邻近高铁站深基坑石方开挖技术研究与应用

摘要：以京沪高铁泰安站出站口和西外环路综合改造工程为实例，在邻近高铁站进行深基坑开挖，基坑最大深度为16m，地质为Ⅵ级坚石且岩体完整，重点研究在不影响既有结构安全的前提下，采用钻孔切割+液态二氧化碳致裂岩石施工技术完成基坑的开挖施工，总结相关经验，对类似深基坑施工提供较好的借鉴作用。

关键词：铁站；深基坑；钻孔切割；液态二氧化碳；致裂岩石

近年来，我国建筑行业得到了快速的发展，地下空间不断被建设利用，深基坑施工过程中的安全风险和技术保障问题日渐受到关注。与此同时，基坑工程项目周边的环境越来越复杂，尤其是越来越多的基坑项目与既有结构的距离越来越近，甚至出现邻近高铁站的情况，如果深基坑施工开挖方法不正确将直接危及既有铁路的安全运营。

对于岩石地质的基坑开挖一般采用爆破工艺居多，而针对本工程，基坑距离高铁泰安站过近，人流量大，按照安全和环保要求不得实施爆破作业。本文通过采用钻孔切割+液态二氧化碳致裂岩石施工技术进行开挖并取得了较好的效果。

一、工程概况

京沪高铁泰安站出站口和西外环路综合改造工程位于泰安市岱岳区，新建西外环路基坑西侧边坡距泰安站站房基础9m，东侧边坡距离既有西外环路桥梁基础为2.5m。新框架桥结构形式为2-13m钢筋混凝土连体框架，全长401.14m，基坑开挖深度10m-16m。框架桥两端为U型框架结构形式，全长278.4m，基坑开挖深度3m-10m。

二、施工难点

（一）传统式液压破碎锤方案不可用

基坑两米以下地质为Ⅵ级坚石，岩体完整，节理不发育，岩石强度高，经现场取样试验，岩石最大强度达到102Mpa；基坑石方开挖量大，施工尽量缩短基坑裸露时间，确保基坑安全。采用传统液压锤岩石破碎效率差、成本高、持续时间长，不可用。

（二）禁止实施爆破作业

施工期间基坑边坡外侧进站、出站道路正常通行，人流量大，作业空间有限；由于临近正在运营的泰安高铁站，根据《铁路运输安全保护条例》规定：第十八条 在铁路线路两侧路堤坡脚、路堑坡顶、铁路桥梁外侧起各1000米范围内，禁止从事爆破作业。

三、技术方案的研究和比选

为解决石方开挖困难，在保证高铁站房、旅客安全以及环保要求的前提下，先后提出三个方案进行可行性分析：

（一）劈裂机劈裂岩石

采用潜孔钻进行钻孔，然后采用液压劈裂机进行劈裂，再采用破碎锤进行岩石破碎。此方案需要逐孔劈裂，一次劈裂深度只有80cm，进度缓慢，无法保证工期要求。

（二）膨胀剂静态爆破岩石

在岩体上钻孔，将膨胀剂按配比配好后灌入孔内，依靠其膨胀力使岩石产生裂隙或裂缝，从而达到破碎的目的，无震动、飞石、噪音和污染。但其膨胀周期长，且膨胀压力在30～50Mpa范围，对于高强度岩石和强度不均匀处效果差。

（三）钻孔切割+液态二氧化碳致裂岩石

采用潜孔钻机顺桥向开挖边界进行钻孔切割岩石并做好临空面，合理布置致裂孔，采用自动充装机将液态二氧化碳装入致裂管内；高能脉冲起爆器激活致裂管里面的活化器，使液态二氧化碳在快速加热的条件下，体积急速膨胀，产生强大的冲击力（200-400Mpa），冲破致裂管，達到破岩效果，最后再采用破碎锤进行破碎。液态二氧化碳致裂岩石震动小，震动力向临空面侧释放，保证了既有建筑物的安全。

四、技术方案的选定

经方案比选，确定钻孔切割+液态二氧化碳致裂岩石施工技术为最终方案。其优势如下：

（一）安全和环保

1.钻孔切割在基坑轮廓线上将需破碎岩石与外侧岩石隔断，到达预裂爆破效果，防止二氧化碳致裂时挤压岩石，影响站房及既有桥台基础稳定。

2.二氧化碳化学、物理特性优越，其化学架稳定，可视为惰性气体，临界温度高，容易液化，并且不能燃烧；液态二氧化碳致裂岩石产生的振动破坏力很小，爆速大大低于炸药雷管爆破，冲击力一般200-400Mpa，远远低于炸药爆破的1000-5000Mpa。

