿高層建筑非爆破開挖施工技術

楊攀

中鐵十七局集團第六工程有限公司 福建 福州 350014

引言

伴隨著我國經濟發展以及城鎮化水平提高，土地資源稀缺的問題日益突出，對工程建設造成周邊環境影響程度越加關注，長距離引調水工程更多的采用輸水隧洞這種型式，而輸水隧洞穿越復雜環境區（不良地質﹑小凈距﹑既有建筑物等）施工安全風險及隱患相對突出，施工控制標準更高，工藝更嚴格，施工技術難度更大，是隧洞施工的重點﹑難點。因此如何更好地把握工程施工對周邊環境的影響，提出合理可靠的施工方法，采取更加安全可靠﹑經濟適用的開挖施工工藝和技術措施，做好施工期安全監測，指導現場施工﹑預報險情，排除安全隱患，如何更加有效地采取措施，避免對既有建筑造成損害產生不利影響等方面顯得尤為重要。

1 工程概述

閩江竹岐～金水湖隧洞在閩侯縣竹岐鄉金水湖附近與富力地產（已封頂），國道G316公路發生交叉，富力地產Y6號樓與引水洞在（樁號ZJ1+120.102～ZJ1+364.385）處發生交叉，國道G316公路與引水隧洞在（樁號ZJ1+364.385～ZJ1+426)處發生交叉，交叉影響段引水隧洞保護范圍起點位于富力地產紅線范圍30m處（樁號ZJ1+090），隧洞出口位于金水湖畔（樁號ZJ1+426），交叉影響段引水隧洞總長336m，交叉影響核心段為：ZJ1+301.4～ZJ1+370.4。兩條線路交叉角度為正交，富力地產Y6號樓與引水隧洞覆蓋層厚度為39m，國道G316中線與引水隧洞頂點覆蓋層厚度為17m。

本工程段隧洞埋深多在17～65m處，出口段埋深17-25m，開挖圍巖主要為Ⅳ～Ⅴ級圍巖，結構呈巨塊狀整體結構。輸水隧洞沿線分布的地層巖性主要是流紋質晶屑凝灰熔巖等，巖石致密堅硬，屬工程堅硬巖類，對成洞和隧洞圍巖穩定有利。為減少爆破震動影響，避免對既有建筑造成損害，危及既有建筑安全及國道G316的正常通行，故閩江竹岐～金水湖隧洞主洞樁號（ZJ1+301.4～ZJ1+370.4)段隧洞開挖采取非爆破開挖施工工法，經多個方案的經濟技術論證比選，本工程非爆破開挖施工工法采用“液壓分裂機+破碎錘”的施工工藝。

2 工藝原理

破碎錘是通過外力沖擊作用來破碎物體結構。但通常被破碎的混凝土與巖石等抗壓強度很高，而抗拉強度卻低于其抗壓強度的10%。當遇到莫氏5°以上堅石時，破碎錘的拆除效率隨著巖石硬度的增加而直線下降，當遇到莫氏7°以上的巖石時，破碎錘幾乎無法開展拆除作業。液壓分裂機采用與破碎錘相反的作業原理，利用巖石的抗壓強度高﹑抗拉強度低的特性，將物體內部結構破壞并達到使巖石分裂的效果，其功率只有4kW，單機分裂力卻可達400-700t，一機可帶多槍[1]。分裂時間僅5～20s﹑數秒鐘就可完成分裂過程，拆除效率隨著巖石硬度的增加而直線提高。因此在5°以上的巖石上，采用破碎錘和液壓分裂機聯合作業能提升巖石破碎開挖效率的5倍，先利用液壓分裂機所產生的分裂力迫使巖石產生裂縫，然后再用破碎錘進行破碎﹑修整處理，該設備結構簡單﹑操作方便，有效提高了施工效率及降低施工成本。液壓分裂機工作順序如下圖所示。

圖1 液壓分裂機工作順序圖

3 “液壓分裂機+破碎錘”工藝流程

3.1 準備工作

根據施工作業內容﹑工程量大小﹑施工進度﹑工程質量及施工安全要求，并且綜合考慮能夠充分發揮機械效率，降低施工成本的原則，由此來確定現場液壓分裂機及破碎錘數量和型號。本工程隧洞開挖洞徑為5.5m，斷面采用平底圓形，底寬4.0m，斷面面積為25.25m2，考慮作業面的大小，液壓分裂機選用國產手持式（1臺4kW電動泵站，配置4把450型分裂槍），出于機械的旋轉半徑﹑破碎效率以及方便維修綜合考慮，破碎錘采用135 挖機改裝而成（破碎錘選用60型）。

