王炳麟

（中鐵二十二局集團第四工程有限公司，天津 301700）

0 引言

中國文化源遠流長，在中華文明璀璨的歷史長河中，長城作為最耀眼的明珠而存在。隨著國家交通建設(shè)的飛速發(fā)展，路網(wǎng)的規(guī)劃不可避免地會與歷史古建筑及文明古跡相交匯。為達到施工與文保和諧統(tǒng)一，確保施工過程中文物保護安全，降低施工過程中文保風險等級，進行相關(guān)課題的研究顯得尤為重要。張悅[1]模擬三臺階法和雙側(cè)壁導坑法施工對明長城的影響；蔣志強[2]研究小凈距隧道在不同施工工序、不同開挖進尺、不同支護剛度下，洞室的相互影響規(guī)律、圍巖的應(yīng)力、圍巖變形以及烽火臺的穩(wěn)定性問題。潘雪峰[3]以實際工程為背景，對隧道穿越明長城設(shè)計方案與施工技術(shù)進行研究。熊華濤[4]確定了下穿明長城段地表最大沉降不應(yīng)超過30 mm、位移速率不應(yīng)大于5 mm/d、局部傾斜應(yīng)小于1‰的控制標準，并分析了不同（超前）支護措施對地表沉降的控制效果崔會超等[5]將“水磨鉆”非爆破開挖施工工藝應(yīng)用到小斷面地鐵隧道施工中。李曉輝[6]對靜態(tài)爆破在公路隧道施工中應(yīng)用進行研究。李杰浩等[7]研究了提高靜態(tài)爆破施工效率與經(jīng)濟性的措施、隧道靜態(tài)爆破參數(shù)設(shè)計與開挖。李波等[8]提出水磨鉆斷面取芯+靜爆破巖施工工藝。聶雯等[9]研究利用混凝土比擬巖石進行無邊界約束情況下的石方靜脹試驗，基于試驗結(jié)果建立了DDA（Digital Differential Analyzer，數(shù)值微分）單孔靜脹模型。

本項目依托朔神高速公路第二合同段項家溝隧道工程建設(shè)，對新建隧道掘進下穿明長城古遺址段施工技術(shù)展開研究，以實現(xiàn)施工對明長城遺址不造成影響和隧道順利貫通的目的。

1 工程概況

朔神高速公路第二合同段項家溝隧道位于神池縣龍泉鎮(zhèn)，隧址區(qū)位于管岑山東南側(cè)余脈。左線起止里程ZK16+250～ZK16+528，長278 m；右線起止里程K16+255～K16+525、長270 m，采用端墻式洞門。隧道洞頂?shù)匦纹鸱^大，兩端洞口均為基巖陡坡。隧址最高點地面標高約為1501 m，對應(yīng)的里程樁號為K16+260 附近，整個隧道地表海拔高程介于1445～1501 m，相對高差約56 m，隧道在K16+350、ZK16+345 處下穿明長城古遺址（圖1）。

圖1 項家溝隧道與明長城古遺址位置

2 項家溝隧道下穿明長城古遺址方案比選

明長城作為中華文化瑰寶，需要遵循文物“保護為主、搶救第一、合理利用、加強管理”的十六字方針。當土木工程與文物古跡相交匯時，必須選擇合理的施工方法，確保文物安全。近年來，隨著綠色施工技術(shù)大力發(fā)展，非爆破施工工藝在高速公路隧道掘進中得到廣泛推廣。常用非爆破高速公路隧道施工技術(shù)主要有懸臂掘進機法、“水磨鉆+靜態(tài)爆破劑”法、液壓劈裂法等。依據(jù)項家溝隧道勘察資料可知，隧道穿越明長城古遺址段巖石為中風化灰?guī)r夾薄層泥灰?guī)r，較堅硬、巖性單一，地下水對隧洞施工影響小，大部分圍巖為Ⅳ～V 類，圍巖基本上穩(wěn)定。

神池明長城墻體為石砌，現(xiàn)在仍可見其石基、石堆等，這些長城城墻建筑多因地制宜、就地取材，在平原和矮丘處，以土板構(gòu)筑城墻，而在山上就以石壘砌。根據(jù)神池縣文物局《關(guān)于呼北高速公路神池段建設(shè)工程中加強長城保護工作的通知》要求，為降低隧道下穿明長城古遺址段施工風險，確保施工安全，對不同施工方案依據(jù)工程項目管理原則進行比選，具體比選方案如圖2 所示。項家溝隧道下穿明長城段擬采用“水磨鉆鉆孔+靜力爆破劑加熱膨脹劈巖+周邊鉆孔劈巖機修整”的施工方案。

