重庆1号线人防洞扩挖和减振开挖隧道技术
［摘 要］重庆市轨道交通 1 号线小什字车站及区间隧道工程断面变化频繁，部分隧道埋深浅，且存在 1 条与拟建地铁区间隧道走向基本一致的既有人防隧道。针对现场实际情况，分别采用短进尺、弱爆破、分层剥离车站全断面开挖方法、环形减振孔爆破开挖方法、静态破碎开挖方法，最终确保了隧道洞身开挖施工的安全和周围地上建筑物的安全，并取得较好效果。
［关键词］既有人防洞; 扩挖; 减振开挖
1 工程概况
重庆地铁 1 号线(朝天门—沙坪坝段) 小什字车站及区间隧道工程地处渝中半岛，标段起点里程为 K0 + 400，终 点 里 程 为 K2 + 076. 415，1 676. 415m。主要工程项目为小什字车站及朝天门站至小什字站区间隧道、小什字站至较场口站区间隧道。小什字车站起始里程为 YK0 + 617. 694，终点里程为 YK0 + 899. 720，共 282. 026m，车站顶部覆土层 厚 9 ～ 20m。 朝 小 区 间 起 止 里 程 为 YK0 +400. 000—YK0 + 617. 672，共 217. 672m，拱顶埋深 3～ 13m，为浅埋隧道。 小较区间设计起点里程 YK0+ 899. 700，终 点 里 程 YK2 + 076. 415，全长1 176. 715m。小什字车站大里程端 128m 及小什字至较场口区间存在 1 条与拟建地铁区间隧道走向基本一致的既有人防隧道，此人防隧道没有仰拱，且YK0 + 940—YK1 + 620 段已施作二次衬砌，其中 K0+ 940—K1 + 560 为 C20 素 混 凝 土，YK0 + 560—YK0 + 620为钢筋混凝土。本区间隧道以此既有人防隧道为基础进行改造，K0 + 940—K1 + 560 段已施工二衬需全部破除，并按轨道交通限界要求进行扩挖改造。
2 工程难点
1) 地处重庆市中心地带，相邻建 ( 构 ) 筑物多，建筑物的保护工作给现场施工增加了很大难度。
2) 浅埋隧道，施工风险较大。 朝小区间隧道埋深 3 ～ 13m，其中约 110m 隧道埋深在 5m 以下，且断面较大，断面开挖跨度最大为 20. 94m。
3)断面变化频繁，断面多，共 17 种断面形式，开挖过程中断面变化频繁，给开挖施工带来很大难度，同时造成模板台车费用大大增加。
4)利用既有人防洞扩挖、改建，对施工有利有弊。本工程有 1 290m 的隧道是对原有人防洞扩挖、改建，小较区间基本为利用原有人防洞扩挖，为爆破施工提供了临空面。但车站 A 断面为大断面，开挖跨度为 21m，断面高度 17m，因在断面中下部存在原有人防洞，必须增加临时支撑开挖核心土，以确保施工过程安全。
3 主要施工方法
3. 1 环形减振孔爆破开挖方法
3. 1. 1 应用情况
朝小区间 YK0 + 479. 822—YK0 + 617. 672 为三车道隧道，隧道顶板最小厚度仅 3. 5m，开挖跨度为19. 3m，隧道高度 13. 5m，属超浅埋隧道，隧道下穿繁华闹市区，隧道附近建筑物复杂，且受隧道爆破影响较大，必须减小爆破振动对附近建筑物的影响。施工时，采用环形减振孔施工。
3. 1. 2 开挖工艺
1) 工艺原理 通过在拱部周边布设减振孔形成减振隔离带，并利用小导坑超前开挖所创造的爆破临空面达到减振目的，即利用爆破临空面和减振隔离带对爆破冲击波能量的吸收及消耗，使隔离带后面的区域受到的振动减小。同时通过减少断面的装药量，降低爆破对洞顶附近建筑物的扰动。
