地鐵車站礦山法施工的安全性與效率研究

謝銀虎

（北京鐵研建設監理有限責任公司，北京 102600）

1 引言

隨著我國城市化的迅速發展，地鐵交通系統的建設變得日益重要。在地鐵車站建設中，礦山法施工作為廣泛應用的工程方法，以其在地下空間開發中的靈活性和高效性而備受青睞。然而，這種施工方式在提高效率的同時，也面臨著日益復雜的地質條件和安全性挑戰。因此，深入研究礦山法施工的安全性與效率問題，對推動城市地鐵交通系統的快速、持續發展至關重要。

2 礦山法施工技術概述

2.1 礦山法施工地層特點

礦山法施工適用于隧道埋深較深、地質情況較好及地下水含量小或地下水位較低的地段，主要優勢是對地層變化有高度的適應性、技術成熟、工法簡單，且施工對周邊環境、地下管線和交通的影響較小。然而，面對隧道圍巖松散、地下水含量大或地下水位較高等不利條件時，需要采取降水、注漿加固等輔助施工措施，以保證施工安全進行。值得注意的是，礦山法施工產生的地表沉降量較大，工期較長，對施工安全性和投資可控性提出較高要求。雖然礦山法施工技術在適宜條件下表現出色，但在復雜地質條件下需要綜合考慮各種因素，以確保施工高效、安全和可控。

2.2 施工技術及設備應用

礦山法施工技術有多種方法，按襯砌施工順序可劃分為先拱后墻法和先墻后拱法兩大類。先拱后墻法，亦稱支承頂拱法，被廣泛應用于松軟巖層或大跨度洞室中，即先開挖拱部斷面并砌筑頂拱，再開挖下部斷面和砌筑邊墻，以確保施工安全。先墻后拱法包括漏斗棚架法、臺階法、全斷面法和上下導坑先墻后拱法等。漏斗棚架法適用于堅硬穩定的巖層，即先開挖下導坑，再由下向上進行反臺階式擴大開挖，最后修筑襯砌。臺階法分為正臺階法和反臺階法，根據巖層穩定性進行選擇。其中，正臺階法是將坑道斷面分層開挖，而反臺階法則由下向上擴大開挖。全斷面法適用于中小型斷面隧道，在一次性挖出整個斷面的同時進行全面施工，可采用大型機械進行機械化施工。上下導坑先墻后拱法，也稱為全斷面分部開挖法，即先分部挖出全斷面，再按先墻后拱的順序修筑襯砌，以提高襯砌質量。礦山法施工涉及噴漿臺車、混凝土臺車、高空作業車、炸藥臺車、撬毛臺車和鑿巖臺車等多種設備，以保證施工過程的高效性、安全性和質量可控性。

2.3 礦山法施工流程

礦山法施工是一種借鑒礦山開采方法的隧道、地下工程施工方式，主要采用鉆眼爆破方法進行斷面開挖，同時修筑隧道襯砌。整個施工流程嚴謹有序，以保證施工高效、安全和質量可控，如圖1 所示。施工開始時，分步開挖整個斷面，先開挖導坑，再由導坑向斷面設計輪廓進行擴大開挖，這一開挖操作，需根據地層的穩定性和特點，靈活選擇挖掘機具，可采用簡便挖掘機具，尤其是在地層較為松軟時，以保證施工的高效性。整個施工流程，要求施工人員根據地質條件、隧道斷面尺寸及支護類型，靈活調整分部開挖的大小和數量。對于堅實、整體的巖層，可考慮一次性開挖全斷面。而遇到松軟、破碎地層時，分步開挖成為必要的選擇，施工人員需要根據實際情況調整開挖順序，以保證施工的安全性和質量可控性。

