馬海鵬，易建坤，史海兵，黃武斌，潘德軍

（1.湖南軍凱靜爆科技有限公司， 湖南 長沙 410008；2.湖南鐵軍工程建設(shè)有限公司， 湖南 長沙 410116；3.中國建筑股份有限公司長沙市軌道交通4號線一標(biāo)工程指揮部， 湖南 長沙 410006）

膨脹劑靜態(tài)破碎巖石以垂直鉆孔、靜態(tài)破碎的施工方法最為多見。由于鉆孔密度大、原材料消耗量大、作業(yè)循環(huán)周期長、勞動環(huán)境惡劣，存在施工成本高，效率較低的缺陷。此缺陷會因施工作業(yè)空間變小而更為顯著。本公司結(jié)合長沙市軌道四號線一期工程湖南大學(xué)站附屬結(jié)構(gòu)2號出入口基坑石方開挖項(xiàng)目，對提高城市復(fù)雜環(huán)境受限空間內(nèi)的膨脹劑破碎開挖石方效率，降低施工成本進(jìn)行了有益的工程實(shí)踐探索和施工工藝創(chuàng)新。

1 工程特點(diǎn)與難點(diǎn)

長沙市軌道交通4號線一期工程湖南大學(xué)站2號出入口位于岳麓山下湖南大學(xué)校區(qū)內(nèi)，呈“L”型展布，如圖1所示。主體部分開挖寬度為9.95 m，長度約57 m，開挖深度約14 m。地勘資料顯示基坑主體部分巖石開挖深度6～8 m，總體石方開挖量約 4000方，以板狀中風(fēng)化灰?guī)r為主，天然抗壓強(qiáng)度最高達(dá)65.2 MPa，屬于較硬巖石。

（1）環(huán)境復(fù)雜，施工過程中的次生危害效應(yīng)管控嚴(yán)格。2號出入口周邊為湖大站主體基坑、麓山南路校內(nèi)干道和湖大體育場館、教學(xué)樓和宿舍樓等建（構(gòu)）筑物，且出入口基坑上方第一道橫支撐上架設(shè)臨時改道的市政供水管道和各類配電線路，周邊施工環(huán)境異常復(fù)雜，施工安全、擾民問題突出。嚴(yán)禁采用炸藥爆破開挖、液態(tài)二氧化碳相變致裂開挖等會產(chǎn)生振動、飛石等次生危害的施工工藝。另外也需嚴(yán)格控制噪音和粉塵污染。

圖1 基坑口部支撐結(jié)構(gòu)和巖石開挖前狀況

（2）施工區(qū)域空間受限，對施工工藝和施工設(shè)備選用產(chǎn)生了較大的制約。2號出入口基坑橫向?qū)挾炔淮笥?0 m，主體部分縱向長度小于60 m，基坑縱向還需設(shè)置堆料區(qū)和轉(zhuǎn)運(yùn)區(qū)，不具在縱向開設(shè)多個開挖作業(yè)面的條件，只能從基坑一端向下和向前開挖。另外基坑開挖巖面距第一道分布較密的混凝土梁橫支撐結(jié)構(gòu)約4.5 m（如圖1所示），作業(yè)空間高度受限，無法采用大型設(shè)備對巖石直接進(jìn)行機(jī)械破除或二次解小破除，這就對非炸藥巖石致裂破除工藝的致裂效果提出了更高要求。

（3）基坑開挖區(qū)域巖石強(qiáng)度、硬度較高，但作業(yè)空間狹窄，無法使用大型機(jī)械破除設(shè)備，臨空面開設(shè)困難，可開設(shè)臨空面數(shù)量有限，開挖效率受到較大制約，成本控制難。

2 施工方案選擇

綜合2號出入口基坑巖石開挖施工現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜、作業(yè)空間受限、基坑巖石強(qiáng)度高和無明顯地下滲水影響等實(shí)際情況，先后對如表1所示的4種施工方案分別進(jìn)行了工程實(shí)踐，通過對比施工效率和成本，最終選擇手風(fēng)鉆大角度傾斜造孔膨脹劑靜態(tài)破碎結(jié)合液壓破碎錘二次解小的施工方案。

3 手持式鑿巖機(jī)大角度傾斜鉆孔膨脹劑靜態(tài)破碎致裂施工

3.1 總體方案設(shè)計(jì)