2) 工艺参数①超前小导坑 的断面尺寸为4. 6m × 4m; ② 减振孔为φ100mm; ③ 每次钻孔深度为 25m;④钻孔直径为 40mm，周边孔间距为 35cm，与减振孔间隔装药，最小抵抗线为 35 ～ 50cm，周边孔装药集中度为 0. 1kg/m，爆破振动速度≤2cm/s。
3) 布孔方法 拱部周边共布设 3 环减振孔，孔间距为 350mm × 350mm，梅花形布设，如图 1 所示。第 1 环沿开挖轮廓线外侧 35cm 布设;第 2 环沿开挖轮廓线布设，在起到减振效果的同时也作为预裂孔，控制开挖成型质量，减振孔间隔布设 1 排φ40mm 周边孔;在开挖轮廓线内侧 35cm 布置第 3 环减振孔，减振孔间布设 2 圈孔。所有减振孔均不装药。
4) 减振孔采用水平钻机钻孔，先开挖工作室，如图 2 所示。工作室较设计开挖轮廓线向外扩挖80cm，沿隧道纵向长度为 3. 5m，开挖后挂网喷射20cm 厚 C25 混凝土，后期施工再用 C30 混凝土回填工作室。
5) 采用毫秒雷管起爆，大型楔形掏槽; 周边孔采用 25mm 小药卷，其他采用 32mm 药卷，周边孔深2. 5m。
3. 1. 3 施工效果
爆破振动速度由普通钻爆施工的 1. 8cm/s 降为1. 2 ～ 1. 4cm / s。开挖进度为 1. 2m / d。
3. 2 短进尺、弱爆破、分层剥离车站全断面开挖
3. 2. 1 应用情况
小什字车站 A 断面开挖跨度为 21m，断面高度17m。该段围岩整体性较好，自稳性较好。 既有洞室形成一个大的掏槽，扩挖时，爆破振动及对周边围岩的扰动较小，施工时，采用短进尺、弱爆破、分层剥离全断面开挖，由内向外环形剥离开挖。开挖步序如图 3 所示，图中数字 1 ～ 4 表示开挖先后顺序。
3. 2. 2 施工控制要点
1) 各步序在同一区段断面内全部开挖、支护完成后再进入下一区段施工。
2)每个开挖区段控制在 1 ～ 1. 5m，即每次开挖进尺控制在 1 ～ 1. 5m。
3)初期支护在各开挖步序开挖完后立即施作。
4)必须在上一开挖步序初期支护完成后才能开始下一循环开挖。
5)一个开挖区段完成后必须立即将初支封闭。
6)严格控制爆破施工装药量，正式爆破施工前必须进行试爆，逐步提高装药量，将装药量调整既达到围岩爆破开挖要求，同时爆破振动速度又满足设计要求时，再采用此爆破参数进行爆破施工。
7)施工过程中做好监控量测工作和信息反馈工作，正确指导施工。
3. 2. 3 施工效果
同步监测记录显示:爆破振动速度控制在 1. 4～ 1. 7cm / s。全断面施工进度为 1. 3m / d。
3. 3 静态破碎开挖方法
3. 3. 1 工艺原理
静态破碎开挖是利用装在岩石钻孔中的静态破碎剂加水发生水化反应，使破碎剂晶体变形，产生体积膨胀，可膨胀至原体积的 2 ～ 3 倍，从而将膨胀压力施加给孔壁，经过一段时间后达到最大值，将岩石胀裂破碎进行开挖的 1 种施工方法。静态破碎剂的主要成分是生石灰，还含有一些按一定比例掺入的化合物催化剂。静态破碎剂的反应时间可以通过在静态破碎剂内添加抑制剂来控制，可控制在 10min～ 10h，本工程的反应时间控制在 40min。施工时要求同一批胀裂孔的装药时间控制在 5 ～ 10min 内完成，以利于多孔同时作用，达到最佳破碎效果。
3. 3. 2 应用范围