圖1 礦山法施工流程

3 安全性技術保障

3.1 地下空間探測與監測技術

礦山法施工中，地下空間探測與監測技術扮演著關鍵角色，可以保證施工過程的安全性。地下空間探測需使用先進的地質勘探儀器和傳感器，通過精確測量地下巖層結構、地質構造和地下水位等，全面了解地下環境。同時，通過監測技術實時、動態地追蹤隧道工程變化，及時提供反饋和預警，以幫助施工人員有效應對潛在的安全風險。先進的地下探測技術包括地質雷達、電磁波傳感器和三維地震勘探等，能夠非侵入性地獲取地層結構信息，幫助工程團隊更好地理解地質條件。同時，實時監測系統，結合激光測距、變形監測儀等設備，精準記錄地下空間變化，包括位移、變形、地質應力等，以便施工團隊及時發現潛在問題，并采取相應措施。

3.2 緊急救援與逃生系統

礦山法施工中，緊急救援與逃生系統是關鍵的安全技術保障，旨在有效應對可能發生的緊急情況，保障工作人員的生命安全。該系統整合了先進的技術手段，包括智能化監測、通信系統和緊急逃生通道等。其中，智能化監測是緊急救援的基礎，可通過布設在工地各處的傳感器，實時監測空氣質量、溫度、火源等參數，及時感知潛在風險。在發生緊急情況時，智能監測系統能夠自動觸發警報，向相關人員發送緊急通知，提高救援的響應速度。緊急逃生通道是保障工作人員安全撤離的重要組成部分。因此，應在施工現場合理設置緊急逃生通道，并配備自動導引系統，以確保緊急情況下工作人員能夠迅速、有序地撤離危險區域。設計逃生通道時，應合理設置地下結構、通風設備和安全出口，以提供可靠的逃生通道。緊急救援與逃生系統在礦山法施工中發揮著至關重要的作用，可為工程安全提供全面保障，確保緊急情況下每位工作人員都能夠及時、安全地撤離。

4 提高施工效率

4.1 自動化與智能化設備應用

4.1.1 提高機械化程度

提高施工效率的關鍵是通過提高機械化程度來實現更高效的礦山法施工。提高機械化程度即使用先進的工程機械設備，以減少人力投入，提高作業效率，并保證施工質量。隨著技術的發展，工程機械化程度不斷提高。具體而言，采用了更先進、智能的挖掘機、裝載機等設備，通過自動化控制系統智能監控和調整工作狀態，不僅能夠提高開挖效率，還能有效降低操作人員的勞動強度，保證施工高效、安全進行。在提高機械化程度的同時，還應注重設備的適應性和靈活性。例如，具備多功能、多用途的機械設備，能夠適應不同地質條件和隧道斷面尺寸要求，提高設備的通用性，降低施工過程中換工作面和更換設備的頻率。

4.1.2 在設備操作中應用先進的控制技術

提高施工效率的關鍵在于在設備操作中巧妙應用先進的控制技術。通過引入先進的控制技術，可實現礦山法施工機械設備智能化、自動化操作，從而提高作業精度和效率。在設備操作中，先進的控制技術包括智能化的自動導航系統，即利用全球定位系統（GPS）和慣性導航系統（INS），實現自主定位和導航，確保在地下復雜環境中的準確定位，提高設備的自動駕駛能力，減輕操作人員負擔；還包括遠程遙控和自動化調度系統。通過遠程遙控，操作人員可以在安全的地方遠程操控設備，降低作業風險。自動化調度系統能夠優化設備的工作路徑，實現多機協同作業，提高整體施工效率。

