隧道硬质岩层联络通道水磨钻抽芯施工方法

目前，国内隧道施工普遍采用爆破与非爆破两种方法。然而，在城市施工或矿山开采等特定场景下，非爆破施工方法相较于爆破作业展现出显著优势。非爆隧道施工工艺多样，其中一种高效的水磨钻施工工艺流程备受瞩目。该流程特别适用于中大型隧道施工及矿山开采，能有效提升施工效率，同时节约时间和成本。

隧道硬质岩层联络通道（常见于地铁隧道、公路 / 铁路隧道，用于隧道间人员疏散、管线敷设或应急救援）的水磨钻抽芯施工，是利用金刚石水磨钻的高硬度磨削特性，在抗压强度≥80MPa 的硬质岩层（如花岗岩、石英岩、凝灰岩）中，通过 “分序钻孔、芯体破碎、分步开挖” 形成通道的专业工艺。其核心优势是微振动、低噪音、对周边岩层扰动小，能有效控制隧道结构变形（沉降 / 收敛≤3mm），规避传统爆破施工对隧道衬砌及周边环境的破坏风险，是城市密集建筑群下或近既有结构隧道联络通道施工的优选方案。

一、前期准备工作：

1. 地质勘察与方案设计

详细地质勘察：

通过 “隧道内地质雷达探测”“钻孔取芯” 明确岩层参数：岩性（花岗岩 / 石英岩等）、抗压强度（用压力试验机检测，需≥3 组样本）、节理发育情况（节理走向、间距、填充情况）、涌水量（用涌水量测试仪检测，确定是否需超前止水）；

探测周边环境：用全站仪复核联络通道与既有隧道衬砌的净距（需≥设计值，误差≤50mm），排查通道范围内是否有隧道预埋管线（如消防管、电缆管），标记位置并制定保护方案。

施工方案设计：

断面分块设计：将联络通道断面按 “先周边、后中心，先上半断面、后下半断面” 原则分块（如矩形断面分 4-6 块，每块尺寸≤1.5m×1.0m），绘制分块钻孔示意图，明确每块的钻孔数量、孔径、孔深；

设备选型：根据岩层硬度选水磨钻（硬质花岗岩选 “孕镶式金刚石钻头”，孔径 180mm，钻杆长度≥1.5m）、钻机（选液压式水磨钻机，功率≥7.5kW，扭矩≥120N・m，适应隧道狭小空间）；

支护方案：针对硬质岩层特性，设计 “超前支护 + 初期支护” 方案（如超前小导管注浆，导管直径 42mm，长度 3m，环向间距 300mm；初期支护采用喷射混凝土 + 锚杆，混凝土强度 C25，厚度 100mm，锚杆长度 2m）。

2. 现场准备与防护

隧道内施工准备：

施工区域隔离：在联络通道两侧隧道内设置 “防护围挡”（采用 2m 高彩钢板，底部用沙袋密封），围挡上悬挂 “施工警示标识”，同时封闭隧道内非施工区域（设置临时护栏，禁止非施工人员进入）；

临时设施布置：在隧道内搭建 “操作平台”（用型钢支架，高度 1.2-1.5m，脚手板满铺，承载力≥2kN/m²），布置 “供水系统”（设置储水箱≥5m³，连接高压水管至作业面）、“排水系统”（铺设 Φ100mm 排水管，将施工废水排至隧道内集水井）、“照明系统”（安装防爆照明灯，照度≥300lux）。

设备调试与材料准备：

设备调试：水磨钻机安装前需检查钻杆垂直度（误差≤1°）、钻头磨损情况（金刚石颗粒无脱落，胎体无裂纹），空载运行 5 分钟，确保钻机转速（800-1000r/min）、扭矩稳定；

材料准备：准备金刚石钻头（按每 10m 钻孔量备 1 个，含备用）、静态膨胀剂（按每 m³ 岩体备 30kg）、喷射混凝土（C25，预拌混凝土，需检测坍落度 120-150mm）、锚杆（HRB400 级，直径 22mm）。

