軟巖隧洞開挖方法研究與分析

王玉和

(甘肅省水務(wù)投資有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730000)

1 概述

隨著大型跨流域調(diào)水工程的建設(shè)，在軟巖體中修建隧洞工程是近些年來遇到的常見問題。軟巖體中開挖隧洞最主要的問題是要解決施工過程中的安全問題，保證施工過程中的圍巖穩(wěn)定，控制好超欠挖，避免人員傷亡和設(shè)備損失，使人民的生命和財(cái)產(chǎn)安全得到有效的保障[1- 2]。

隧洞的開挖方法主要有鉆爆法、銑挖法、液壓破碎錘法等[3- 6]。每種開挖方法都存在一定的優(yōu)缺點(diǎn)。①鉆爆法施工比較靈活，可以快速施工，并能夠?qū)嵤└鞣N形狀、尺寸、大小的地下洞室，還可采用比較簡(jiǎn)單便宜的施工設(shè)備，也可采用先進(jìn)、高效、比較貴的設(shè)備，適用性上可以適應(yīng)堅(jiān)硬完整的圍巖，也可以適應(yīng)較為軟弱破碎的圍巖；缺點(diǎn)：安全管理難度大，人員及材料投入費(fèi)用大，不利于成本控制；對(duì)于軟巖隧洞易造成超挖和坍塌，影響開挖質(zhì)量；爆破會(huì)產(chǎn)生有害氣體造成環(huán)境污染，且不利于施工作人員的健康。②液壓破碎錘法優(yōu)點(diǎn)：施工設(shè)備簡(jiǎn)單，可以快速施工，能夠適應(yīng)堅(jiān)硬完整的圍巖，也可適應(yīng)較為軟弱破碎的圍巖；缺點(diǎn)：超欠挖控制不均衡，用破碎錘對(duì)欠挖部分進(jìn)行修整會(huì)造成局部超挖較大，超挖不易控制；破碎錘采用燃油驅(qū)動(dòng)進(jìn)行掘進(jìn)，隧洞內(nèi)施工產(chǎn)生大量尾氣造成施工環(huán)境空氣質(zhì)量差。③銑挖法優(yōu)點(diǎn)：軟巖隧洞施工中銑挖機(jī)成為較為適用的設(shè)備，其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、集巖石開挖和裝渣一體、適應(yīng)隧洞開挖斷面能力強(qiáng)、施工速度快、減少安全管理難度、一次性斷面開挖成形、對(duì)圍巖的擾動(dòng)較小、超欠挖控制比較精準(zhǔn)、經(jīng)濟(jì)效果顯著；缺點(diǎn)：在高強(qiáng)度巖石中作業(yè)效率低。本文通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、進(jìn)行對(duì)比分析，力求找到一種適用于軟巖隧道的開挖方法，以便為類似工程的提供施工依據(jù)。

2 工程背景

引洮供水二期工程從已建的一期工程總干渠工程15#隧洞引水至?xí)幙h，工程受益區(qū)涉及甘肅省定西市安定區(qū)、隴西縣、通渭縣，白銀市會(huì)寧縣，天水市武山縣、甘谷縣、秦安縣及平?jīng)鍪徐o寧縣。該工程以城鄉(xiāng)生活和工業(yè)供水為主兼顧農(nóng)業(yè)灌溉，是為當(dāng)?shù)厝罕娒撠氈赂患案纳粕鷳B(tài)環(huán)境創(chuàng)造條件的利民工程。該工程自2015年8月開工，工程主要以隧洞施工為主，但由于工程隧洞圍巖類別多為極不穩(wěn)定的Ⅴ級(jí)圍巖，隧洞開挖時(shí)易發(fā)生掉塊和局部坍塌，超挖現(xiàn)象難以控制。同時(shí)由于該隧洞多以小斷面為主，出渣、通風(fēng)、排煙難以采用大型設(shè)備，掘進(jìn)效率低，制約著工程進(jìn)度。

3 開挖方法

引洮供水二期工程地質(zhì)情況復(fù)雜，隧洞洞身根據(jù)巖性分為基巖洞和土洞，其中基巖洞圍巖為新近系砂質(zhì)泥巖，屬軟巖，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，致密，遇水易泥化、崩解，失水干裂，干濕效應(yīng)明顯。引洮二期工程八干渠一分干渠4#隧洞為Ⅴ類圍巖，開挖斷面尺寸為2400mm×2623mm，隧洞圍巖多為馬蘭黃土狀土和洪積黃土狀土，設(shè)計(jì)開挖斷面較小，項(xiàng)目實(shí)施單位根據(jù)施工區(qū)巖性特點(diǎn)，提出了鉆爆法開挖、液壓破碎錘開挖和銑挖法開挖法，并通過在隧洞的掌子面進(jìn)行3種開挖方法的對(duì)比試驗(yàn)。