4.2 施工管理與優化

4.2.1 制定科學的施工計劃

施工管理與優化的核心在于制定科學合理的施工計劃，以保證高效、有序地推進礦山法施工過程。科學的施工計劃應考慮到多個關鍵因素，以達到最佳的施工效果。首先，需要綜合考慮地質條件、隧道斷面尺寸、設備性能等因素。通過詳細的地質勘測和數據分析，科學評估施工環境，確定合理的開挖順序和方式，以應對不同地質條件下的挑戰。在考慮隧道斷面尺寸時，需要根據具體工程要求和設備性能，設置合理的開挖參數，以保證施工的精準性和高效性。其次，科學的施工計劃應包括合理的工期安排和進度控制。合理劃分整個施工周期，明確每個階段的工作重點和目標，保證施工的連貫性和高效性。同時，建立有效的進度監控系統，實時追蹤施工進度，及時發現并解決可能存在的問題，確保整個施工過程按計劃推進。最后，在制定施工計劃時，需要充分考慮人力資源的合理配置。科學的施工計劃，應根據不同工序特點和工作強度，合理安排施工人員的工作時間和休息周期，以在保證工作效率的同時，提高工作人員的工作舒適度和安全性。

4.2.2 提高物流與材料管理效率

在礦山法施工中，提高物流與材料管理效率是施工管理與優化的關鍵。有效的物流與材料管理能夠保證施工過程中材料供應、運輸和使用的高效性和流暢性。首先，采用先進的物流管理系統，通過物聯網技術實時監測和控制施工現場。利用傳感器、RFID 等技術，實時獲取和傳輸材料庫存、運輸車輛位置、設備狀態等信息，使管理人員迅速作出決策，優化物流路徑，提高運輸效率。其次，采用智能化的材料管理系統，實現施工材料的全生命周期追蹤。通過條碼、二維碼等標識技術，對每個材料進行唯一標識，實現材料的實時管理和追溯。這樣不僅有助于減少物料損耗，還能提高材料的利用率，降低施工成本。最后，優化運輸路徑和方式是提高物流效率的重要手段。采用智能調度系統，根據施工進度和物料需求，優化運輸計劃，以確保及時供應材料。同時，引入先進的運輸工具和裝卸設備，提高裝卸速度，減少物料運輸和搬運過程中的停滯時間。

5 案例分析與實證研究

5.1 礦山法施工過程

在某地鐵車站礦山法施工過程中，施工團隊先進行了詳盡的地質勘測和分析，全面評估了地層的穩定性和特點；根據地質條件的不同，采用了靈活的分部開挖策略，優先開挖導坑，再由導坑向斷面設計輪廓進行擴大開挖。為保證施工的高效性，施工團隊特別在地層較為松軟的區域采用了簡便的挖掘機具，靈活調整設備，以適應復雜的地質環境。在分部開挖的過程中，施工團隊注重應用地下空間探測與監測技術。采用先進的地下勘測設備，實時監測地層變化，以精準應對施工過程中的地質環境。此外，建設緊急救援與逃生系統，為施工人員提供安全的工作環境。在施工效率方面，引入了自動化與智能化設備，特別是在提高機械化程度方面取得了顯著進展。在設備操作中應用先進的控制技術，提高了施工精度和速度。在施工管理與優化方面，科學制定施工計劃，確保整個工程按計劃有序推進，提高了物流與材料管理效率。

5.2 經驗總結

通過深入研究地鐵車站的礦山法施工過程，得出了一系列寶貴的經驗。首先，成功的關鍵在于充分了解地質條件，根據不同地層特點，采用差異化的施工方案，靈活應對松軟、破碎地層。其次，精準應用地下空間探測與監測技術，通過實時監測地層變化，提高施工的安全性和穩定性。再次，在技術創新方面，應用自動化與智能化設備是關鍵之一，特別是在設備操作中應用先進的控制技術，不僅提高了施工效率，還保證了操作高精度，為工程的成功實施奠定了基礎。最后，在施工管理與優化方面，科學制定施工計劃，加強物流、材料管理，對整個工程的順利推進起到了積極作用。

6 結語

綜上所述，應用地下空間探測與監測技術，以及建設緊急救援與逃生系統，為施工提供了堅實的安全保障。應用自動化與智能化設備，尤其是在設備操作中巧妙運用先進的控制技術，顯著提高了施工效率與精度。同時，通過科學的施工計劃和物流、材料管理的升級，進一步保證了工程高效推進。