楊 鳴，謝玉萍，龍 三，劉浩杰，張馮豆，程斯一，姚 鄒，文國軍

(1.長江巖土工程總公司(武漢)，湖北 武漢 430000；2.中國地質(zhì)大學(武漢) 機械與電子信息學院，湖北 武漢 430074；3.湖北省智能地質(zhì)裝備工程技術(shù)研究中心，湖北 武漢 430074)

1 引言

在勘察工作中，為查明重要建筑物的工程地質(zhì)條件或特殊地質(zhì)問題，獲取詳實準確的地質(zhì)參數(shù)，需要在現(xiàn)場進行原位測試和試驗。通常采取平硐勘探技術(shù)來揭示地質(zhì)情況，而有的平硐距離居民區(qū)較近，勢必會對周圍區(qū)域的生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生不同程度的影響。

平硐掘進對環(huán)境的影響主要表現(xiàn)在以下幾個方面：①平硐洞口平臺的平整，對洞口附近的地表破壞嚴重[1]；②平硐的掘進伴隨著大量的碎渣和灰塵，無法及時排渣和降塵會對施工的進程和周圍的生態(tài)環(huán)境甚至是施工人員的健康產(chǎn)生不利影響；③施工過程中產(chǎn)生的噪聲，會影響周圍區(qū)域的人群的正常生活；④人力成本效率問題，有的平硐掘進平面面積較大，巷道長達幾百米，施工的空間區(qū)域比較大，這樣以來較低的施工效率會對周圍環(huán)境產(chǎn)生持續(xù)的破壞，導致生態(tài)無法及時進行修復(fù)，制約著生態(tài)環(huán)境的綠色可持續(xù)發(fā)展。

如何盡可能地減小或消除對施工區(qū)域居民生活和生態(tài)環(huán)境的影響，是實現(xiàn)綠色、可持續(xù)發(fā)展的核心。因此，探索平硐勘探綠色施工技術(shù)有助于促進工程地質(zhì)勘察行業(yè)的生態(tài)發(fā)展。本文將從常見的平硐掘進技術(shù)出發(fā)，基于非爆破施工方法介紹了綠色化施工的實施方案以及對鉆孔設(shè)備的需求，為施工提供一定的參考。

2 平硐掘進技術(shù)

2.1 鉆爆法施工技術(shù)

傳統(tǒng)的平硐勘探采取鉆爆技術(shù)，即先通過鉆孔機械在工作面鉆出一定數(shù)量的鉆眼，之后在鉆眼中根據(jù)工況和要破碎的巖石的多少來布置炸藥的藥量，起爆引起巖石破碎達到破巖效果。這種掘進方式在處理較大斷面平硐時具有一定優(yōu)勢的，能夠一次性達到大面積破巖的效果。在平硐鉆爆法施工中出現(xiàn)水磨鉆技術(shù)，主要由水磨鉆機、水磨鉆筒和專用水泵3個部分組成，一般先在周邊先鉆出設(shè)計直徑大小的圓，然后在孔中心打一個炮眼，在炮眼中放入炸藥引爆，每鉆一定深度依此循環(huán)。同時這種施工方式也有一定的缺陷，首先鉆爆法需要爆破材料，隨著辦理爆破相關(guān)手續(xù)的時間越來越長，嚴重影響勘探工期；其次，鉆爆法施工會引起隧道圍巖和鄰近建筑物結(jié)構(gòu)發(fā)生爆破振動，發(fā)出爆破噪音[2]，有的平硐距民房較近，會對周邊的居民造成較大影響；同時在爆破過程會產(chǎn)生碎石和巖渣，在平硐空間內(nèi)可能會威脅到施工人員的健康和安全；并且每進行一次爆破這些飛石和巖渣需要及時除去，隔一段時間才能進行下一段爆破操作，影響了鉆孔、出碴和支護工作的效率。

總的來說，鉆爆法雖然在一定的工況條件下具有優(yōu)勢且發(fā)展較為成熟，但依然存在效率低、費用高、噪聲大、粉塵較多、地層巖性適應(yīng)性較差等問題，不符合現(xiàn)代“生態(tài)發(fā)展”的理念。

2.2 非爆破施工技術(shù)