3.1 鉆爆法開挖

鉆爆法隧洞開挖是傳統(tǒng)的隧洞施工工法，通過風(fēng)鉆在巖體上鉆鑿出一定孔徑和深度的炮眼，并裝上炸藥進(jìn)行爆破，從而達(dá)到開挖掘進(jìn)的目的。

3.2 液壓破碎錘開挖

液壓破碎錘隧洞開挖主要依靠挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)為動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)，活塞沖程高速撞擊釬桿，由釬桿沖擊破碎巖體進(jìn)行隧洞開挖。

3.3 銑挖法開挖

銑挖法開挖主要利用隧洞銑挖機(jī)為主要設(shè)備，按照隧洞尺寸進(jìn)行定做，主要由STX- 120扒渣機(jī)配備銑挖頭組成，由行走系統(tǒng)、工作系統(tǒng)、傳送系統(tǒng)構(gòu)成，在掘進(jìn)過程中隨著行走系統(tǒng)向前推進(jìn)，收集料斗將渣土收集，通過皮帶輸送機(jī)將渣土直接裝到出渣車輛上。

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 掘進(jìn)效率分析

傳統(tǒng)的鉆爆法施工工序?yàn)闄C(jī)械造孔、裝藥、通風(fēng)排煙、機(jī)械出渣，每個(gè)開挖循環(huán)因圍巖特性進(jìn)尺為1.5～2m，日掘進(jìn)進(jìn)尺約為3～4m，月平均掘進(jìn)進(jìn)尺為90～120m；液壓破碎錘開挖工序?yàn)橥诰驒C(jī)液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)釬桿破碎巖石，裝載機(jī)出渣，日掘進(jìn)進(jìn)尺約為3～5m，月平均掘進(jìn)進(jìn)尺為90～150m；銑挖機(jī)開挖對(duì)圍巖擾動(dòng)小且掘進(jìn)與出渣同步，每個(gè)開挖循環(huán)控制在4～6m，月平均掘進(jìn)進(jìn)尺可達(dá)到120～180m，在提高施工效率方面效果明顯。

經(jīng)過分析，在引洮二期工程八干渠一分干渠施工中，銑挖機(jī)開挖掘進(jìn)進(jìn)度是液壓破碎錘的1.2～1.3倍，是鉆爆法施工的1.3～1.5倍。故銑挖機(jī)開挖在效率方面明顯優(yōu)于其他2種方案，具體見表1。

表1 不同方案下掘進(jìn)效率分析表

4.2 施工質(zhì)量控制分析

隧洞開挖主要的施工質(zhì)量為超欠挖，故經(jīng)分析，因研究區(qū)地質(zhì)結(jié)構(gòu)為軟巖，隧洞采用爆破對(duì)圍巖擾動(dòng)大，超挖現(xiàn)象較嚴(yán)重且易宜掉快或坍塌，平均超挖大于15cm以上，存在較大質(zhì)量、安全隱患；破碎錘開挖時(shí)開挖面凸凹不平，超欠挖控制不均衡，用破碎錘對(duì)欠挖部分進(jìn)行修整會(huì)造成局部超挖較大，超挖現(xiàn)象仍不易控制，經(jīng)量測(cè)主要超挖部位為拱頂與邊墻部位，平均超挖大于10cm；銑挖法開挖輪廓線較圓順，欠挖宜修整，超挖控制較好，經(jīng)量測(cè)主要超挖部位也是在拱頂與邊墻，平均欠挖可控制在5cm左右。另外根據(jù)銑挖機(jī)特性在隧洞開挖施工中，可以高效、精確銑挖溝槽，在不良地質(zhì)洞段可在開挖面周邊銑挖溝槽，預(yù)留核心巖體，待完成支護(hù)后再進(jìn)行核心部分的開挖。

