时尚天河

建筑技术应用2021年9月第18卷总第404期

UrbanismandArchitecture129

小断面隧道非爆破开挖技术及应用

周阳宗1，杨旺兴1，李加加1，刘涛影2，张朝阳2

（1.中铁十六局集团北京轨道交通工程建设有限公司，北京 101100；2.中南大学资源与安全工程学院，湖南长沙 410083）

摘要：处于复杂城市环境地铁车站施工往往采用非爆破开挖方式，针对竖井横通道等小断面隧道非爆破开挖问题，本文综合分

析了现有非爆破开挖技术的优缺点，并在此基础上提出了“水钻+静态破碎剂”混合开挖技术。通过水钻开凿临空面消除了小断

面隧道围岩夹制作用，提高了对掌子面形态的控制能力，使用静态破碎剂实现了安全、低扰动开采，通过使用多钻头钻孔设备

以及合理安排施工工序，提高了施工工效，研究成果为类似工程积累了经验。

关键词：小断面；非爆破；水钻；静态破碎剂

［中图分类号］TU94    ［文献标识码］A    DOI：10.19892/.2021.27.34

Non-BlastingExcavationTechnologyandItsApplicationinSmallCross-SectionTunnel

ZhouYangzong1,YangWangxing1,LiJiajia1,LiuTaoying2,ZhangChaoyang2

( Railway 16 Bureau Group Beijing Metro Engineering Construction Co., Ltd., Beijing 101100, China;  

 of Resources and Safety Engineering, Central South University, Changsha Hunan 410083, China)

Abstract:The construction of subway stations in complex urban environments often adopts non-blasting excavation  methods. Aiming at 

the problem of non-blasting excavation of small cross-ction tunnels such as cross-pas小项目创业 sages, bad on a comprehensive analysis of the 

advantages and disadvantages of the existing non-blasting excavation technologies, this paper propos a “自制汤圆的做法 rhinestone + static crushing 

agent” hybrid excavation technology. The u of water drills to excavate the empty face eliminates the clamping of the surrounding rock in 

the small-ction tunnel, improves the control of the face shape, and us the static crushing agent to achieve safe and low-disturbance 

excavation. Through the u of  multi-bit drilling equipment and reasonable arrangement of construction procedures, construction efficiency 

has been improved, and the rearch results have accumulated experience for similar projects.

Keywords:small cross-ction; non-blasting; rhinestone城市宣传海报 ; static crushing agent 