二、核心施工流程：

隧道硬质岩层联络通道水磨钻施工需遵循 “超前支护→分块钻孔→岩体破碎→初期支护→循环推进” 的流程，每循环进尺≤1m，确保岩层稳定，具体步骤如下：

1. 超前支护施工（预防坍塌）

超前小导管注浆：

按设计位置在联络通道开挖轮廓线外 100mm 处钻设 “小导管孔”（孔径 48mm，孔深 3.5m，环向间距 300mm，外插角 5°-10°）；

插入小导管（Φ42mm 无缝钢管，管壁钻 Φ8mm 注浆孔，间距 150mm），用水泥浆（水灰比 1:1）注浆，注浆压力 0.5-1.0MPa，待注浆体强度达 C20（养护 24 小时）后，方可进入开挖工序。

2. 分块钻孔与岩体破碎（核心工序）

以 “矩形联络通道（宽 2.5m、高 3m）” 为例，分 4 块开挖（上左、上右、下左、下右），具体操作：

（1）第 1 循环：上左块开挖（进尺 1m）

周边孔钻孔：

按断面轮廓线，用记号笔标记上左块的周边孔位置（孔径 180mm，孔间距 50mm，孔深 1m，共需钻设 8-10 个孔）；

固定水磨钻机（用膨胀螺栓将钻机支架固定在隧道衬砌或操作平台上，确保钻机垂直度与孔位偏差≤2mm），启动钻机与供水系统，匀速钻进（进给速度 5-8mm/min），每钻完 1 个孔，取出岩芯（用撬棍插入孔内，轻轻撬动取出，岩芯长度≥0.9m 为合格）；

钻孔过程中监测：安排专人观察岩层是否有掉块（若节理发育区域出现掉块，立即停止钻孔，喷射 50mm 厚 C25 混凝土封闭），同时检查钻机扭矩（若扭矩突然增大，可能遇到岩性变化，需降低进给速度）。

中心岩体破碎：

对周边孔围成的中心岩体（体积约 0.8m³），钻设 3-4 个 “掏槽孔”（孔径 180mm，孔深 1m），取出岩芯，将岩体分割为小块；

向剩余小块岩体的裂隙中填入 “静态膨胀剂”（按水灰比 0.35 搅拌成糊状，填满裂隙，覆盖塑料布保湿），24 小时后岩体因膨胀力破碎（膨胀压力≥30MPa），用风镐（低冲击模式，冲击力≤5kN）清理破碎岩块；

岩块清运：用小型装载机（宽度≤1.2m，适应隧道空间）将岩块运至隧道内临时堆渣点，再用自卸车外运。

（2）第 2-4 循环：上右、下左、下右块开挖

重复 “周边孔钻孔→中心岩体破碎→岩块清运” 流程，按 “上右→下左→下右” 顺序开挖，每块开挖后及时清理作业面，确保后续块体钻孔位置精准；

关键控制：相邻块体开挖时，需保留 “50mm 厚岩墙”（避免钻孔时扰动已开挖区域），待本循环所有块体开挖完成后，再用水磨钻修整岩墙，确保断面尺寸符合设计（偏差≤50mm）。

3. 初期支护施工（每循环开挖后立即支护）

喷射混凝土：

开挖完成后 1 小时内，对联络通道开挖面喷射 C25 混凝土（采用湿喷工艺，喷射压力 0.3-0.5MPa，喷嘴距岩面 1-1.5m），厚度 100mm，分 2 次喷射（第 1 次 50mm，初凝后喷第 2 次），确保混凝土与岩面紧密结合（无空洞，用小锤敲击检测）；

锚杆施工：

在喷射混凝土初凝后（约 2 小时），按设计位置钻设锚杆孔（孔径 28mm，孔深 2.1m，间距 800mm×800mm），插入 Φ22mm 锚杆，用水泥浆（水灰比 1:1）注浆锚固，注浆压力 0.5MPa，待锚杆抗拔力达设计值（≥150kN，现场抽检 3%）后，铺设钢筋网（Φ8mm，间距 200mm×200mm），再喷射 50mm 厚混凝土覆盖。

4. 循环推进与断面修整

按 “超前支护→开挖→支护” 流程循环推进，每循环进尺 1m，直至联络通道贯通（贯通前需在两端分别测量，控制贯通偏差≤30mm）；

贯通后进行 “全断面修整”：用水磨钻修正断面超欠挖（超挖≤100mm，欠挖≤50mm），确保通道净宽、净高符合设计（偏差≤20mm），同时清理岩壁表面的混凝土残渣与岩粉。

