城市地铁车站机械静力非爆开挖技术

肖桂蓉 王威 叶青 刘礼

1.成都工业职业技术学院 四川 成都 610213

2.中铁隧道局集团路桥工程有限公司 天津 300308

国内地铁明挖车站开挖施工一般采用机械开挖或者爆破开挖。遇硬岩、较硬岩一般均采用爆破开挖，但是在城市地铁施工时周边环境千差万别，若周边环境复杂时对施工影响巨大。

在城市地铁车站开挖施工时不可避免的会有管线、周边建构筑、交通、人流等影响，若遇硬岩、较硬岩地层采用爆破施工时安全风险极大。有时由于周边环境过于复杂不得采用爆破施工，因此遇硬岩、较硬岩非爆开挖技术在城市地铁开挖发展过程中是一种趋势。以重庆轨道交通五号线一期工程巴山站及站前配线段在周边高楼林立、各种市政管线众多等复杂条件下，尤其是城市天然气DN426次高压主管道、加油站和交通疏解后的城市主干道临近基坑，采用静力非爆开挖技术为例，介绍城市地铁车站开挖遇硬岩、较硬岩静力非爆开挖机械的选择、施工工艺、工效等，为类似工程施工提供借鉴和参考[1]。

1 工程概况

巴山站沿石新路呈东北～西南向布置位于石新路正下方，为地下二/三层平行双岛车站。车站北侧为国窖明城、石桥铺加油站、祥御巴山小区、巴山建材城等建/构筑物，车站南侧原为巴山厂住宅、商铺及工厂，车站建设结合周边规划改造对车站红线影响建筑物进行拆除后建设。

巴山站为全线越行站，采用双岛四线的形式，车站总长283.6mm，基坑深度为16.4～33.2m；配线段全长147.4m，基坑深度为16.3～18.9m。

围护结构上部采用1:1或1:0.5放坡开挖+土钉支护，下部采用板肋式锚杆挡墙。坡面设100mm厚C25钢筋网喷砼，锚杆采用HRB400钢筋，砂浆等级M30。板肋式锚杆挡墙厚度200mm，肋柱400×600mm，肋柱（锚杆）水平间距2.5m，锚杆竖向间距2.5m，挡墙顶部设置冠梁；锚杆采用砂浆锚杆，钻孔直径130mm，挡墙及肋柱混凝土等级为C30，采用HRB400和HPB300钢筋，锚杆采用HRB400钢筋，砂浆等级M30。

本工程的重要性等级为一级，场地复杂程度为二级，工程用地环境风险等级为一级。经地面地质调查和钻孔揭示，勘察区出露的地层由上而下依次可分为第四系全新统填土层(Q4ml)、残坡积层粉质粘土（Q4el+dl）和侏罗系中统沙溪庙组(J2s)沉积岩层。地层由上而下依次可分为：杂填土层，厚度为1.5m～5.45m；砂质泥岩，厚度为1.2m～5.4m；底部均为砂岩[2]，砂岩强度35～50MPa。

2 静力设备非爆开挖施工方法

2.1 静力设备非爆开挖综述

具体施工工序见静力设备非爆开挖施工工艺流程。

图1 静力设备非爆开挖施工工艺流程

施工准备工作主要是将静力机械设备准备就绪，主要包括改装的专业钻机、液压劈裂棒、液压泵站及降尘使用的雾炮。然后将工作面淤泥、碎石及积水清除后便可进行定位工作。

钻孔定位需根据地质条件、选择的钻机钻孔直径和劈裂棒进行确定，主要是钻孔孔位横纵间距、钻孔直径和钻孔深度。

清孔时采用高压风进行清孔，采用“L”型钢管+高压软管制作，通过阀门控制。

液压劈裂棒安装现场采用钻机或者挖机进行吊装，安装时液压劈裂棒活塞必须朝向开挖方向即自由面。

待6根劈裂棒安装好后启动液压泵站，岩体随即向开挖方向胀裂，待液压棒内活塞伸出至最大行程后回缩棒体活塞，再吊出安装至同排其他孔位进行胀裂，待第一排全部劈裂完成后采用钩机将劈裂后的岩体向后翻倒，然后在依次进行第二排孔位的胀裂和翻倒工作，反倒后的大块岩体采用炮机进行解体破解最后再进行装车外运[3]。