1概述

城市地铁车站施工过程中，当车站临近既有建（构）

筑物时，其施工方式往往受到周围环境的限制，传统钻爆

法虽然具有经济、高效的特点[1]，但是强烈的爆破震动使

得其在城市建设中的适用性降低，研究非爆破开挖技术将

更适合于复杂环境下的工程施工。广州地铁十号线天河路

站采用暗挖施工，受周围环境限制施工过程中禁止使用炸

药爆破，这导致横通道施工工效较低，针对该问题本研究

提出了小断面隧道非爆破开挖技术，旨在提高横通道施工

工效，并为以后类似工程提供参考。

2工程概况

天河路站为地下两层岛式车站，起终点里程为

YDK6+895.370~YDK7+147.070，采用拱盖法大断面暗

挖施工，其站位关系如图1所示。车站施工共设3个施

工横通道，1#蒜泥茄子的做法 横通道位于站体西北侧，净宽7.5~8.4  m，

拱顶埋深12.6~21.2  m，与A出入口及1#风亭组合

建。2#横通道位于站体东侧，净宽约6.9  m，拱顶埋深

14.6~22.6  m，与紧急疏散通道结合设置，3#横通道位于

站体中部，净宽6.9~9.3  m，拱顶深14.4~20.3  m，与B出

入口结合设置。车站周边环境复杂，建（构）筑物众多（见

表1），复杂的空间位置关系导致横通道施工过程必须降

低对周边环境的扰动，因此横通道无法采用传统的炸药

爆破方式开挖。

3地质条件

根据地质详勘调查报告显示，横通道施工范围地层自

上而下依次为填土层、黏土层、残积土层、强风化砾岩层、

强风化泥质粉砂岩层、中风化泥质粉砂岩层、中风化砾岩

层、微风化砾岩层以及微风化泥质粉砂岩层。横通道隧道

洞身穿越地层主要为中风化砾岩、微风化砾岩和微风化泥

质粉砂岩，其物理力学参数见表2。场地范围内的地表水

系不发育，地下水按赋存方式分为第四系孔隙水和层状基

岩风化裂隙水，层状基岩风化裂隙水主要赋存于岩体的

强、中风化带中。

4非爆破开挖方法比选

4.1现有非爆破开挖方法

近年来，随着安全、高效、环保、节能等市政建设理

念的提出，非爆破开挖方式在城市隧道建设中的应用越来

越广，目前常采用的非爆破开挖方法包括悬臂掘进机法、

液压劈裂法、静态破碎剂法以及水磨钻掘进法。

基金项目：国家自然科学基金（52004327）。

作者简介：周阳宗（1977-），男，博士，教授级高级工程师。研究方向：城市地下工程施工管理。

通讯作者：刘涛影（1986-），男，博士，副教授。研究方向：岩石力学与城市地下工程开挖。邮箱：*****************。

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4.1.1悬臂掘进机法

悬臂掘进机主要通过使用硬质合金钻头切削岩面，从

而达到破岩目的。其机械化程度高，集切削、装渣、转运及

自行等功能于一身[2]，施工时可节省大量人力，施工效率

高，掌子面形状规整，因此在长距离隧道开挖过程中使用

越来越多。然而由于掘进机设备昂贵，硬岩地层钻头磨损

严重，施工能耗大等，在短距离隧道掘进方面经济性较差。

此外，掘进机施工过程会产生大量噪声、粉尘，对施工环

境影响较大[3]。

4.1.2液压劈裂法

液压劈裂法先在掌子面打孔，然后利用岩石抗拉强度

远小于抗压强度的特性，通过液压系统将端部楔块组件放

大，从而对岩壁施加劈裂力[4]。液压劈裂无震动、无冲击，

施工环境相对较好，且劈裂棒可重复使用，因此施工成本

较低。但是由于每次循环放置劈裂棒的数量有限，单个掌

子面需要多次循环才能完成开挖，施工效率较低。整个施

工过程均需要人工操作，工人劳动强度大，脆性岩石劈裂

容易产生飞石、落石，存在较大的安全问题。

4.1.3静态破碎剂法

静态破碎名富 剂法根据氧化钙与水反应转化成氢氧化钙

时体积会发生膨胀这一特性，在钻孔内加入水，拌和后的

破碎剂对孔壁产生膨胀压力[5]，该方式开挖过程具有无飞

石、无噪声、无震动、无粉尘等多个特点，但是药剂受环境

影响较大，药剂反应时间较长，且作为消耗品，开挖过程

