水工隧洞下穿高层建筑非爆破开挖施工技术

杨攀

中铁十七局集团第六工程有限公司 福建 福州 350014

引言

伴随着我国经济发展以及城镇化水平提高，土地资源稀缺的问题日益突出，对工程建设造成周边环境影响程度越加关注，长距离引调水工程更多的采用输水隧洞这种型式，而输水隧洞穿越复杂环境区（不良地质﹑小净距﹑既有建筑物等）施工安全风险及隐患相对突出，施工控制标准更高，工艺更严格，施工技术难度更大，是隧洞施工的重点﹑难点。因此如何更好地把握工程施工对周边环境的影响，提出合理可靠的施工方法，采取更加安全可靠﹑经济适用的开挖施工工艺和技术措施，做好施工期安全监测，指导现场施工﹑预报险情，排除安全隐患，如何更加有效地采取措施，避免对既有建筑造成损害产生不利影响等方面显得尤为重要。

1 工程概述

闽江竹岐～金水湖隧洞在闽侯县竹岐乡金水湖附近与富力地产（已封顶），国道G316公路发生交叉，富力地产Y6号楼与引水洞在（桩号ZJ1+120.102～ZJ1+364.385）处发生交叉，国道G316公路与引水隧洞在（桩号ZJ1+364.385～ZJ1+426)处发生交叉，交叉影响段引水隧洞保护范围起点位于富力地产红线范围30m处（桩号ZJ1+090），隧洞出口位于金水湖畔（桩号ZJ1+426），交叉影响段引水隧洞总长336m，交叉影响核心段为：ZJ1+301.4～ZJ1+370.4。两条线路交叉角度为正交，富力地产Y6号楼与引水隧洞覆盖层厚度为39m，国道G316中线与引水隧洞顶点覆盖层厚度为17m。

本工程段隧洞埋深多在17～65m处，出口段埋深17-25m，开挖围岩主要为Ⅳ～Ⅴ级围岩，结构呈巨块状整体结构。输水隧洞沿线分布的地层岩性主要是流纹质晶屑凝灰熔岩等，岩石致密坚硬，属工程坚硬岩类，对成洞和隧洞围岩稳定有利。为减少爆破震动影响，避免对既有建筑造成损害，危及既有建筑安全及国道G316的正常通行，故闽江竹岐～金水湖隧洞主洞桩号（ZJ1+301.4～ZJ1+370.4)段隧洞开挖采取非爆破开挖施工工法，经多个方案的经济技术论证比选，本工程非爆破开挖施工工法采用“液压分裂机+破碎锤”的施工工艺。

2 工艺原理

破碎锤是通过外力冲击作用来破碎物体结构。但通常被破碎的混凝土与岩石等抗压强度很高，而抗拉强度却低于其抗压强度的10%。当遇到莫氏5°以上坚石时，破碎锤的拆除效率随着岩石硬度的增加而直线下降，当遇到莫氏7°以上的岩石时，破碎锤几乎无法开展拆除作业。液压分裂机采用与破碎锤相反的作业原理，利用岩石的抗压强度高﹑抗拉强度低的特性，将物体内部结构破坏并达到使岩石分裂的效果，其功率只有4kW，单机分裂力却可达400-700t，一机可带多枪[1]。分裂时间仅5～20s﹑数秒钟就可完成分裂过程，拆除效率随着岩石硬度的增加而直线提高。因此在5°以上的岩石上，采用破碎锤和液压分裂机联合作业能提升岩石破碎开挖效率的5倍，先利用液压分裂机所产生的分裂力迫使岩石产生裂缝，然后再用破碎锤进行破碎﹑修整处理，该设备结构简单﹑操作方便，有效提高了施工效率及降低施工成本。液压分裂机工作顺序如下图所示。

图1 液压分裂机工作顺序图

3 “液压分裂机+破碎锤”工艺流程

3.1 准备工作

根据施工作业内容﹑工程量大小﹑施工进度﹑工程质量及施工安全要求，并且综合考虑能够充分发挥机械效率，降低施工成本的原则，由此来确定现场液压分裂机及破碎锤数量和型号。本工程隧洞开挖洞径为5.5m，断面采用平底圆形，底宽4.0m，断面面积为25.25m2，考虑作业面的大小，液压分裂机选用国产手持式（1台4kW电动泵站，配置4把450型分裂枪），出于机械的旋转半径﹑破碎效率以及方便维修综合考虑，破碎锤采用135 挖机改装而成（破碎锤选用60型）。