圖2 項家溝隧道下穿明長城古遺址段施工方案比選

3 項家溝隧道下穿明長城古遺址技術(shù)要點

3.1 “水磨鉆+靜態(tài)爆破”施工技術(shù)流程

項家溝隧道下穿明長城古遺址段擬先采用水磨鉆沿掌子面掘進區(qū)域周邊以相割圓方式按水平方向施鉆取芯，在周邊形成連續(xù)槽道，成型開挖輪廓，為中部巖體劈裂和后部隧道擴挖提供臨空面。在中部開挖區(qū)域周邊內(nèi)使用風鉆按一定間距在水平方向鉆劈裂孔，然后以周邊槽道形成的臨空面，用靜力爆破劑自周邊向內(nèi)進行分裂開挖巖體，周邊采用液壓劈裂機劈裂巖體（圖3）。

圖3 “水磨鉆鉆孔+靜力爆破劑加熱膨脹劈巖”的工藝流程

3.2 機械設(shè)備配置及器材選擇

根據(jù)項家溝隧道穿越明長城古遺址段工程水文地質(zhì)現(xiàn)狀、質(zhì)量控制標準、工期要求及神池縣文物局下發(fā)的《關(guān)于呼北高速公路神池段建設(shè)工程中加強長城保護工作的通知》要求，并結(jié)合項目所在地機械設(shè)備租賃實際，采用Φ160 mm 水磨鉆、靜爆劑，具體設(shè)備及器材配置見表1。

表1 機械設(shè)備及器材配置表

3.3 確定非爆開挖斷面

隧道開挖斷掌子面尺寸根據(jù)隧道整體開挖規(guī)劃及掏槽區(qū)大小確定，必須滿足作業(yè)人員操作需要且方便操作，非爆開挖部分宜位于隧道下部中線處。整體規(guī)劃一個掌子面上的施工分段情況。由于開挖掌子面較大，故計劃分3 個階段進行施工，各段鉆孔位置、孔距、排距和孔徑如圖4 所示。

圖4 超前導坑水磨鉆鉆孔孔位咬合圓示意

考慮到公路隧道非爆破開挖及隧道擴挖層、支護等循環(huán)時間等，按照一天一循環(huán)進行組織，同時考慮到相同周長條件下圓形面積最大的特點，非爆開挖掌子面也采用圓形斷面（半徑為1.5 m 左右為宜），可以做到一次搭設(shè)簡易作業(yè)支架、完成一次作業(yè)循環(huán)全部鉆孔。

3.4 水磨鉆布孔、取巖芯

由專業(yè)測量工程師根據(jù)隧道洞內(nèi)控制導線精確測設(shè)出劈裂開挖斷面的圓心，在掌子面上標出各開挖段鉆孔的中心位置。

人工手持水磨鉆在圖5a）的二環(huán)線上采用以相割圓方式按水平方向施鉆取芯，形成連續(xù)槽道臨空面，將巖心與周圍巖體分開，孔距70 mm，水磨鉆鉆孔孔徑100 mm；相鄰兩個鉆孔相割70 mm，相鄰鉆孔咬合20～30 mm，每次鉆取深度1000 mm 左右。每臺鉆機由3～4 人操作，完成1 個孔鉆取芯時間約5～10 min。

圖5 開挖斷面鉆孔布置

3.5 搭設(shè)簡易臺架

搭設(shè)臺架鋼管應(yīng)采用GB/T 13793—2016《直縫電焊鋼管》或GB/T 3091—2015《低壓流體輸送用焊接鋼管》規(guī)定的Q235普通鋼管，鋼管型號為Φ48.3×3.6 mm，臺架的搭設(shè)要根據(jù)設(shè)計要求，同時要滿足水磨鉆施工精度及安全性所需的足夠的強度、剛度及穩(wěn)定性。根據(jù)隧道斷面尺寸及施工作業(yè)面需求，臺架作業(yè)面與隧道頂部的垂直距離為80 cm，臺面寬度與掌子面兩側(cè)分別預留100 cm，以滿足水磨鉆施工時所需作業(yè)面。

3.6 劈裂孔布設(shè)及鉆孔

為確保項家溝隧道下穿明長城古遺址段施工安全，達到文物保護單位的要求，將施工隊明長城古遺址段的影響降到最低，同時滿足工程質(zhì)量及工期要求，靜態(tài)爆破孔梅花布設(shè)，爆孔間距不大于掌子面的最小抵抗線。

為確保靜態(tài)爆破效率，提高靜爆劑利用率，劈裂孔鉆孔設(shè)備采用YT28 型鑿巖機，劈裂孔直徑42 mm，劈裂孔鉆孔與開挖掌子面成87°夾角。

3.7 靜態(tài)爆破劑放置

（1）使用前，先按配合比靜態(tài)爆破劑∶水=0.7∶0.3（重量比）進行靜爆劑制作，然后將拌制好的靜爆劑倒入劈裂孔，并用專門工具將靜爆劑擠壓密實，深度較大的劈裂孔可以根據(jù)現(xiàn)場實際分段裝藥。

