广州老城区动静联合开挖施工方法比选研究

2019-07-19谭小春

四川建筑 2019年3期

谭小春, 杨波

(中国中铁股份有限公司，广东广州 510308)

广州市轨道交通11号线经由天河区、白云区、越秀区、荔湾区和海珠区。线路全长44.2km，全部采用地下敷设方式，全线共设32座车站。沿线临近建筑密集且敏感。拟建线路穿行于主城区，沿线建(构)筑物众多，环境复杂，且线路附近多处建筑距区间主体结构较近，施工风险大，安全防护要求高，特别是沿线工程穿绕广州老城区均为城市交通主干道，交通十分繁忙，人流密度大，工程施工对道路的交通影响非常大，多数基坑属于深基坑，开挖施工方法选择难度大，本文以广州地铁11号线为背景，对广州老城区地铁开挖施工方法进行比选研究。

1 工程地质情况

(1)广州市位于粤中拗陷(三级单元)中部，广从、瘦狗岭、广三断裂是本区构造的基本骨架，主要以广从断裂和瘦狗岭断裂为界线分成四个构造区：增城凸起、广花凹陷、东莞盆地、三水断陷盆地。

① 线路穿越的断裂根据区域地质资料，线路下穿断裂有：广三断裂、海珠断裂、清泉街断裂、三元里温泉断裂、广从断裂、麓湖断裂、瘦狗岭断裂、北亭断裂、沙河断裂。

② 线路经过的地质褶皱从区域地质资料来看，线路基本位于天河向斜范围，部分地段穿过荔湾背斜、芳村向斜、大塘背斜。

(2)地层与岩性地表普遍覆盖第四系(Q)，基岩由新至老主要是中生界白垩系(K)、侏罗系(J)、石炭系(C)、上元古界震旦系(Z)，有侵入岩分布。

地层由上至下依次为人工填土层(Q4ml)<1-1～2>、冲积-洪积砂层(Q3+4al+pl)<3-1～4>、冲积-洪积-坡积土层(Q3+4al+pl和Qdl)<4N-1～3、4-2A、4-2B、4-3>、残积土层(Qel)<5N-1～2>、全风化岩层(E2by)<6>、中风化岩层(E2by)、微风化岩层(E2by)<9-1～3>等。

(3)沿线不良地质。全线穿越不良地质地带主要有：断裂带、岩溶发育区、软土、上软下硬地层等。

① 全线经过九条断裂带，分别为：广三断裂、海珠断裂、清泉街断裂、三元里温泉断裂、广从断裂、麓湖断裂、瘦狗岭断裂、北亭断裂、沙河断裂。断层的存在不仅使其岩石破碎给工程带来危害，而且地下水富集于断层带通道，给地铁施工带来不利。主要不良影响和危害有以下几个方面；一是断裂破坏了岩体的完整性，胶结不良的破碎带自稳能力差，在工程施工产生临空面时坍塌；二是因裂隙发育加剧了可溶岩的溶洞发育，给成桩成槽造成困难；三是因存在储水空隙，在一定条件下形成导水通道和富水带(段)，造成施工排水困难，而过度排水还导致周边土体下沉，危及周边建筑安全。

② 2座车站位于岩溶发育区：大金钟站、广园新村站；3个区间穿越灰岩及溶洞发育地段：田心村站～云台花园站、大金钟站～广园新村站、广园新村站～梓元岗站。岩溶地区的发育有溶洞、土洞、溶沟、溶槽及岩溶坍塌区等不良地质体；在岩溶地区进行基坑开挖、容易产生突、涌水的风险；岩溶地区所发育的溶、土洞在地下水及人类的工程活动作用下容易“活化”产生坍塌等地质灾害。

③ 14座车站存在淤泥、砂层等软土地层，8个区间存在有较厚的淤泥、砂层等软土地层，最厚达15m，本项目周边建筑物密集，交通十分繁忙。工程基坑周边用地紧张，环境复杂，既有重要建(构)筑物又有浅基础多层住宅。

