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，進行相關課題的研究顯得尤為重要。張悅[1]模擬三臺階法和雙側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計方案與施工技術進行研究。熊華濤[4]確定了下穿明長城段地表最大沉降不應超過30 mm、位移速率不應大于5 mm/d、局部傾斜應小于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，對新建隧道掘進下穿明長城古遺址段施工技術展開研究，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，以土板構筑城墻，而在山上就以石壘砌。根據(jù)神池縣文物局《關于呼北高速公路神池段建設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要點

3.1 “水磨鉆+靜態(tài)爆破”施工技術流程

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現(xiàn)狀、質量控制標準、工期要求及神池縣文物局下發(fā)的《關于呼北高速公路神池段建設工程中加強長城保護工作的通知》要求，并結合項目所在地機械設備租賃實際，采用Φ160 mm 水磨鉆、靜爆劑，具體設備及器材配置見表1。

表1 機械設備及器材配置表

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)隧道洞內控制導線精確測設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 搭設簡易臺架

搭設臺架鋼管應采用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，臺架的搭設要根據(jù)設計要求，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，同時滿足工程質量及工期要求，靜態(tài)爆破孔梅花布設，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，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長度的套管。

3.8 靜爆劑反應時間的控制

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

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，及時修正相關參數(shù)，改善技術經(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。雖然設置臨空面增加了水磨鉆取芯的時間，但單位體積范圍內掘進效率有顯著提高。通過對施工工藝各關鍵工序所需作業(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”施工工藝的成功應用，確保了明長城的安全，得到了文物保護部門及建設單位的肯定，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。

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。