經(jīng)對(duì)以上3種方案的施工質(zhì)量控制分析，銑挖機(jī)開挖的施工質(zhì)量控制優(yōu)于其他2種方案。

4.3 安全管理分析

隧洞施工中安全管理主要包括2方面的內(nèi)容，一是實(shí)施過程中的安全；二是設(shè)備材料保存中的安全。經(jīng)過分析，鉆爆法施工首先需在施工區(qū)內(nèi)選擇合適的地方修建炸藥庫，用于存放火工材料；其次要成立爆破施工安全管理機(jī)構(gòu)并配置安全管理人員，制定嚴(yán)格的安全管理制度，爆破員要到專業(yè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行培訓(xùn)后持證上崗；最后在具體的施工過程中火工品的運(yùn)輸、現(xiàn)場(chǎng)裝藥、起爆、排險(xiǎn)等環(huán)節(jié)相關(guān)工作人員必須遵照行業(yè)規(guī)范和程序一絲不差地完成相應(yīng)工作。采用爆破施工時(shí)還會(huì)產(chǎn)生大量的CO、NO、CO2等廢氣和粉塵，掌子面通風(fēng)排煙用時(shí)較長且不能完全排除，現(xiàn)場(chǎng)安全管理風(fēng)險(xiǎn)大；液壓爆破法施工安全管理工作主要為施工現(xiàn)場(chǎng)用電和設(shè)備維護(hù)管理，安全管理人員需做好各工作面供、配電設(shè)施的安全檢查，及時(shí)要求專業(yè)電工消除用電隱患。但破碎錘開挖，破碎錘及裝載機(jī)均為油動(dòng)設(shè)備，在小斷面隧洞開挖超過200m后設(shè)備產(chǎn)生的有害氣體排除困難，存在安全風(fēng)險(xiǎn)；銑挖機(jī)開挖的安全管理工作和液壓爆破法施工相同，但采用電力驅(qū)動(dòng)且配置了噴霧降塵裝置后，開挖時(shí)產(chǎn)生的煙塵會(huì)明顯變少，銑挖機(jī)工作時(shí)為開挖斗齒對(duì)巖體進(jìn)行削切產(chǎn)生的噪音低，風(fēng)險(xiǎn)較小。

故相比較鉆爆法和破碎錘開挖施工，銑挖機(jī)安全管理難度較低，風(fēng)險(xiǎn)在可控范圍內(nèi)。

4.4 投資控制分析

4.4.1臨時(shí)設(shè)施投資分析

八干渠一分干渠4#隧洞長1102m，在隧洞開挖中臨時(shí)工程投資主要為避車道的開挖、回填費(fèi)用，每設(shè)置1處避車道的綜合費(fèi)用為2.1萬元左右。如采用鉆爆法和破碎錘開挖，出渣采用小型裝載機(jī)裝車、農(nóng)用車運(yùn)輸，結(jié)合開挖、裝車設(shè)備及運(yùn)輸車輛，隧洞內(nèi)每200m需設(shè)置1處避車道，共設(shè)置5處避車道；如采用銑挖機(jī)開挖，僅需考慮運(yùn)輸車輛，可每300m設(shè)置1處避車道，只需設(shè)置3處避車道，具體見表2。

表2 不同方案下臨時(shí)設(shè)施費(fèi)用分析計(jì)算表

4.4.2人工投資分析

(1)傳統(tǒng)光面鉆爆法。在圍巖穩(wěn)定的情況下，每一開挖循環(huán)可控制在2m左右，開挖耗時(shí)在4h左右，每循環(huán)人工消耗約2.75工日(管理人員1人0.5工日，鉆孔作業(yè)2人、爆破作業(yè)1人共0.75工日，裝、出渣作業(yè)人員3人需1.5工日)，按不同工種月工資標(biāo)準(zhǔn)(管理人員9000元/月、爆破工10000元/月、鉆工8000元/月、扒渣機(jī)操作工、出渣車司機(jī)6000元/月)，人工日平均工資約為252元/工日(月工資總額53000元/月/7人)，每循環(huán)人工工資為693元(人工日平均工資252元×每循環(huán)人工消耗約2.75工日)，每米人工費(fèi)用為346.5元(每循環(huán)人工工資為693元/每循環(huán)掘進(jìn)米數(shù)2m)。

(2)液壓破碎錘法。在圍巖穩(wěn)定的情況下，每一開挖循環(huán)可控制在2.5m左右，開挖耗時(shí)在4h左右，每個(gè)循環(huán)投入的人工為管理人員1人0.5工日、破碎錘操作工1人0.5工日、裝載機(jī)司機(jī)1人0.5工日，出渣車司機(jī)2人1.0工日；按不同工種月工資標(biāo)準(zhǔn)(管理人員9000元/月、破碎錘操作工9000元/月、裝載機(jī)操作工、出渣車司機(jī)6000元/月)計(jì)算的日平均工資約為240元/工日，每循環(huán)人工工資為600元，每米人工工資為240元。