近年來，非爆破施工方法逐漸進入人們視野，但仍存在不小技術(shù)難度，由于非爆破施工摒棄了炸藥爆破的破巖方式，相比于傳統(tǒng)的鉆爆法來說，在綠色化施工方面擁有無法比擬的優(yōu)勢，如圖1所示。但國內(nèi)的應(yīng)用還并不是很多，不論是設(shè)備、工藝和材料都在不斷的發(fā)展完善中。非爆破施工方法主要有懸臂掘進機法、水磨鉆鉆孔結(jié)合靜力爆破劑方法、鉆孔劈裂法等[3～5]。

圖1 平硐勘探施工技術(shù)現(xiàn)狀

懸臂式掘進機法是銑挖法的最主要的方式。懸臂式掘進機是一種部分斷面掘進機；工作時，能夠切割任意形狀的平硐斷面，機械化程度較高，集開挖、裝碴和自動行走于一身；這種掘進方式對復(fù)雜地質(zhì)適應(yīng)性強，操作靈活，可以適用于土層、卵石混合土的等中軟巖隧道開挖。盾構(gòu)技術(shù)可以一次成洞，施工速度較快，對作業(yè)人員的操作技能要求較高，適用于在隧洞洞線較長、埋深較大的情形。鉆孔—劈裂法施工：施工方法是先用鉆孔機鉆孔再用液壓劈裂棒將巖石劈裂，然后再用挖掘機、自卸車將石塊運出。主要施工分為以下幾個階段[6]：

①施工前的準備，對作業(yè)人員進行安全技術(shù)交底工作，根據(jù)圍巖級別及水文地質(zhì)情況，確定支護參數(shù)及開挖方法，并結(jié)合現(xiàn)場人員、機械配置情況制定施工方案;②根據(jù)平硐截面、長度和巖石特性確定孔徑、孔深和相鄰孔之間的間距，用以保證臨空面質(zhì)量，利用鉆臂沿平硐周邊輪廓線施做咬合孔臨空面;③自下向上水平施工做劈裂孔，層高和劈裂孔距依據(jù)巖石硬度及劈裂效果可適當調(diào)整，相鄰孔間距40 cm，孔徑4.2 cm，為方便施工劈裂孔可一次鉆進2～4 m，滿足4～8個劈裂循環(huán)作業(yè);④使用劈裂棒進行劈裂，根據(jù)工況同時安裝多根劈裂棒，劈裂順序為自下而上;⑤將裂開的巖石從斷面剝離，運出平硐外;⑥操作工作臂移至下一個孔位處鉆進，進行下階段循環(huán)鉆進。具體施工效果需要對不同臨空面和孔間距進行試驗。

鉆孔劈裂技術(shù)在工程領(lǐng)域是一種新的施工方法，具有諸多優(yōu)點，施工后的平硐周邊整齊、平滑，克服了爆破施工造成表面凹凸不平的缺點[7～9]；鉆孔設(shè)備及液壓劈裂機工作時，產(chǎn)生震動微小、沖擊力小、噪音低、粉塵飛屑極少，不會產(chǎn)生有毒氣體和其它有害廢棄物，對周圍環(huán)境無影響，施工作業(yè)環(huán)境明顯改善，同時保護生態(tài)環(huán)境。

3 勘探平硐綠色施工方案

以勘探平硐非爆破工藝掘進技術(shù)的研究為例：一般勘探平硐的掘進斷面為2000 mm×2000 mm，平硐總長為300 m，要求鉆孔的范圍能覆蓋到距離地面150～2000 mm。根據(jù)工程的施工工況和要求，勘探平硐施工屬于小直徑隧洞開挖，非爆破施工方案更能滿足平硐勘探綠色環(huán)保的要求。選擇合適的非爆破隧洞開挖方法，對保證施工質(zhì)量、加快進度、降低費用、滿足工程安全要求具有重要意義。

