暗挖岩石地质地铁车站非爆破开挖设备选型

暗挖岩石地质地铁车站非爆破开挖设备选型

贺海涛

广安前锋交投龙辰工程建设有限责任公司 四川省广安市 638000

【摘要】针对在城市复杂环境条件下施工暗挖地铁车站,当遇到石质地层时,又无法采用爆破方式进行开挖施工,如何通过非爆破开挖确保施工安全及质量,并加快施工进度，本文主要对几种非爆破开挖方法等进行比选及优缺点分析,为今后类似施工提供参考。

【关键词】地铁车站；暗挖；岩石地层；非爆破开挖；机械设备

引言

随着我国国民经济的发展和城市化进程的加快，城市人口急剧增加,交通堵塞现象尤为严重，发展城市轨道交通已成为解决该问题的主要方法。然而城市轨道交通线路多穿梭于人口建筑较为密集的地区，这就必然产生部分地铁车站、出入口、通风竖井等地面建筑物施工场地窄小与既有建筑物距离较短、地下管路多等问题，较多地铁选用暗挖法施工，如何在岩石地层保证安全及质量的前提下高效完成施工任务，并确保周围建筑物的安全及有效控制建筑物基础、地下管路沉降变形等问题就显得尤为重要。采用非爆破开挖就是其中的解决方式之一，而岩石地层非爆破开挖与爆破开挖效率相差甚大，所以开挖机械设备的选用就显得尤为重要。

1几种常用岩石非爆破开挖方法简介

目前，非爆破开挖隧道技术主要有以下几种全断面掘进机法(TBM)、悬臂掘进法、劈裂法、静态破碎法等。

⑴全断面掘进机法(TBM)

采用全断面掘进机，实现掘进、支护、出渣等施工工序并行连续作业，是机、电、液、光、气等系统集成的工厂化流水线隧道施工装备，具有掘进速度快、利于环保、综合效益高等优点，可实现传统钻爆法难以实现的复杂地理地貌深埋长隧洞的施工。

⑵悬臂掘进法

悬臂掘进法，可用于任何断面形状的隧道，掘进速度受掘进机利用率影响很大，在最优条件下利用率可达60%左右，但若岩石需要支护或其它辅助工作跟不上时，其利用率更低，连续开挖、无爆破震动、能更自由地决定支护岩石的适当时机;可减少超挖;可节省岩石支护和衬砌的费用，在隧道中有较大的灵活性，能用于任何支护类型。

⑶劈裂法

劈裂法是在静态液压环境下可控性的工作，不会像爆破和其他冲击性拆除、凿岩设备那样，产生一些危险隐患，无需采取复杂的安全措施，不会产生震动、冲击、噪音、粉尘飞屑等，周围环境不会受到影响，可以做到无干扰地进行工作，可以连续无间断地工作，效率高，运行及维护保养成本很低。

⑷静态破碎法

静态破碎法的破碎原理是将膨胀剂放入爆孔内，利用产生的膨胀力，缓慢地作用于孔壁，经过数小时至24小时达到300-500MPa的压力，使介质裂开，安全可靠，没有爆破产生的公害，效率低，开裂时间长。

2几种常用施工方法的初步经济比选

2.1工程概况

以蒙华铁路余家坪车站为例，车站全长696m，由主体结构和配线组成，主体结构长为271m，配线长425m，标准段宽为26.15m。车站主体、配线采用暗挖法施工，车站主体拱顶埋深为19.9m，配线段拱顶埋深为21.9～26.86m，因周边建筑物密集，且有学校等敏感建筑，拟采用静态破碎法开挖。

2.2几种常用非爆破开挖方法的经济比选

以该车站岩层开挖横通道、小导洞（开挖面积约20m²,开挖进尺均按1m考虑）为例，我们做了几种常用非爆破开挖方法（静态破碎<膨胀剂>、劈裂机、悬臂掘进机、BROKK机器人）的初步调研和经济指标测算，其对比情况见下表：

表1 非爆破开挖方法对比表

注：表中测算成本单价均以湖南地区人工、材料等的概算定额测算的。

从上表中可看出，静态破碎（膨胀剂）与劈裂机开挖成本相对较低，而静态破碎需要钻孔装膨胀剂，等待膨胀剂发生作用后才能产生开挖效果，同时还与孔眼的密封效果有关，效率很低，所以成本也较高，现在基本淘汰了此种开挖方法。而悬臂掘进机、BROKK机器人开挖效率虽然有较大提高，但因前期购置一次性投入较大，计入设备摊销费用后，成本明显高于另两种开挖方式。可考虑几种开挖方式配合使用。

2.3悬臂掘进机和BROKK机器人初步应用结论

结合现场实际施工情况，通过对悬臂掘进机和BROKK机器人的调研，对非爆破开挖设备选型进行组合使用进行优化。

2.3.1悬臂掘进机的使用分析

针对余家坪车站的施工特点及工法，通过前期的调研，对悬臂掘进机的使用提出以下建议：

⑴每台EBZ260悬臂掘进机工作面需安装1台矿用630kVA10/1.140kV变压器；

⑵余家坪的车站主体及配线段石方开挖拟采用劈裂开挖为主、悬臂掘进机为辅进行施工，悬臂掘进机采用租赁的方式，且仅限于台阶法施工的配线段及侧洞法施工的最下层导洞施工；

⑶建议采用工作量法的方式租赁，进行石方开挖；

⑷掘进机工作时，掌子面会产生大量粉尘，建议在掌子面安装矿用湿式除尘风机（功率与掘进机二运功率相匹配）进行抽风、水过滤除尘。

2.3.2 BROKK机器人的使用分析

从余家坪车站竖井前期测试的效果来看，BROKK机器人开挖效率较低，主要原因为机器人兼有破碎岩层和装渣土的功能，但开挖过程中需频繁换挖斗与破碎锤，严重影响工作效率。因以上竖井主要为泥质砂岩，遇水软化为泥浆，在测试过程中还发生了机器人陷入淤泥中不能正常工作的情况，只有停下来等淤泥沉淀抽水后才恢复工作。综上所述，得出以下建议：

⑴BROKK机器人性价比差，投资较大；不宜投入较多，且需劈裂开挖配合；

⑵工作方式单一，主要以危险区域破碎作业为主，适应性不强；

⑶此设备为国外生产，维修保养费用相当高（2个月开挖方量为28.4×22=624.8m³,维修费用达110757元，成本增加177.3元/m³），为保证施工正常进行，需由专业司机操作并配备专业维保人员，现场准备足够的易损配件；

⑷因机器人配备的为高频破碎锤且自重较大，其向下破碎作业效果稍好，但向前作业尚待检验，一旦开挖工法变化时将很被动，巨额的投资对公司不良影响较大；向前作业效果还需进一步验证；

⑸现场通过与挖掘机+破碎锤的对比发现，BROKK机器人在横通道破碎效率比挖掘机略快一点，但是破碎每方的费用比挖掘机多，如果再用机器人装渣的话频繁换挖斗与破碎锤又严重影响效率，那就需要再配置一台PC30的挖掘机配合出渣，费用就会大大增加。

3 结论及下步打算

目前余家坪车站几种非爆破开挖方式均进行了试验，但均未达到理想的开挖效率，下一步将引进高频破碎锤、大功率的BROKK机器人、液压岩石锯等进行试验，并考虑多种开挖方式联合使用，达到提高效率，降低成本的目的。

【参考文献】

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