近接穿越引水隧洞中硬岩层机械劈裂开挖施工技术 .pdfVIP

近接穿越引水隧洞中硬岩层机械劈裂开挖施

工技术

作者：荆哲冀玉豪张阳阳张文博李文杰

来源：《西部交通科技》2023年第08期

摘要：为解决中硬岩层地质条件下近接穿越问题，文章以深圳市石岩北清水隧洞为例，选

取隧洞与地铁6号线交叉段为研究对象，将数值模拟与工程试验相结合，针对钻爆法与静态機

械劈裂法的应力、位移以及振动速度进行对比计算分析。结果表明：钻爆法的应力、位移均大

于静态机械劈裂法，并且振动速度不符合规范要求；静态机械劈裂法破岩能有效降低施工中的

振动扰动，保障施工质量与安全，是一种安全、快速高效的非爆破破岩技术。

关键词：近接穿越；引水隧洞；中硬岩；机械劈裂；有限元分析

中图分类号：U455.4A260824

引言0

随着我国地下建设项目大量进行，越来越多城市地下工程需要穿越坚硬岩石地层，在开挖

过程中，需考虑错综复杂的地下管线和地上建筑物。常规钻爆法开挖掘进时，爆炸振动会对地

下结构和地上建筑物产生较大影响［1-2］，并且还存在安全风险和环保问题。为了解决上述

问题，可采用静态机械劈裂法代替爆破。该方法是利用岩石抗拉强度低的特性，从岩石内部破

碎岩石，具有良好的可控性和环保性，在坚硬岩石中作用效果尤为显著［3-6］，被认为是最

有发展前景的非爆破方法之一。国内于20世纪80年代开始机械劈裂法研究，现已在各个工程

领域取得广泛应用。童峥嵘［7］以江门市南山路隧道为例，为了避免爆破施工对周边临近构

筑物产生不良影响，采用了劈裂法进行开挖，取得了良好成效。李永彪［8］等根据滇池外海

北部水体置换通道改造工程的实际施工情况，研究了针对复杂环境下的非爆破施工技术，选择

了静态破碎法和劈裂法作为非爆破破岩方法进行施工。张振等［9］根据深圳市地铁2号线东

沿线土建工程安托山站-侨香站区间的具体情况，使用静态破碎技术，完成了在中风化花岗岩

层中的无振动施工。以上工程项目均取得了不错的预期效果，但针对近接穿越静态劈裂法的模

拟以及施工技术研究较少。

本文依托中交二公局四公司承建的深圳市石岩北清水隧洞工程项目，运用有限元软件进行

三维建模，针对爆破和机械劈裂两种工况进行力学分析，比较其应力、位移，将数值模拟的爆

破振动速度与规范要求和理论公式进行对比，研究静态机械劈裂技术并论证其应用于近接穿越

地铁隧道工程项目的可行性。

工程1概况

深圳市石岩北清水隧洞位于石岩外环路北侧，隧洞暗洞起点位于石岩外环路与坑尾大道交

叉口，出口位于龙潭古隧洞西口北侧。隧洞长为728.957m，整体走向沿外环路。隧洞结构形

式为圆拱直墙式，直墙高度为1.75m，拱部半径为1.25m，轮廓面积为6.83m2。隧洞洞身岩性

以微风化花岗岩为主，为坚硬岩，隧洞围岩等级为Ⅲ级，洞顶覆土5～56m，洞身范围无不良

地质。该工程隧洞南侧有龙潭古隧道并需上穿地铁6号线，施工中需满足爆破安全振动速度要

求。鉴于上述情况，为了满足自然因素及环境特点，同时考虑最不利情况，选取清水隧洞与地

铁6号线相交断面（图1所示）进行研究，运用有限元软件计算，探究近接穿越工程合理施工

方法，将数值模拟结果与监测数据进行比较，证明静态机械劈裂在中硬岩近接穿越工程项目中

的安全性。

有限元计算模型2

计算参数2.1

（1）岩石土体参数。根据地质勘察报告现场试验可知，围岩计算参数如表1所示。

（2）（2）爆破动力参数。本工程爆破段采用2#岩石乳化炸药，密度为1.25g/cm，最大

爆破速度为5000m/s，钻孔直径为42mm，钻孔深度为2m，单段最大装药量为1.5kg，装药长

度为1.6m。动力分析时应先进行特征值分析，由软件计算出对应的特征值［10-11］为：

T1=0.02642；T2=0.01147。爆破荷载峰值为10.12GPa，过程时间为0.05s。

（3）静态机械劈裂参数。通过大量现场试验和数值模拟结果给出Ⅲ级围岩条件下［12-

13］静态机械劈裂法的主要施工技术参数取值范围：钻孔间距a为0.4～0.8m，抵抗线w为

0.6～0.8m，劈裂力P为150MPa。

模型的建立以及边界条件2.2

模型选取清水隧洞与地铁6号线相交断面处，因两种方法对于隧道开挖方向的影响很小，

且主要分析对下方地铁的影响，因此，设定主隧道方向为Y轴方向，竖直向上为Z方向，取

2m为钻孔布置深度，下方为地铁隧道，开挖隧洞与其顶部垂直距离为5.21m。