需要使用大量药剂。

4.1.4水磨钻掘进法

水磨钻掘进法则是利用水磨钻，沿隧道轮廓切削出岩

芯形成临空面，然后在掌子面中间钻孔并使用风镐楔子挤

压岩石，岩石在竖向拉应力及水平方向剪切力作用下发生

破裂[6]，该方法事先开凿出临空面，能够有效避免小断面

隧道围岩夹制作用，但水磨钻施工效率较低，成本较高。

各种非爆破开挖方法综合性能对比见表3。

4.2非爆破开挖技术方案

通过对现有非爆破开挖技术优劣性分析，并结合工程

地质情况、施工要求，决定对现有技术进行改进，将不同

开挖方式结合起来施工横通道。考虑到横通道断面小，围

岩夹制作用强，采用水钻法开凿临空面，改善岩石破碎效

果。掌子面则通过液压劈裂法或者静态破碎剂法进行破

碎。经过前期现场试验发现，液压劈裂法施工过程中容易

发生飞石、坠石素丸子的家常做法 等危险事故，每循环破碎两个劈裂面，用

表1 横通道施工影响范围重要建（构）筑物统计表

序号建 （构）筑物名称与横通道位置关系

1天河体育中心距1#横通道北边18.21  m，局部位于2#通道正上方

2体育西路站距1#横通道边约4.45  m

3APM体育中心南站距3#横通道约10.94  m，距2#横通道约12.15  m

4APM体育中心南站—天河南站区间隧道距3#横通道边约10.39  m，距2#横通道约18.4  m

5三号线支线隧道距离1#横通道边约20.13  m

6天河路位于三个横通道正上方

7时尚天河地下商城2#横通道拱顶距地下室底板10.69  m

表2 横通道穿越地层物理力学参数表

岩性抗压强度/MPa弹性模量/MPa完整性指数RQD/%岩体基本质量等级分类

中风化砾岩31.263 0000.47625~60Ⅳ级

微风化砾岩38.768 0000.70845~85Ⅳ~Ⅲ级

微风化泥质粉砂岩25.695 0000.70365~90Ⅳ级（局部Ⅲ级）

图1 横通道位置示意图（图片来源：作者自绘）

时尚天河地下商城

体育西路站

天河体育中心

APM体育

中心南站

APM

区间隧道

APM体育中心

出入口

A出入口

B出入口

C出入口

天环广场年终总结自我评价

天河路

天河城

3#竖井

内边尺寸

11 m7.8 m

2#竖井

内边尺寸

10 m10 m

1#竖井

内边尺寸10 m10 m

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表3 不同非爆破开挖方法综合性能对比

施工方法经济性安全性粉尘噪声震动机械化程度工效掌子面形态

悬臂掘进机法低高多大大高高好

液压劈裂法高低少一般一般一般一般一般

静态破碎剂法中一般少小小一般一般一般

水磨钻掘进法较低一般少一般一般一般一般较好

时约2 h，单个掌子面开挖效率较低，因此改用静态破碎剂

对掌子面进行静态破碎。

具体施工方案如下：

（1）采用水磨钻沿掌子面轮廓进行取芯开凿临空面，在

掌子面中间椭圆形布置水钻钻孔如图2所示。临空面的布

设需要结合地层性质，如1#横通道掌子面上部为微风化砾

岩，下部为微风化泥质粉砂岩，泥质粉砂岩静态破碎效果较

好，因此可适当减少水钻孔数，提升施工工效，如图3所示

取消掌子面底部水钻钻孔，同时将掌子面中部椭圆形临空

面改为竖直临空面，且中部临空面仅在微风化砾岩层布设。

（2）利用凿岩机在掌子面布设静爆孔，本工程选用的

静态破碎剂在装药4 h后才会发生明显反应，因此装药结

束后可进行上循环立架、挂网、喷锚施工，有效缩短施工

时间，待静爆完成后采用挖机将剩余石方挖除。

5非爆破开挖工艺

5.1水钻取芯

沿横通道掌子面轮廓线用160  mm水磨钻逐孔钻

孔，相邻两孔咬合2~3 cm，每循环钻孔深度70~100 cm，取

出临空面。水钻开凿临空面过程中，采用ZDSZ-160型全

表4 静态破碎剂性能参数表

型号膨胀力/MPa作用时间/h水灰比反应温度/℃单耗/kg•m-3

HSCA55~906~81

:

