0 引言

　　由于城市的高速发展，基坑周边环境复杂程度大幅提升，各类建(构)筑物之间相互影响程度逐渐加大，不少岩质基坑由于临近重要的建(构)筑物或处于敏感区等原因，无法采用爆破法进行岩层开挖，而常用的传统机械破除方法又难以处理大深度的岩层开挖。在这种情况下，武汉大东湖深隧工程从实际出发，针对高入岩比超深基坑非爆破开挖方法进行了专项研究，提出一套超深岩质基坑引孔式非爆破开挖施工方法，取得良好的效果。

　　1 工程概况

　　大东湖深隧工程5号竖井基坑截面净尺寸为15.4m×11m，基坑深51.5m，基坑支护结构采用钻孔灌注桩+钢筋混凝土环框梁形式，钻孔灌注桩设计为1.5m@1.7m，环框梁间距为4～4.5m，共12道，包含1道临时支撑。

　　基坑深度范围上部20m主要地层为杂填土和粉质黏土，下部31.5m主要地层为强风化、中风化泥质细粉砂岩、强风化砾岩，入岩比率高达61%。岩层最大强度达30MPa，竖井基坑纵断面如图1所示。

　　2 工程难点分析

　　工程5号竖井一侧紧邻武鄂高速桥墩，最小净距仅7.68m(见图2)，基坑影响范围内建(构)筑物众多，同时入岩比率高，岩层深度达31.5m，若进行爆破施工可能会对已运行的武鄂高速桥墩造成不利影响，无法取得武鄂高速权属单位的许可。而传统的机械破除方法岩层施工效率低下，仅基坑开挖时间预计需6个月以上，无法满足工期要求。

　　3 引孔式非爆破开挖技术

　　3.1 主要原理

　　对于岩质基坑，非爆破开挖技术的核心是如何松动岩层，降低岩体完整性以创造开挖临空面，从而提高凿岩炮机施工工效^[1]。本技术在基坑开挖前，依据地层情况、基坑尺寸并结合Midas-GTS有限元分析结果进行引孔孔位设计，然后采用大功率旋挖钻机引孔施工以达到破碎岩层整体性、减小后续机械破除难度的作用。主要施工流程如图3所示。

　　图1 竖井基坑地质断面 

　　图2 基坑位置关系 

　　3.2 主要施工流程

　　1)有限元分析

　　模拟引孔施工对基坑开挖的影响。采用大型岩土类有限元分析软件Midas-GTS，选取水平地表为xy平面，z轴铅直向上，x,y和z轴构成右手坐标系，计算模型尺寸为50m×67.6m×149m。依据规范，支护结构C30混凝土弹性模量E=30GPa，泊松比μ=0.2、重度γ=25k N/m³，回填中粗砂，其重度γ=17k N/m³，分析中采用的计算参数主要根据设计图纸文件、初勘报告、相关设计规范选取。

　　模型中采用实体单元模拟弹塑性土体，从上到下用梁单元模拟环框梁结构，用板单元模拟环向分布桩支护结构，桩基1.5m@1.7m，按刚度等效原则简化为1.206m厚地下连续墙进行计算。考虑模型的复杂性，模型使用以六面体为主的混合网格划分，岩土体的弹塑性采用经典的Mohr-Coulomb本构模型。为精确模拟引孔及竖井开挖体邻近围岩力学行为，该部分实体单元尺寸取0.2m，同时为控制模型求解规模，边界部位岩土体实体单元尺寸控制在3m范围内。

　　图3 施工流程  

　　本次建模计算通过对整个开挖过程的具体工况进行计算来判断引孔开挖的安全性。所进行计算工况如图4所示。

　　图4 有限元分析计算工况  

　　利用Midas-GTS进行有限元分析计算结果如表1所示。本次模拟利用引孔式非爆破开挖方法，施工过程中，桩基最大水平侧移6.7mm，位于基坑长边中部桩，距该桩顶下20.838m处，满足基坑支护结构水平变形控制标准要求;单桩的最大弯矩及剪力均满足要求;环框梁最大轴力、剪力及弯矩均满足要求。塑性区主要分布于矩形竖井边缘松动区并呈片状，由于支护结构的阻挡，未形成连通的破坏滑面;开挖施工全过程中，引孔回填中粗砂都存在一定的塑性变形分布，但由于原周围土体的约束，都未出现连通的塑性区滑面;竖井开挖过程安全可靠。

　　表1 建模分析计算结果 

　　表1 建模分析计算结果

　　2)引孔孔位确定

　　根据有限元分析结果并结合地层情况及基坑尺寸布设旋挖孔位，5号竖井基坑内布设引孔孔位12个，引孔直径1.2m，深度为51.7m，超出底板标高20cm，为之后开挖阶段提供工作面，减小开挖难度。孔位在基坑内呈现梅花形布置，使得引孔效果最优化，避免引孔数量过多造成土体扰动或数量过少导致引孔对开挖施工无明显作用。引孔孔位分布如图5所示。

　　图5 旋挖钻引孔点位分布  

　　3)引孔施工及回填

　　引孔施工采用大功率旋挖钻机进行作业，每引孔完成一个便立即验收，验收合格后及时采用中粗砂对孔位进行回填。每个引孔的土石方量需进行计算并统计回填土方量，确保回填密实。每个孔位回填完成后需做好标记，引孔处铺设防坠安全网，避免孔位回填不密实造成人员陷落，安全网网目不低于800目/100cm²。

　　4)土层开挖

　　土层开挖可采用普通挖掘机，开挖过程中需注意做好基坑及周边环境的监测工作。

　　5)岩层开挖

　　开挖至岩层后，采用挖掘机+凿岩炮机+人工配合风镐进行岩层破除。凿岩炮机施工时，从中间孔位的孔身位置作为起始点，向四周扩散进行破碎，为后续挖机开挖创造临空面，减小开挖难度。风镐主要对基坑边角部位进行修整，以保证边线的平顺，避免局部欠挖^[2]。在基坑开挖施工中，每向下开挖一层时，应及时在引孔处铺设防坠安全网。

　　因每层高度较高，此阶段可采用分层开挖，如图6所示，每大层中亦可分小层呈阶梯式开挖，方便渣土转运。

　　图6 岩层阶梯式开挖  

　　4 效果分析

　　4.1 工期分析

　　5号竖井开挖过程中，使用引孔式非爆破开挖方法，竖井自2019年4月15日旋挖钻机进场开始引孔施工，于2019年4月29日结束引孔施工，在2019年4月30日开始进行基坑开挖并于2019年8月29日结束开挖，工期共计137d。

　　而仅靠传统机械进行破除开挖，环框梁施工及土层开挖时间保持不变，岩层开挖时间将大幅增加，预计总工期为185d。工期分析如表2所示。

　　综上分析，采用引孔式非爆破开挖技术，相较于传统非爆破开挖，节省工期48d以上，工期效益明显。

　　4.2 经济分析

　　相比引孔式非爆破开挖，使用传统机械进行破除开挖虽然使用设备少，但由于设备工作台班更长，导致成本明显变高。综合分析，引孔式非爆破开挖经济性更好。

　　表2 工期分析 

　　注:5号竖井共13层土方，第1～5层为土层，第6～13层为岩层

　　表2 工期分析

　　5 结语

　　从本工程实际施工效果来看，对于地处敏感区或临近重要建(构)筑物的岩石质基坑开挖施工，采用引孔式非爆破开挖方法相比传统机械非爆破开挖方法，具有良好的工期和经济效益，本工程所采用的相关理论分析、施工工艺和相关措施，可供类似工程参考。