④ 2个区间存在上软下硬地层：沙河站～田心村站、如意坊站～石围塘站。

2 控制开挖适宜条件分析

市政工程特别是在繁华老城区进行较大石方量的工程开挖施工，首先必须保障周围环境安全，其次还须尽最大努力满足施工工期的要求。

2.1 周围环境

要保障周围环境安全，则尽量采用机械破碎或静态破碎法进行施工。本工程开挖方量大，岩体坚硬，大面积使用机械破碎显然不符合工程经济性、高效性要求。特别是基于地面复杂环境多个车站必须暗挖，其机械开挖作业时施工环境高度污染、通风极为困难，机械破碎开挖适用性非常差。

对于采用静态破碎法，其无噪音、无振动的优点较为突出，得到较为广泛的应用。但实践已证明，静态破碎技术受限条件众多：

(1)水化反应受温度的影响很大，在高温40 ℃以上水化太快，很容易喷出。低温下水化反应速度太慢，破碎效果受到了限制。

(2)静态破碎的成本相对于传统爆破要高很多。

(3)静态破碎技术的膨胀压力较小，主要用于脆性材料。

(4)每次破碎的规模较小，需存在良好的临空面，且每次破碎的体宽及孔深都不能大于3m(即小于6排孔)，一次破碎量不会超过1 000m3，且每次作用时间长达8～12h，加上清渣、装药等一个循环需要24h以上。

(5) 破碎不易预测和控制，易产生喷孔事故及低温“滞死”等问题。

(6) 对于车站暗挖，静态破碎基本无法施工，不但效率极低，其施做安全也存在很多的问题。因此，在本工程中不适宜大面积使用静态破碎，工期根本不可能保证，只适合在局部破碎或二次解大块时采用。

2.2 工程工期

本工程需要开挖的石方量高达1.7×106m3，且多个车站需要暗挖的实际情况，要能保证工程工期，传统最好的办法就是采用爆破方法。

露天浅孔爆破即采用小型手持式风动凿岩机进行钻孔，孔深小于5m，实施低台阶爆破。对于本工程，采用露天浅孔爆破存在许多不利因素。首先，从飞石控制角度考虑，根据国家GB6722-2014《爆破安全规程》的规定，复杂地质条件下浅孔爆破飞石控制安全允许距离为300m，深孔爆破飞石安全允许距离为200m，说明浅孔爆破对飞石的控制要差于深孔爆破；采用小孔径浅孔爆破，一次的爆破规模不能过大，总的爆破次数会增多，从管理角度看，发生飞石侵害的概率也有所增加；其次，根据研究知道，对于周边的建筑频繁爆破震动会使结构处于低强度工作状态，结构不会发生倒塌破坏，但对耐久性不利；再次，采用小孔径浅孔爆破，施工噪音、粉尘无法控制，所需施工设备及人员数量多，在狭小的空间作业会造成相关工序的干扰，且容易引发安全事故。综上所述，采用露天浅孔爆破法显然无法满足本工程的安全、进度施工要求。另外，对于暗挖车站，爆破技术及安全控制也较为困难。

2.3 控制开挖施工总体方案

考虑施工安全及工期要求，结合前述分析并结合类似工程实例，综合考虑项目的环境条件和目前现有的技术要求，认为单一的开挖方式不能满足本工程相关要求，必须尽可能吸取传统开挖方法的基础上，选用当前最为先进和最前沿的新技术。

具体开挖施工方法：首先在建(构)筑物基坑四周开挖减振槽，减振槽宽度5～10m，紧靠减振槽及敏感点附近进行静态爆破，对振动控制要求不是太高的采用谨慎控制预裂爆破，基坑中部采用谨慎控制爆破逐孔起爆的方式，爆破器材大部分采用能精确延时的电子雷管。在整个基坑开挖至距基坑底设计标高0.5m左右时，采用人工配合机械开挖，确保建筑物底部岩层的完整性；地铁及环线风井处内支撑部分，采用人工开挖。其中，可以用新型的二氧化碳爆裂技术替代谨慎控制爆破。