3.二氧化碳不像炸药爆炸产生大量一氧化碳等有毒有害的气体以及大量粉尘；致裂的噪音很小，震动很小，基本没有噪音污染。

（二）进度和成本

采用液态二氧化碳致裂岩石技术，将整体大块岩石产生裂缝，再采用破碎锤进行破碎，加快施工进度；二氧化碳采用的是化工厂、电厂的废气，是废气的再利用，不用再消耗能源去生，节约了成本。

五、钻孔切割+液态二氧化碳致裂岩石方案实施

（一）钻孔切割和制造临空面

因基坑两侧距离既有建筑物较近，为避免二氧化碳致裂时扰动既有基础地基，采用潜孔钻机顺桥向开挖边界进行钻孔切割岩石层，钻孔直径为10cm，间距为20cm，随每层致裂深度逐层向下切割。根据现场施工情况，布置好岩石致裂范围，采用破碎锤提前做好致裂临空面，临空面采用破碎锤直接破碎，提高二氧化碳致裂岩石效果。

（二）液态二氧化碳致裂岩石

1.致裂孔准备

（1）选用420型潜孔钻机钻孔，梅花形布置，孔与孔间隔2m，孔深4m，直径110mm。钻机作业前，在钻机上安装钻机除尘器，避免大量扬尘。

（2）致裂孔成型后，要对致裂孔进行检查，一是检查孔内杂质是否清理干净，二是检查致裂孔是否符合致裂参数设计要求的深度、孔距、排距等。

2.致裂管的准备

（1）致裂管采用铁管加工而成，经试验段效果获取参数后，确定使用长1.2m，外径108mm的致裂管，充装液态二氧化碳后质量约为17.5Kg。将活化器放置在致裂管内，装上密封垫，连接导线。测量电阻，电阻在1-2欧姆为正常。

（2）采用充装机自动充装二氧化碳，当输送重量达到数值时，通过传感器传送信号至驱动气源电磁阀，气源关闭。机器停止后，关闭进口球阀，再打开出口球阀将多余气体放出。

（3）用万用表测量两端的电阻，电阻应该在4欧姆左右，电阻太大和电阻为0都不合格。

（4）把连接好的致裂管放到致裂孔里面，回填30cm厚碎石硝，人工捣鼓密实，上部采用水泥、膨胀剂、速凝剂、细砂混合料进行填充，需凝固15分钟后方可致裂。若致裂孔中有水，需要在致裂前采用自吸泵将孔内水抽干，再放入致裂管进行封堵，并适当延长封堵材料凝固时间。

3.致裂实施

（1）利用导线将各致裂管线路串联连至高能脉冲起爆器。

（2）高能脉冲起爆器使用晶体变换器，将6V支流电升压，再经高反压二极管整流后，电流上升时间快，提供强大的瞬时电流，引爆电压为1800V。

（3）在致裂孔上面使用炮被进行覆盖，致裂作业前通知现场人员撤离致裂区域后（30m外）方可进行致裂岩石作业。

（三）效果确认

岩石致裂完毕后，由致裂人员确认致裂致裂管致裂情况，通过电阻测试法确认是否有未破裂储液管情况，如未致裂成功，重新连线起爆。

由致裂人员确认完毕后，通知现场负责人可进行下一步施工。采用破碎锤对致裂后岩石进行破碎，并装车外运。

综上所述，本项目研究采用的钻孔切割+液态二氧化碳致裂岩石施工技术，可将整体岩石进行致裂产生裂纹，提高破碎锤施工工效，解决了本工程地下岩石硬度大、整体性好、临近高铁站等存在的难题，在本项目中取得了良好的经济和社会效益，该施工技术具有可复制性和推广性，具有很好的推广应用前景，为以后在类似情况下规划建设提供了可靠的决策依据和技术指导。

参考文献

[1]袁芳，景晓春，刘兴华.岩石非爆破开挖施工方案的选择与实践[J].陕西水利，2014（5）

[2]张元海，整体基坑非爆破石方开挖关键技术[J].施工技术，2016（17）

[3]刘文郁，王滨.二氧化碳爆破深孔欲裂强化增透试验研究[J].煤炭技术，2016（3）

作者简介：李硕（1986年6月），男，汉族，山东济宁市金乡县人，工程师。

（作者单位：中铁十局集团第八工程有限公司）