0.2430523.3

图2 掌子面炮孔布置图一（单

位：mm）（图片来源：作者自绘）

图3 掌子面炮孔布置图二

（图片来源：作者自绘）

水钴钻孔

500

1

6

0

4

2

5

0

0

微风化砾岩层

微风化泥质粉砂岩层

图4  ZDSZ-160型全自动工程水钻（图片来源：作者自摄）

自动工程水钻（见图4），可实现两个钻头同时钻进，明显

提高了施工效率。

5.2静态爆破法

由于静态膨胀剂的膨胀效果受温度影响明显，因此需

要确定选用药剂型号与当地气温、岩石温度相匹配，同时

药剂温度、拌和水温度以及容器温度要符合相关要求。本

工程使用静态破碎剂性能参数见表4。

5.2.1设计布眼

为改善岩石破碎效果，静爆孔布设形式采用梅花形，

同排钻孔轴线互相平行且位于同一平面内，钻孔间距小于

开挖面的最小抵抗线，根据现场试验结果，钻孔横纵间距

均选用50 cm。

5.2.2钻孔

钻孔直径与破碎效果有直接关系，钻孔过小，不利于

静态膨胀剂充分发挥效力；钻孔过大，则容易发生冲孔，

根据以往经验本工程钻孔直径选用42  mm。借助简易台架

采用多台YT28凿岩机同时进行钻孔，为避免药剂流出，钻

孔略向下倾斜与掌子面夹角为88。钻孔完成后，孔内余

水和余渣应用高压风吹洗干净，孔口旁边保持干净。

5.2.3装药

（1）在药剂中加入22  %~32  %的水拌成流质状态，加

水量根据药剂颗粒大小决定，粗颗粒药剂水灰比调节至

22  %~25  %时静态破碎剂的流动性较好，细粉末药剂水灰比

在32  %左右时药剂流动性较好，当药剂和水混合均匀后用

灰浆泵灌入钻孔内，孔口留5 cm用黄泥封堵，保证水分、药

剂不流出。当用药卷装填钻孔时，根据“集中浸泡、充分浸

透、逐条装入、分条捣实”的原则，选用直径略小于钻孔直

径的高强长纤维纸袋装入药剂，按一个操作循环需要的药

卷数量，放在盆中倒水完全浸泡，30~50 s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钻孔并捅实。