在基坑主體部分靠南端設(shè)置堆料區(qū)和轉(zhuǎn)運(yùn)區(qū)，從基坑北端采用大傾斜角度鉆孔的膨脹劑靜態(tài)破碎工藝向下薄層剝離開挖，向南逐步推進(jìn)。待作業(yè)空間在縱向具備形成梯度作業(yè)面后，可上下分梯次同步向南開挖推進(jìn)。施工初期在無任何臨空面條件下可直接在水平開挖巖面上采用大傾斜角進(jìn)行鉆孔施工，后續(xù)隨著施工進(jìn)度的推進(jìn)，可利用液壓破碎錘創(chuàng)造小臺階高度的臨空面后再進(jìn)行大傾斜角鉆孔或平行上表面鉆孔施工。為減小鉆孔施工過程中的粉塵危害，采用濕法鉆孔，成孔后利用風(fēng)管吹干鉆孔后再灌膨脹劑進(jìn)行靜態(tài)破碎?？傮w施工工藝如圖2所示。

表1 2號出入口基坑巖石開挖項(xiàng)目所試驗(yàn)的4種施工方案

圖2 總體施工方案

3.2 膨脹劑選擇與配制

根據(jù)本項(xiàng)目巖石靜態(tài)破碎時施工地域季節(jié)為長沙地區(qū)寒冬時期，選用使用溫度在-5℃～10℃范圍內(nèi)的冬季型快速高效膨脹劑?？紤]本施工工藝為大傾斜角濕法鉆孔，同時也為了加快藥劑起效作用時間，以實(shí)現(xiàn)24 h內(nèi)即可使巖石破碎的目的，水灰比設(shè)為0.22～0.28。

3.3 大角度傾斜鉆孔孔網(wǎng)參數(shù)設(shè)計(jì)

本膨脹劑靜態(tài)破碎施工采用大傾斜角濕法鉆孔施工，主要以開挖巖體水平表面作為臨空面進(jìn)行靜態(tài)破碎致裂，布孔樣式主要以單排大角度傾斜布孔方式為主。采用氣腿式鑿巖機(jī)進(jìn)行大傾斜角（相對于開挖巖層上表面）鉆孔作業(yè)，鉆孔孔徑取42 mm，即d=42 mm，孔間距a=340 mm。

（1）孔深h。本項(xiàng)目鉆孔采用2.5 m標(biāo)準(zhǔn)鉆桿，沿鉆孔方向成孔深度均取 2.5 m。局部根據(jù)作業(yè)空間條件，適當(dāng)調(diào)小。

（2）鉆孔傾斜角α。在開挖巖體無任何垂直方向的臺階可供利用的情況下，鉆孔方向與開挖巖體表面夾角α（逆時針方向）為150°～165°。當(dāng)有垂直方向臺階可供利用時，鉆孔傾斜角可進(jìn)一步加大，在垂直臺階滿足可架設(shè)氣腿式鑿巖鉆機(jī)平行巖體上表面鉆孔的情況下，可以近似平行開挖巖體表面的方向進(jìn)行鉆孔。α取值為160°～180°。

（3）初始最小抵抗線 W。此處的初始最小抵抗線是指在作業(yè)面有垂直方向臺階可利用的條件下，斜孔孔口距巖體上表面最短距離。為避免靠近鉆孔底部膨脹劑因距巖體上表面垂直距離過大而無法產(chǎn)生有效破碎作用，初始最小抵抗線w取值不宜超過400 mm。

（4）膨脹劑用量確定。本方案在上述孔網(wǎng)參數(shù)條件下，采用冬季型高效膨脹劑，按 0.22～0.28水灰比配制藥劑，每個斜孔藥劑均灌滿至孔口，合計(jì)膨脹劑用量為1.8～2.2 kg/m。

3.4 大角度傾斜鉆孔膨脹劑靜態(tài)破碎施工工藝

靜態(tài)破碎劑的施工按圖 3所示施工工藝流程進(jìn)行。

相對于傳統(tǒng)的垂直鉆孔膨脹劑靜態(tài)破碎施工工藝而言，顯著的區(qū)別在于成孔過程為大傾斜角濕法鉆孔。本施工方案中采用YT-24型氣腿式鑿巖鉆機(jī)鉆鑿大斜角濕孔，主要鉆孔工藝要點(diǎn)如下：

圖3 施工工藝流程

（1）根據(jù)設(shè)計(jì)孔網(wǎng)參數(shù)和作業(yè)面實(shí)際情況標(biāo)定單排孔位和鉆孔方向，確定鉆孔方向成孔深度。對于層狀板巖，盡量使鉆孔方向順著層理方向布設(shè)，可達(dá)到更好的破碎效果。