朝小区间 K0 + 504—K0 + 570 隧道顶板岩石厚度为 3. 5 ～ 6m，属超浅埋隧道，围岩基本为砂岩及砂质泥岩，但总体情况趋于变差，拱部局部出现破碎带，局部伴有少量渗水现象，采用钻爆法开挖对围岩扰动大，易造成围岩失稳，引发地表下沉或坍塌事故，安全风险大。
3. 3. 3 施工工艺
3. 3. 3. 1 环槽开挖
环槽厚度为 0. 5m，采用 CAT320 挖机配液压破碎锤，破碎锤型号为GT190钻杆φ140mm，长1. 3m，每次进尺 1. 3m。
3. 3. 3. 2 静态破碎施工
1) 施工准备 首先确定施工环境温度、药剂温度、拌合水温度、岩石温度、容器温度是否与设计要求相符，检查药剂包装是否破损。
2) 设计布孔 布孔在完成环形开挖后进行，因而临空面较多，为静态破碎提拱条件，钻孔方向与隧道轴线平行，同一排钻孔应保持在同一平面。
孔距布置与岩石硬度有直接关系，硬度越大孔距与排距越小，本区间围岩主要有 2 种:砂岩及砂质泥岩，属Ⅳ级围岩，根据以往经验及药剂技术参数，其孔间距如下:①砂岩 孔间距 30cm × 30cm，梅花形布置，孔深 1. 3m，孔径 42mm，药剂使用量 20kg/m3。②砂质泥岩 孔间距 40cm × 40cm，梅花形布置，孔深 1. 3m，孔径 42mm，药剂使用量 15kg/m3。
考虑到区间 2 种围岩情况，单位平均药剂使用量按 18kg/m3计。
3)钻孔 钻孔直径与破碎效力有直接关系，钻孔过小，不利于药剂充分发挥效力，钻孔太大，易冲孔。因此，采用 YT28 风钻钻孔，钻头大小为 42mm。钻孔内余水和余渣应用高压风吹洗干净，孔口旁应保持干净无石渣。
4)钻孔深度及装药深度 结合机械开挖及现场实际情况，钻孔深度宜为 1. 3m，装药深度为孔深的 100% 。
5) 装药 本爆破设计采用水平钻孔，用比钻孔直径略小的高强长纤维纸袋装入药剂，按 1 个操作循环所需药卷数量，放在盆中，倒入洁净水将药卷完全浸泡，30 ～ 50s 药卷充分湿润、完全不冒气泡时，取出药卷从孔底开始逐条装入并捅紧，密实地装填到孔口。即“集中浸泡，充分浸透，逐条装入，分别捣实”。岩石刚开裂后，可向裂缝中加水，支持药剂持续反应，可获得更好的效力。
每次装填药剂都应观察确定岩石、药剂、拌合水的温度是否符合要求。灌装过程中，已经开始发生化学反应的药剂(表现开始冒气和温度快速上升)不允许装入孔内。从药剂加入拌合水到灌装结束，不得超过 5min。
6)药剂反应时间控制 药剂反应的快慢与温度有直接关系，温度越高，反应越快，反之则慢。实际操作中，控制药剂反应时间太快的方法有 2 种:①在拌合水中加入抑制剂;②严格控制拌合水、干粉药剂和岩石温度。夏季气温较高，应存放在低温处，拌合水应尽可能用温度较低的洁净水。
3. 3. 3. 3 挖掘机破除静态破碎后岩体
由于静态破碎仅是将掌子面核心部分岩体形成裂缝，还需再次采取机械破碎的方法将相互咬合的岩体分离破碎以便于出渣，采用 CAT320 型挖机配液压破碎锤实施。
3. 3. 4 施工效果
采用静态破碎开挖方法，洞身开挖成型效果良好，超欠挖控制在 3cm 以内(超欠挖由钻孔偏差造成)。消除了爆破开挖造成的振动，避免了围岩扰动，但施工进度较慢，开挖面积 178m2的隧道平均全断面进尺为 0. 6m/d。
4 结语
利用既有人防隧道改、扩建为地铁隧道的开挖方法和减振开挖技术在重庆市地铁 1 号线小什字车站及区间隧道中的应用，确保了隧道洞身开挖施工和周围地上建(构)筑物的安全，取得较好效果。
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