图2 液压劈裂棒劈裂示意图

2.2 设备改装及加工

静力非爆开挖技术需要的设备主要为改装专业钻机、液压泵站和液压劈裂棒。

钻机改装采用现代150或现代200型挖机进行改装。将挖机斗杆（小臂）及挖斗全部拆除后保留铲斗和破碎锤液压系统。将斗杆换成钻机系统。

钻机系统采用破碎锤油路连接钻机液压马达以驱动钻杆及钻头进行钻进，铲斗油路连接钻杆钻臂油缸通过滑轮组和钢丝绳组成的系统控制液压马达及钻杆、钻头沿钻臂上下活动。

液压马达根据地质情况进行选用BMR-160摆线马达、额定转速330r/min，额定压力10MPa，扭矩281N/m。

劈裂棒为定制加工组装而成，采用40Cr合金结构钢。劈裂棒是有活塞、分油器、高压油管及接头等部件组成。

液压泵站采用博士210高压液压泵，通过加工组装而成，通过高压分配阀门连接高压油管同时带动6根劈裂棒，液压泵站压力150MPa， 流量为50L/min。

2.3 巴山站应用情况

准备工作完成后，将改装专业钻机在工作面前方进行钻孔，钻孔直径为0.2m，钻孔深度为1～1.2m，钻孔间距按照1*1m布设，根据岩石节理发育情况和岩石强度进行适当调整。

图3 改装专业钻机钻孔

其次，将直径为17.5cm，长度为1.2m的液压劈裂机的液压棒插入孔中，中间液压棒通过液压泵站传输的压力作用由内向外释放出极大的能量，将被岩石按照预定的方向和部位进行胀裂，根据现场施工要求一台泵站可配备6根液压棒工作。由于前后施工工序衔接紧密，液压棒的循环使用，安装和起吊液压棒均采用现场炮机或钻机配合完成。

图4 液压棒安装及液压劈裂

最后，液压胀裂后的石块体积大，自卸汽车不能满足装运需求，所以在经过液压劈裂后的石块还需采用EX1100型钩机再次进行分裂和翻倒，翻倒后的石块采用炮锤式挖掘机将进行再次破除，或者劈裂后直接采用炮机破除。

图5 炮机破除

3 开挖效率与经济性

通过对每月开挖石方方量进行统计如下表1，静力非爆开挖设备改造及加工费用统计表见表2。

表1 石方开挖方量统计表

表2 设备改造及加工费用表

通过上表统计，静力非爆开挖设备一套需一次性投入29.9万元，开挖效率每天开挖石方量570～867方，若采用常规破碎锤直接破除每天开挖方量为200～300方。静力非爆开挖技术开挖效率提升约2.86倍。若采用小松485炮机配195破碎锤，月租金13.85万，燃油4.35万。静力非爆开挖设备一次投入成本仅需常规开挖设备1.5个月的租赁费用[4]。

以巴山站及站前配线段主体开挖中26.3万石方开挖为例，采用一套静力设备非爆开挖需投入约1.137元/m3，采用一套常规破碎锤炮机设备投入18.467元/m3。经济效益平均节约17.33元/m3，且开挖功效提高2.86倍。

4 结论与讨论

重庆轨道交通五号线一期工程巴山站及站前配线段开挖采用静力非爆开挖技术在经济效益和开挖工效方面均有明显的优越性，同时静力非爆开挖技术施工过程中无常规炮机破除时的噪声污染、粉尘污染，同时在能耗方面也大大降低，绿化环保。

静力非爆开挖技术可以根据施工环境和地质条件进行设备的选型和替代，有较强的适应性。具有较大的推广、应用前景。