（2）在無任何垂直方向臺階面可利用情況下，為保證成孔方向一定的靜態(tài)破碎深度，斜孔布設(shè)角度不宜小于150°，并盡可能創(chuàng)造和利用垂直方向的小臺階面進(jìn)行更大角度的傾斜孔布設(shè)和分層梯次鉆孔。

（3）按設(shè)計(jì)傾斜角度和鉆孔方向架設(shè) YT-24型氣腿式鑿巖鉆機(jī)進(jìn)行鉆孔。鉆孔初期，除鉆頭應(yīng)準(zhǔn)確對準(zhǔn)標(biāo)定孔位外，應(yīng)盡可能保持鑿巖鉆機(jī)和釬桿穩(wěn)定，避免鉆頭游走而使成孔方向產(chǎn)生偏差。

（4）鉆孔過程中始終通過釬桿和鉆頭中心孔向鑿巖面注水，以使產(chǎn)生的巖粉和水形成泥漿流出，徹底消除成孔過程中的粉塵危害。

（5）單排布孔一次性鉆鑿?fù)戤吅?，再使用高壓風(fēng)管逐一吹干每個鉆孔中的積水。應(yīng)確保每個孔內(nèi)積水全部吹出，避免殘留積水影響灌注的膨脹劑水灰比從而影響靜態(tài)破碎效果。

（6）單排布孔全部吹干后即可配漿灌注。灌注膨脹劑過程中可使用細(xì)桿伸入鉆孔內(nèi)來回?fù)v實(shí)，避免鉆孔內(nèi)形成空氣夾層，影響藥劑靜態(tài)破碎效果。

3.5 施工效果分析與對比

長沙地鐵四號線一期工程湖大地鐵站2號出入口在冬季條件下采用大傾斜角濕法鉆孔膨脹劑靜態(tài)破碎結(jié)合液壓破碎錘二次分解的巖石開挖施工方案后，在36 h內(nèi)可完成一個鉆孔、膨脹劑灌注、膨脹劑靜態(tài)破碎和液態(tài)破碎錘二次破碎在內(nèi)的施工循環(huán)，即前30 h內(nèi)完成膨脹劑靜態(tài)破碎作業(yè)，后6 h完成二次破除。實(shí)現(xiàn)了較短的作業(yè)循環(huán)周期內(nèi)（36 h）膨脹劑靜態(tài)破碎效果與液壓破碎錘二次分解破除能力的較優(yōu)匹配?；訋r石開挖效率比表1中的方案1～方案3均顯著提高，開挖成本也低于方案 1～方案 3，且完全避免了粉塵污染。具體效果對比如表2所示:

從表2可知，采用氣腿式鑿巖機(jī)大斜角鉆孔膨脹劑施工工藝最大的優(yōu)勢就在臨空面開設(shè)成本和日開挖效率上。無需開設(shè)臨空面極大節(jié)省了時間與金錢成本，也有利于鉆孔作業(yè)面的自由設(shè)置，提高了鉆孔設(shè)備和人員的利用率。而日開挖效率的顯著提高則主要取決于以開挖巖體上表面作為臨空面，采用非常規(guī)大傾斜角鉆孔的膨脹劑施工方式創(chuàng)新上。另外也由于采用大傾斜角鉆孔，單孔成孔深度較垂直鉆孔深度增大，提高了單孔膨脹劑有效破碎巖石方量，從而也進(jìn)一步提高了有限布孔區(qū)域內(nèi)的巖石破除方量。正是上述原因?qū)е職馔仁借弾r機(jī)大斜角鉆孔膨脹劑施工工藝相較于其它施工工藝，成本更低，效率更高。

表2 不同施工方案施工特點(diǎn)與效果對比

4 結(jié) 論

通過在長沙地鐵四號線一期工程湖大地鐵站二號出入口基坑巖石開挖項(xiàng)目中分別采用多種非炸藥巖石致裂開挖施工工藝進(jìn)行施工后，實(shí)際施工效果對比表明在受限空間條件下中硬巖開挖施工中，采用氣腿式鑿巖機(jī)大斜角鉆孔膨脹劑施工工藝可實(shí)現(xiàn)施工設(shè)備、人員的優(yōu)化匹配，較顯著提高巖石破除開挖效率，降低開挖成本，消除粉塵污染，對傳統(tǒng)的膨脹劑靜態(tài)破碎巖石施工模式是一種較好的創(chuàng)新，進(jìn)一步拓展了膨脹劑靜態(tài)破碎施工技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。