3.2 布孔設計

布孔設計是液壓分裂過程的重要設計參數，包括孔徑﹑孔深以及布孔間距等的確定，布孔形式的好壞將直接影響到液壓分裂的效果以及施工效率，在制定時應當根據現場的巖質特性﹑劈裂機型號和施工環境等來綜合考慮[2]。孔徑和孔深主要取決于液壓分裂機分裂槍的規格，本工程采用450型分裂槍，其鉆孔直徑為50mm，楔片長度450mm，孔深最淺50cm，能深不能淺，孔底應盡量落在同一平面上；布孔間距的確定是制定布孔設計參數時應當著重考慮的環節，當間距布置過大，可能達不到預期的分裂效果，導致需要進行再次分裂，另外因在施工過程中鉆孔需要花費大量的時間，間距布置過小會影響施工進度，因此布孔間距需根據巖石的堅硬程度﹑節理發育程度和試驗段施工進行確定，并在具體施工過程中不斷調整優化布孔間距，一般間距控制在50cm左右為宜，盡量互相平行，間距一致，均勻地分布在斷面上。為保證分裂效果和施工進度，隧洞開挖采用上下臺階法開挖以增加施工時的臨空面，上臺階鉆孔沿掌子面斜向下打孔，下臺階鉆孔沿臺階面垂直豎向打設鉆孔。

3.3 鉆孔

由熟練的技工嚴格按照布孔設計圖進行鉆孔作業，采用手風鉆在巖層垂直于臨空面處打設孔眼，為滿足作業人員操作需要，上臺階作業面需搭設簡易作業支架，用于鉆孔和巖石分裂的臺架，簡易臺架搭設應牢固可靠，強度和穩定性滿足要求，盡量減少作業時的晃動，以保證施工安全和鉆孔精度[3]。鉆孔采用Φ48以上的鉆頭，保證直徑不小于50mm，孔深50～60cm，孔底落在同一平面上。

3.4 分裂

在孔眼施工完成后，并做好開機前準備工作，將液壓分裂槍插入具有臨空面的孔眼中，啟動液壓泵站，油壓達到60Mpa，分裂機開始分裂巖石，巖石產生裂縫后從巖石中拔出分裂槍進行下一次作業。分裂過程中，可幾臺分裂槍同時作業，分裂開挖采用上下臺階的開挖方式，先分裂上臺階巖石，再逐層分裂下臺階巖石。

3.5 破碎

采用液壓分裂機將巖石結構破壞產生裂縫后，采用破碎錘沖擊，迅速將巖體破碎，以加快施工效率。在下一循環上臺階開挖鉆孔前，選擇在巖體裂隙或薄弱位置先利用破碎錘進行沖擊破碎，為上臺階巖石分裂作業增加臨空面。

4 監控量測

監控量測是隧洞穿越地產過程中需要重點觀察的項目，因本隧洞線路下穿富力地產，過程中易對地表結構物造成震動或者下沉，故施工過程中必須密切關注洞內外情況﹑拱頂下沉﹑周邊收斂等相關情況。結合本隧洞具體條件，確定開展監控量測的必測項目有：洞內外觀察﹑拱頂下沉﹑凈空收斂﹑地表沉降。

4.1 地表測點（線）布置，如圖所示

圖2 地表測點（線）布置示意圖

4.2 地表沉降監測成果

截至2022年7月6日，富力地產地表下沉的累計值見表1。

表1 進水口地表沉降監測成果匯總表

4.3 隧洞拱頂下沉及周邊收斂監測成果

截至2022年7月6日，隧洞拱頂下沉及周邊收斂監測累計值見表2。sss

表2 隧洞拱頂下沉及周邊收斂監測成果匯總表

從富力地產地表沉降監測數據來看，沉降較為穩定；從隧洞拱頂下沉及水平收斂監測數據來看，變化速率較小，處于緩慢變形狀態，較為穩定；通過洞內外觀察發現，穿越地產過程中隧洞內外未見明顯異常。

5 效果

采用該施工方法完成1個開挖循環（開挖步距0.5m，約13m3）從鉆孔到開挖完成約需10～12h。該施工方法經濟﹑實用，安全可靠，振動小，對地表高層建筑無影響，避免了附近居民由于隧洞開挖爆破震動影響房子的安全為由而進行阻工及索賠，具備較好的社會經濟效益，取得了良好的效果，大大加快了施工進度。

6 結束語

通過本工程實踐對隧洞非爆破開挖施工方法總結分析，針對本工程洞徑較小﹑工程量少﹑工程地質條件較好的特點，在滿足工程進度和安全質量的前提下，應盡量選擇施工工藝簡單﹑設備少的施工方法，采用破碎錘和液壓分裂機聯合作業的非爆破開挖方法具有無振動﹑無沖擊﹑粉塵濃度低，作業效率高﹑綜合成本低﹑施工安全，易操作，靈活性高等優點[4]，降低工人的勞動強度，縮短了工期，節省了投資，為項目的完成做出了巨大的貢獻，同時也為今后類似工程提供了寶貴的經驗，很有借鑒意義。