（2）装药采用分灌装小组的形式，每小组由主副两名

罐装手组成，主罐装手负责取药分量和搅拌，副罐装手负

责确保药剂捣实，完成后旧麻袋覆盖孔口。按照“同步操

作，小拌勤装”的原则，每次拌药量不能超过实际能够完

成的工作量，各仙人掌的描写 灌装小组在取药、加水、搅拌、灌装过程中

应基本保持同步并保持相对距离进行。

（3）每次装填过程中，已经开始发生化学反应的药剂

（表现为开始冒气、温度快速上升）不允许装孔内。从药剂

加入拌和水到灌装结束，整个过程不应超过5  min。

（下转第152页）

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园林与景观设计2021年9月第18卷总第404期

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险隘，城南翠山一字横锁，南以药水峡雄峙当关，北镇拉

沙尔峡，西耸西石峡。城东筑有南北古城，“守御相望，扼

峡口之咽喉。……为犄角之势”。

佑宁寺夹于南北两山谷口处，坐落于北山龙王山南

麓。南山山体耸立，树木旺盛郁葱。登上北山半山腰近谷

口之拉则处，寺塔川原尽收眼底。

这种“雄峙谷口，一夫莫开” 军事防御模式所形成的

格局特征为群峰环绕，雄峙谷口，踞自然形胜之险。近山

腰有风景营建，登临其间，一览无余。

3.3山腰及临崖：一夕之望的布局模式

五峰寺位于五峰山山腰上，远望可见周围“五峰林立，

形如举掌”[4]。清“五峰飞瀑”被列为八景之一，“最为湟中

圣地”[5]。

北禅寺顺应山势布置于土观山的半山腰处，登临寺门

回首眺望，绿野葱茏。登之即可俯瞰西宁卫全貌。山体、山

腰石窟及山顶的宁寿塔在特殊的气象条件下形成“北山烟

雨”作为标志性景观被人们观看。

这种山腰及临崖的一夕之望的布局模式所形成的格

局特征为选址于山腰处，可俯瞰美景，自身与周围景观构

成良好的观景。

3.4山巅：四望的布局模式

夏琼寺居于山巅，山形之势如展翅的大鹏。由南望寺，

仿佛位于大鹏右肩。东、西、北三面峰峦叠嶂，南面陡峭

险绝异常，向南十里可俯瞰黄河之九曲盘旋，甚至可西望

二三十千米远之山势。

日月山“地势束全陇，边形控群番。设险勿置关。”“山

高崱屴接天光”“一峰切云，出入日月”。向西“旷望极原

野”“河水倒流一线长”，远眺几十里远的重重山势，南北

望去“雪岭白嵯峨”。

这种山巅四望的布局模式所形成的格局特征为选址

于山顶，本身为视觉焦点，视线界面极度开阔，具有全方

位的视野，以俯瞰及远眺为主。

4结论

从宏观上，河湟谷地地景空间是由自然地理要素与案

例空间分布要素叠加构成，这些案例集中分布于各空间单

元中，以其为中心向周围散点分布，总体呈现几个较为密

集的团状案例结合散点案例的组团状分布。以大华盆地地

景空间单元为对象，探究风景特点，案例分布以河谷盆地

为苹果的作用和功效 中心，山体为边界，形成立体的山川风景体系。中观上，

将选址的空间模式梳理出四种：平地的轴线对位布局模

式；山谷的雄峙谷口的军事防御布局模式；山腰的一夕之

望的布局模式；山巅的四望的布局模式。

参考文献

[1]  ICOMOS. The Florence Charter[M/OL]. [1982-12-15]. 

/en/newslettersarchives/179articlenfrancais/

ressources/chartersandstandards/158theflorencecharter.

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解读[J]．中国园林，2002（03）：74-78．

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[4] 姚钧．贵德县志稿卷六艺文[M]．西宁：青海人民出

版社, 2020．

[5] 杨应琚．西宁府新志[M]．西宁：青海人民出版社，1988．

合开挖方法，通过水钻开凿临空面消除了小断面隧道围岩

夹制作用，提高了对掌子面形态的控制能力，使用静态破

碎剂达到了安全、低扰动开采，通过使用多钻头钻孔设备

以及合理安排施工工序，提高了施工效率。

参考文献

[1] 漆泰岳，李斌．悬臂掘进机在复杂断面地铁隧道中的应用

研究[J]．现代隧道技术，2011，48（04）：32-38．

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科技创新与应用，2020（05）：167-169．

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装备发展现状[J]．探矿工程（岩土钻掘工程），2020，47

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艺在小断面地铁隧道施工中的应用[J]．城市建设理论研

究（电子版），2018（04）：143-144．

5.2.4药剂反应时间的控制

药剂反应速度与温度有直接关系，温度越高，反应速

度越快，反之则越慢。然而，药剂反应时间过快则容易发

生冲孔伤人事故，反应时间过慢则会影响施工进度，因此

需要合理控制药剂反应时间。当药剂反应速度过快时，需

要在拌和水中加入抑制剂，加入量为拌和水的5  %~6  %，

同时可以通过控制拌和水、干粉剂以及岩石的温度降低药

剂反应速度，如夏季温度过高时需要加强掌子面通风并将

药剂存放于阴凉干燥处。冬季则需要加入促发剂并提高拌

和水温度，但拌和水温度不可超过50℃。

装药完成后5~8 h为岩石开裂时间，裂缝宽度2~3 cm，

在岩石刚开裂时可向裂缝注入少量水以支持药剂持续发

生反应，增强静态破碎效果。

5.2.5破碎出渣

一次静态爆破完成后，使用炮机对较大石块进行二次

破碎，然后使用挖掘机配合行车装运石方至指定地点。

6结论

针对小断面隧道非爆破开挖问题，综合分析了现有非

爆破开挖技术的优缺点，并提出了“水钻+静态破碎剂”混

（上接第131页）

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