(3)銑挖法開挖。在圍巖穩(wěn)定的情況下，每一開挖循環(huán)可控制在2.5m左右，開挖耗時(shí)在4h左右，每個(gè)循環(huán)投入的人工為管理人員1人0.5工日、銑挖機(jī)操作工1人0.5工日、出渣車司機(jī)2人1.0工日；按不同工種月工資標(biāo)準(zhǔn)(管理人員9000元/月、銑挖機(jī)操作工9000元/月、出渣車司機(jī)6000元/月)計(jì)算的日平均工資約為250元/工日，每循環(huán)人工工資為500元，每米人工工資為200元，具體見表3。

表3 不同方案下人工費(fèi)用分析計(jì)算表

4.4.3材料投資分析

(1)鉆爆法開挖需要消耗的主要材料為炸藥和雷管等，其費(fèi)用為：炸藥5.3m3/m×1.6kg/m3(炸藥單耗)×11元/kg(炸藥價(jià)格)=93.28元/m；雷管5.3m3/m×2.7發(fā)/m3(雷管單耗)×4.5元/發(fā)(非電毫秒雷管價(jià)格)=64.4元/m，共計(jì)157.68元/m。

(2)液壓破碎錘消耗的主要材料為破碎錘釬桿及釬桿前、后導(dǎo)向套、蓄能器隔膜等易損件，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況易損件約2月左右(掘進(jìn)進(jìn)尺300m)需更換一次，費(fèi)用約為3500元，由此每延米鉆頭消耗的費(fèi)用約11.6元。

(3)銑挖機(jī)開挖消耗的主要材料為銑挖機(jī)鉆頭，其費(fèi)用為:銑挖機(jī)頭共設(shè)置46個(gè)鉆頭(STX- 100型為例)，每掘進(jìn)約150m須更換一次，每個(gè)鉆頭65元；由此每延米鉆頭消耗的費(fèi)用約20元，具體見表4。

表4 不同方案下材料費(fèi)用分析計(jì)算表 單位：元/m

4.4.4機(jī)械投資分析

(1)鉆爆法開挖主要機(jī)械使用費(fèi)為風(fēng)鉆及扒渣機(jī)械臺(tái)時(shí)費(fèi)，開挖斷面為每延米5.3m3，依據(jù)定額計(jì)算消耗的風(fēng)鉆臺(tái)時(shí)為0.295臺(tái)時(shí)/m3(57.28元/臺(tái)時(shí))，消耗的扒渣機(jī)臺(tái)時(shí)為0.04臺(tái)時(shí)(73.51元/臺(tái)時(shí))，每延米機(jī)械費(fèi)用為：5.3m3×0.295臺(tái)時(shí)/m3×57.28元/臺(tái)時(shí)+5.3m3×0.04臺(tái)時(shí)/m3×73.51元/臺(tái)時(shí)=105元/m。

(2)破碎錘開挖主要機(jī)械使用成本為破碎錘驅(qū)動(dòng)液壓挖機(jī)，臺(tái)時(shí)為1.6臺(tái)時(shí)(機(jī)械費(fèi)131.5元/臺(tái)時(shí))、裝載機(jī)出渣臺(tái)時(shí)為0.4臺(tái)時(shí)(機(jī)械費(fèi)101.07元/臺(tái)時(shí))，合計(jì)每延米的機(jī)械費(fèi)用約為：1.6臺(tái)時(shí)×131.5元/臺(tái)時(shí)+0.4臺(tái)時(shí)×101.07元/臺(tái)時(shí)=250.8元/m。

(3)銑挖機(jī)開挖主要機(jī)械使用成本為銑挖機(jī)電費(fèi)、折舊費(fèi)、維修費(fèi)、保養(yǎng)費(fèi)等，銑挖機(jī)電動(dòng)機(jī)功率為45kW，每延米開挖約消耗電費(fèi)72元、折舊費(fèi)49元、維修保養(yǎng)費(fèi)30元，合計(jì)每延米的機(jī)械費(fèi)用約為151元/m，具體見表5。