3 动静结合控制开挖方法比选分析

3.1 人工配合机械

在车站基坑明挖或暗挖时，距离需要保护的建(构)筑物小于10m,或有特别保护要求时，以及需要开挖至距基坑底设计标高0.5m左右范围，采用人工配合机械开挖，确保建筑物底部岩层的完整性。地铁及环线风井处内支撑部分，采用人工配合机械开挖如图1所示。

图1 人工配合机械开挖

3.2 静态破碎

静态破碎也称“膨胀剂法”或“无声爆破”，其实质是在岩体上钻孔，在钻孔中灌装膨胀剂，依靠膨胀力使岩石产生裂隙或裂缝，从而达到破碎岩石的目的。这种方法的最大优点是不产生爆破声响、爆破飞石、爆破粉尘、爆破震动以及爆破所产生的有毒、有害气体，能确保周围居民房屋和施工安全，故本项目设计采用静态爆破法，它的缺点是投入的施工机械设备多，进度较为缓慢。

静态爆破法主要在以下条件下采用：

(1)在非常临近建(构)筑物或明确不允许和不适宜使用炸药爆破和机械破碎施工的条件又必须破碎岩石石方区段。

(2)不允许和不适宜出现飞石的铁路复线、高压输电线、通讯光缆旁施工、机关学校、公共场所及密集民宅旁的破碎施工。

(3)不允许和不适宜出现强烈震动的破碎施工，如建筑物保留拆除、边坡险情处理、文物抢救保护工程、既有管线周围的地下工程。

(4)不允许和不适宜出现巨大声响和噪声的破碎施工。

(5)城市建筑、大型设备混凝土基础拆除，且须保留部分的岩石和混凝土完整性和结构强度要求不能受到任何损害的破碎拆除。

(6)车站暗挖区段。

(7)欠挖处理及开挖和支护要求同时进行的基坑边坡处理工程。

3.3 谨慎控制爆破

在车站基坑明挖或暗挖时，距离需要保护的建(构)筑物大于50m或经过论证后的安全距离范围以外。

(1)常规城市控制爆破。如果采用控制爆破，从基坑最中心开始，环境许可时可以采用常规城市控制爆破方法。

(2)电子数码雷管精细控制爆破。如果环境较为复杂时，里层部位必须采用电子数码雷管控制方法。

3.4 减振孔和减振槽

如果采取谨慎控制爆破后任然不能满足安全要求，则在需要保护的建(构)筑物以及爆破工点之间施做减振孔和减振槽。

3.5 二氧化碳爆破技术

本方法完全可以替代传统的控制爆破方法，且具有技术本身并非属于爆破施工，不需公安部们审批，爆破振动远远小于传统爆破。爆破施工前，由业主组织第三方对基坑周边50m范围内建(构)筑物进行安全评估，建立评估档案。开挖过程中，由第三方对周边重要建(构)筑物进行动态爆破振动监测，根据监测数据及时调整爆破参数。CO2爆破试验见图2。

4 结论

本文结合现场实际情况，通过查阅文献、理论分析和现场试验验证的方法对广州老城区地铁11号线基坑开挖方法进行了对比分析，并确定了最终的开挖方法，车站开挖宜采取动静结合的控制开挖技术方法。具体为静态爆破、机械破碎与深浅孔谨慎控制爆破相结合的开挖方法，其中谨慎控制爆破辅以在不同区域采用预裂爆破、电子数码雷管、减振孔、减振槽以及防护排架(吸音板)和炮被等减振措施。特别要提出的是，适当采用当前正在推广的二氧化碳爆破技术，可以在很大程度上达到控制爆破的效果。