三、工艺核心原理与适用场景

1. 核心原理

水磨钻抽芯施工通过 “环形钻孔成槽 + 中心岩体破碎” 实现硬质岩层开挖，核心逻辑是将联络通道断面分解为多个 “钻孔单元”，利用金刚石钻头的磨削力钻取圆柱形岩芯，再对剩余岩体进行静态破碎，具体原理可拆解为 3 步：

环形钻孔：按联络通道设计断面（多为矩形或马蹄形，尺寸通常宽 2-3m、高 2.5-3.5m），用水磨钻沿断面轮廓线钻设密集的 “周边孔”（孔径 150-200mm，孔间距≤50mm），形成连续的环形槽，将开挖区域与周边岩层隔离；

芯体取出与破碎：钻取周边孔后，对断面内部的岩体按 “分块原则”（每块体积≤0.5m³，便于人工或机械清理）钻设 “掏槽孔”，取出圆柱形岩芯，剩余小体积岩体采用 “静态膨胀剂”（如无声破碎剂）或 “风镐（低冲击）” 破碎，避免振动；

冷却排渣：施工全程持续向钻头与岩层接触面供水（水压 0.3-0.5MPa，流量 10-15L/min），一方面冷却金刚石钻头（防止高温导致金刚石失效），另一方面将磨削产生的岩粉随水流排出，保持钻孔通畅。

2. 适用场景

该工艺因 “微扰动、高精度” 特点，主要适用于以下隧道联络通道施工场景：

硬质岩层条件：岩层抗压强度≥60MPa（如花岗岩、玄武岩、石英砂岩），传统风镐难以破碎、爆破施工风险高的地层；

敏感环境区域：隧道穿越城市建筑群（地表沉降控制要求严，沉降限值≤2mm）、近既有管线（如燃气管、输油管，振动限值≤0.1g）或近既有隧道（净距≤5m，需避免结构损伤）的联络通道；

小断面通道：联络通道断面面积≤10m²（如地铁隧道应急联络通道，宽 2m、高 2.5m），大型开挖设备无法进入的狭小空间；

既有隧道改造：已运营隧道新增联络通道（如地铁隧道后期增设疏散通道），需避免施工对运营隧道结构及列车通行的干扰。

不适用场景：岩层破碎（节理间距≤0.5m，易坍塌）、富水地层（涌水量＞10m³/h，需先止水）、超大断面联络通道（面积＞15m²，施工效率过低）。

首先，在施工开始前，必须依据施工断面图精心打造临空面。这一步骤中，会使用到专业的钻孔式硬岩隧道掘进机，它能够高效地打孔，并形成相交孔，从而勾勒出隧道的轮廓。接下来，根据石头的硬度和现场的具体情况，进行钻劈裂孔的工作。这一步骤对于确保隧道施工的安全性至关重要。完成上述准备工作后，将根据隧道的大小选择适当的破石方法，可能包括人工砍料、使用劈裂棒或破碎锤等方式，将整个工作面的石头破碎成适宜的小块。最后，根据隧道的具体尺寸，选择合适的扒料运输设备，将破碎后的石头安全、高效地运出隧道。

隧道内联络通道施工技术领域,隧道硬质岩层联络通道水磨钻施工方法,包括:在隧道中预设联络通道的位置的盾构管片上设置联络通道洞门开挖轮廓;采用水磨钻在所述开挖轮廓范围内钻孔取芯,形成联络通道洞门;搭设用于支撑并带动水磨钻在洞门范围内移动并进行联络通道开挖的水磨钻作业支架;将水磨钻搭接在水磨钻作业支架上依次进行联络通道进洞侧,联络通道正洞和通道下基底开挖取岩芯.根据本发明的方案,水磨钻开挖后隧道成型轮廓较好,且水磨钻操作简单,灵活,施工过程中不会产生较大的震动,开挖的石块利于搬运及吊装.施工方法施工速度快,效率高,可以确保隧道内开挖安全性,解决隧道内施工安全隐患问题.