表5 不同方案下材料費(fèi)用分析計(jì)算表

4.4.5其他投資方面

其他費(fèi)用主要為方案實(shí)施過程中產(chǎn)生的特種費(fèi)用和開挖過程中由于質(zhì)量控制產(chǎn)生的額外費(fèi)用，3種方案均需對(duì)超挖部分進(jìn)行回填處理，其中爆破法因使用炸藥、雷管，還需按要求建設(shè)火工材料庫房，其他2種不需建設(shè)。具體費(fèi)用如下：

爆破法開挖所用炸藥、雷管為危險(xiǎn)爆炸物品，對(duì)炸藥和雷管庫房的安全標(biāo)準(zhǔn)要求較高，超出了臨建工程中一般庫房建設(shè)的范疇；目前一個(gè)儲(chǔ)藏量為5t的標(biāo)準(zhǔn)火工材料庫房造價(jià)約30萬元，八干一分干渠隧道總長20149m，其中4#隧洞長1102m，計(jì)算采用分干渠總長，經(jīng)計(jì)算每延米攤銷費(fèi)用為：300000元/20149m=14.8元/m。

超挖回填砼材料費(fèi)用，采用鉆爆法開挖時(shí)對(duì)圍巖的擾動(dòng)較大，容易產(chǎn)生掉塊及塌方，超欠挖很難控制，平均超挖約在15cm左右；采用破碎錘開挖，由于其工作原理易形成局部超挖，平均超挖約在10cm左右；銑挖機(jī)開挖對(duì)圍巖的擾動(dòng)很小，洞頂及側(cè)墻掉塊較少，平均超挖5cm左右。超挖需要采用洞身同標(biāo)號(hào)砼回填，C25混凝土單價(jià)按合同單價(jià)210元/m3(C25混凝土價(jià)格)計(jì)算，具體見表6。

表6 不同方案下其他費(fèi)用分析計(jì)算表

4.4.6投資總體分析

綜上，按照引洮二期八干渠一分干渠隧洞地質(zhì)條件，參考3種方案，結(jié)合臨時(shí)設(shè)施、人工、材料、機(jī)械等方面綜合分析，鉆爆法施工投資約927.2元/m，液壓破碎錘法投資約734.2元/m，銑挖法施工投資約475.4元/m。故銑挖法施工在投資方面是鉆爆法的1/2，是液壓破碎錘法的2/3，明顯優(yōu)于2種方案，具體詳見表7。

表7 不同方案下投資總體分析計(jì)算表 單位：元/m

4.5 開挖方案對(duì)比分析

經(jīng)對(duì)3種方案的掘進(jìn)效率、施工質(zhì)量控制、安全管理以及投資分析，在掘進(jìn)效率方面，銑挖機(jī)開挖掘進(jìn)進(jìn)度是液壓破碎錘的1.2～1.3倍，是鉆爆法施工的1.3～1.5倍；在施工質(zhì)量控制方面，銑挖機(jī)開挖的施工質(zhì)量控制優(yōu)于其他2種方案；在安全管理方面，液壓破碎錘法和銑挖機(jī)安全管理難度較低；在投資控制方面，銑挖法施工是鉆爆法的1/2，是液壓破碎錘法的2/3，明顯優(yōu)于2種方案。故最終確定引洮二期八干渠一分干渠隧洞開挖選用銑挖法開挖施工。該工程于2020年11月2日完成開挖并完成初步支護(hù)順利貫通，歷時(shí)6個(gè)月，月平均掘進(jìn)進(jìn)尺約183m。該隧洞開挖工程共分為23個(gè)單元工程，其中20個(gè)被評(píng)為優(yōu)良工程，優(yōu)良率為87%，測(cè)算施工期間的人工、機(jī)械等投資約53萬元，每米隧洞開挖成本費(fèi)用約為481元/m。

5 結(jié)語

本文以引洮供水二期工程建設(shè)為背景。在隧洞的掌子面進(jìn)行了3種開挖方法的對(duì)比試驗(yàn)，就施工進(jìn)度、質(zhì)量、安全、投資等方面進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)與分析。結(jié)果表明，銑挖法開挖在軟巖隧洞施工中效果顯著，其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、集巖石開挖和裝渣一體，適應(yīng)隧洞開挖斷面能力強(qiáng)、施工速度快、減少安全管理難度、一次性斷面開挖成形、對(duì)圍巖的擾動(dòng)較小、超欠挖控制比較精準(zhǔn)、經(jīng)濟(jì)效果顯著等優(yōu)勢(shì)，這對(duì)今后的類似工程必將會(huì)起到良好的指導(dǎo)和借鑒作用。