（2）當靜爆劑在劈裂孔中產(chǎn)生化學反應(yīng)，隨著巖石裂縫的出現(xiàn)，需連續(xù)不斷向裂縫中加水，以確保靜爆劑在劈裂孔中持續(xù)工作，隨著水分的加入，巖石劈裂效果顯著增加。

（3）為確保靜爆劑灌注過程的安全及高效，擬采取分組形式進行施工，每灌注小組由3 人組成，組長負責靜爆劑的拌制及灌注。2 名組員負責已灌注靜爆劑劈裂孔的擠壓密實工作。

（4）溫度是影響靜爆劑爆破效果的主要因素，靜爆劑灌注及擠壓密實過程中，要動態(tài)監(jiān)測劈裂孔孔壁、靜爆劑、水及周邊環(huán)境的溫度，靜爆劑拌制到灌注擠壓密實的持續(xù)時間應(yīng)小于5 min。

（5）為確保靜態(tài)爆破效果，當劈裂孔穿越地下水位時需為水位以下的劈裂孔安裝相應(yīng)長度的套管。

3.8 靜爆劑反應(yīng)時間的控制

靜爆劑反應(yīng)的快慢與溫度有直接的關(guān)系，溫度越高反應(yīng)時間越快，反之則慢。靜爆劑發(fā)生化學反應(yīng)的時間宜控制在30～60 min，具體時間應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場實際工況進行動態(tài)調(diào)整。

3.9 檢查驗收、信息反饋

檢查驗收、信息反饋。每循環(huán)后檢查施工效果，分析存在問題及原因，及時修正相關(guān)參數(shù)，改善技術(shù)經(jīng)濟指標，提高開挖效率和保證施工安全。

4 效益分析

4.1 經(jīng)濟效益

“水磨鉆鉆孔+靜力爆破劑加熱膨脹劈巖+周邊鉆孔劈巖機修整”施工工藝綜合費用低，本工藝通過調(diào)整水磨鉆鉆孔參數(shù)、規(guī)劃臨空面及合理選用靜態(tài)爆破劑等措施，在優(yōu)化破碎效果、提高掘進速度的前提下，縮短了水磨鉆鉆孔、清渣和靜爆劑攪拌灌裝的時間。雖然設(shè)置臨空面增加了水磨鉆取芯的時間，但單位體積范圍內(nèi)掘進效率有顯著提高。通過對施工工藝各關(guān)鍵工序所需作業(yè)時間進行對比分析，通過造價工程師對現(xiàn)場勞動力、靜態(tài)爆破劑用量和機械設(shè)備進行統(tǒng)計核算，水磨鉆鉆孔機械臺班增加67.5 臺班，由于水磨鉆鉆孔的施工，鑿巖機鉆劈裂孔減少35.8 臺/班。出渣用裝載機減少8.7 臺/班，配套人工開挖勞動力減少150.6 工日，靜態(tài)爆破劑用量減少62.1 t。

采用優(yōu)化施工工藝后，單循環(huán)掘進施工作業(yè)時間節(jié)約4.5 h，單循環(huán)掘進進度可增加0.3 m，施工效率提高了0.5 m/d。項家溝隧道下穿明長城古遺址段范圍為548 m，總工期縮短了55 d，節(jié)省25 4811.6 元的費用。

4.2 社會效益

（1）項家溝隧道下穿明長城古遺址段施工過程中，由于“水磨鉆鉆孔+靜力爆破劑加熱膨脹劈巖+周邊鉆孔劈巖機修整”施工工藝的成功應(yīng)用，確保了明長城的安全，得到了文物保護部門及建設(shè)單位的肯定，為企業(yè)獲得良好的社會信譽。

（2）通過對項家溝隧道下穿明長城古遺址段施工施工技術(shù)的研究，提升了企業(yè)在同類工程中的總體施工水平，豐富了靜態(tài)爆破技術(shù)。

4.3 環(huán)保效益

水磨鉆及液壓劈裂機工作時，由于施工工藝所具有的特性，實際施工中噪聲低、振動沖擊下、無粉塵等，施工環(huán)境中無有害有毒氣體，符合綠色施工要求，施工作業(yè)環(huán)境顯著改善。

5 結(jié)束語

（1）以項家溝隧道下穿明長城古遺址段為依托，對隧道下穿明長城古遺址段采用“水磨鉆鉆孔+靜力爆破劑加熱膨脹劈巖+周邊鉆孔劈巖機修整”的施工工藝，依據(jù)實際工況動態(tài)優(yōu)化施工工藝，形成全套施工技術(shù)措施，確保施工期間明長城古遺址安全。

（2）在工程項目“三控一管理”前提下，本方案節(jié)約費用約254 811.6 元，縮短工期55 d，工程質(zhì)量得到進一步優(yōu)化，在符合工程參建各方利益及需求的前提下，取得良好的經(jīng)濟社會及環(huán)保效益。