考慮施工要求、環(huán)境、人力成本以及效率等情況。為達到減少工人勞動量、降噪、綠色施工以及增強掘進巖層適應(yīng)性的目標，對現(xiàn)有小尺寸平硐施工技術(shù)進行創(chuàng)新改進，采用“平硐有限空間內(nèi)能靈活使用的小尺寸水平成孔鉆機鉆孔+液壓劈裂+周邊斷面輪廓修整”的施工方案。與此對應(yīng)的鉆機裝備應(yīng)主要滿足以下要求：①能夠根據(jù)孔的設(shè)計，能夠精確地實現(xiàn)一定范圍內(nèi)的掘進平面鉆孔;②能夠有效進行排渣和降塵;③鉆機設(shè)備集鉆孔-劈裂功能于一身，有時候需要液壓破碎錘進行二次破碎，即要求設(shè)備具有多功能性和較強的適應(yīng)性，便于安裝(拆除)劈裂棒、集成液壓劈裂與鑿巖系統(tǒng)、集料輸料裝置實現(xiàn)裝渣功能等;④需要克服其鉆孔工作量較大,費用較高的缺陷;⑤鉆機底盤尺寸能預(yù)留排渣空間。采用分段打錐形截面的施工方法以保證掘進平面的尺寸，張角保證盡可能小，減小劈裂后的工作量，如圖2所示，實際劈裂后孔洞尺寸大于2 m。

圖2 隧道孔截面施工形狀

對于勘探平硐來說，鉆機設(shè)備需要綜合考慮鉆進工藝、功能以及結(jié)構(gòu)設(shè)計制造可行性的問題，本著實用、小型、高效和性價合理的原則來進行設(shè)計。由于此勘探平硐斷面較小、可采用鉆架動力頭式結(jié)構(gòu)，用油缸實現(xiàn)鉆頭給進；利用鑿巖機實現(xiàn)鉆孔的功能，相比于氣動鑿巖機體積大、能量消耗高、噪音大的特點，液壓鑿巖機動力消耗少，能量利用率高；鑿巖速度高，沖擊功、扭矩和推進力大，釬子轉(zhuǎn)速高、作業(yè)條件好，且液壓鑿巖機沒有排氣噪聲和無油霧造成的大氣污染，改善了作業(yè)環(huán)境，更加符合綠色化施工的理念。動力機組采用電動，液壓驅(qū)動，巖石斷面鉆好孔之后采用多根液壓劈裂棒同時進行劈裂。

為滿足綠色化施工的要求，除了從鉆機設(shè)備本身的動力源出發(fā)，盡可能減少對周圍環(huán)境的污染。從施工流程出發(fā)，基于鉆孔-劈裂的施工方案的工藝流程如圖3所示，首先進行施工準備，包括設(shè)備和材料，根據(jù)現(xiàn)場人員、機械配置情況制定施工方案和參數(shù)，確保施工安全；確定施工的斷面，根據(jù)平硐整體掘進的斷面及掏槽的大小進行孔數(shù)量和孔間距的布局設(shè)計；第一段孔開挖：利用鑿巖鉆機在事先設(shè)計好的輪廓打斷面的輪廓孔，并掏槽，然后調(diào)整鉆頭位置在斷面中間處水平方向連續(xù)鉆進取芯，形成連續(xù)槽道臨空面，將巖心與周圍巖體分開，利用多根劈裂棒同時劈裂巖體，由2～3人清除劈裂的巖體；第二段孔開挖：在斷面底部用平硐鉆機鉆1°角的斜孔，孔徑89 mm，一次鉆進約800 mm，然后掏心孔形成臨空面，用鉆機由下至上鉆垂直劈裂孔，接著使用劈裂棒劈裂巖體，人工使用水磨鉆對周邊輪廓進行修整，將巖渣運出后，進入下一循環(huán)掘進。值得注意的是，在每次循環(huán)后，應(yīng)根據(jù)施工效果及時分析總結(jié)，修整相關(guān)的參數(shù)，提高掘進的效率。

圖3 施工工藝流程

4 結(jié)語

隨著各類工程機械自動化程度越來越高，大大節(jié)省了人力成本，平硐勘探作為一種地質(zhì)勘察的重要手段，促使著相關(guān)裝備向更加自動化、綠色化的方向發(fā)展，本文總結(jié)了常見平硐勘探技術(shù)及其優(yōu)缺點，結(jié)合工程項目小尺寸掘進斷面的平硐提出鉆孔-劈裂的解決方案，相比于現(xiàn)有的爆破水磨鉆勘探技術(shù)，此方案在噪聲、環(huán)境生態(tài)方面均作出較大的改善。方案施工關(guān)鍵在于平硐鉆機的設(shè)計，未來的平硐勘探鉆機裝備將朝著高度自動化、高效破巖能力、多功能集成化、便攜性等方向發(fā)展。