3.2 布孔设计

布孔设计是液压分裂过程的重要设计参数，包括孔径﹑孔深以及布孔间距等的确定，布孔形式的好坏将直接影响到液压分裂的效果以及施工效率，在制定时应当根据现场的岩质特性﹑劈裂机型号和施工环境等来综合考虑[2]。孔径和孔深主要取决于液压分裂机分裂枪的规格，本工程采用450型分裂枪，其钻孔直径为50mm，楔片长度450mm，孔深最浅50cm，能深不能浅，孔底应尽量落在同一平面上；布孔间距的确定是制定布孔设计参数时应当着重考虑的环节，当间距布置过大，可能达不到预期的分裂效果，导致需要进行再次分裂，另外因在施工过程中钻孔需要花费大量的时间，间距布置过小会影响施工进度，因此布孔间距需根据岩石的坚硬程度﹑节理发育程度和试验段施工进行确定，并在具体施工过程中不断调整优化布孔间距，一般间距控制在50cm左右为宜，尽量互相平行，间距一致，均匀地分布在断面上。为保证分裂效果和施工进度，隧洞开挖采用上下台阶法开挖以增加施工时的临空面，上台阶钻孔沿掌子面斜向下打孔，下台阶钻孔沿台阶面垂直竖向打设钻孔。

3.3 钻孔

由熟练的技工严格按照布孔设计图进行钻孔作业，采用手风钻在岩层垂直于临空面处打设孔眼，为满足作业人员操作需要，上台阶作业面需搭设简易作业支架，用于钻孔和岩石分裂的台架，简易台架搭设应牢固可靠，强度和稳定性满足要求，尽量减少作业时的晃动，以保证施工安全和钻孔精度[3]。钻孔采用Φ48以上的钻头，保证直径不小于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，并做好开机前准备工作，将液压分裂枪插入具有临空面的孔眼中，启动液压泵站，油压达到60Mpa，分裂机开始分裂岩石，岩石产生裂缝后从岩石中拔出分裂枪进行下一次作业。分裂过程中，可几台分裂枪同时作业，分裂开挖采用上下台阶的开挖方式，先分裂上台阶岩石，再逐层分裂下台阶岩石。

3.5 破碎

采用液压分裂机将岩石结构破坏产生裂缝后，采用破碎锤冲击，迅速将岩体破碎，以加快施工效率。在下一循环上台阶开挖钻孔前，选择在岩体裂隙或薄弱位置先利用破碎锤进行冲击破碎，为上台阶岩石分裂作业增加临空面。

4 监控量测

监控量测是隧洞穿越地产过程中需要重点观察的项目，因本隧洞线路下穿富力地产，过程中易对地表结构物造成震动或者下沉，故施工过程中必须密切关注洞内外情况﹑拱顶下沉﹑周边收敛等相关情况。结合本隧洞具体条件，确定开展监控量测的必测项目有：洞内外观察﹑拱顶下沉﹑净空收敛﹑地表沉降。

4.1 地表测点（线）布置，如图所示

图2 地表测点（线）布置示意图

4.2 地表沉降监测成果

截至2022年7月6日，富力地产地表下沉的累计值见表1。

表1 进水口地表沉降监测成果汇总表

4.3 隧洞拱顶下沉及周边收敛监测成果

截至2022年7月6日，隧洞拱顶下沉及周边收敛监测累计值见表2。sss

表2 隧洞拱顶下沉及周边收敛监测成果汇总表

从富力地产地表沉降监测数据来看，沉降较为稳定；从隧洞拱顶下沉及水平收敛监测数据来看，变化速率较小，处于缓慢变形状态，较为稳定；通过洞内外观察发现，穿越地产过程中隧洞内外未见明显异常。

5 效果

采用该施工方法完成1个开挖循环（开挖步距0.5m，约13m3）从钻孔到开挖完成约需10～12h。该施工方法经济﹑实用，安全可靠，振动小，对地表高层建筑无影响，避免了附近居民由于隧洞开挖爆破震动影响房子的安全为由而进行阻工及索赔，具备较好的社会经济效益，取得了良好的效果，大大加快了施工进度。

6 结束语

通过本工程实践对隧洞非爆破开挖施工方法总结分析，针对本工程洞径较小﹑工程量少﹑工程地质条件较好的特点，在满足工程进度和安全质量的前提下，应尽量选择施工工艺简单﹑设备少的施工方法，采用破碎锤和液压分裂机联合作业的非爆破开挖方法具有无振动﹑无冲击﹑粉尘浓度低，作业效率高﹑综合成本低﹑施工安全，易操作，灵活性高等优点[4]，降低工人的劳动强度，缩短了工期，节省了投资，为项目的完成做出了巨大的贡献，同时也为今后类似工程提供了宝贵的经验，很有借鉴意义。