陳應(yīng)強(qiáng) 黃力

摘 要：隧道掌子面施工遇到圍巖好壞均有分布時(shí)，軟弱圍巖如煤系地層段黑色煤巖可選用銑挖機(jī)施工，較硬圍巖可利用控爆手段施工，可提高施工過程中的安全性。施工時(shí)先根據(jù)軟弱圍巖和較硬圍巖分布情況確定臺(tái)階高度。針對軟弱圍巖施工時(shí)利用裝配式銑挖機(jī)精準(zhǔn)開挖到位，前提是將超前支護(hù)加強(qiáng)加密，然后立即支護(hù)到位，再將掌子面錨噴封閉。針對較硬圍巖施工時(shí)，將周邊眼根據(jù)實(shí)際情況內(nèi)收15—20cm，放炮后利用銑挖機(jī)進(jìn)行排險(xiǎn)和欠挖處理，再進(jìn)行支護(hù)工序。在開挖支護(hù)過程中，出于安全角度的考慮，應(yīng)遵循軟硬巖不同時(shí)開挖的原則，降低放炮工序引起軟弱圍巖塌方的風(fēng)險(xiǎn)。

關(guān)鍵詞：軟弱圍巖;較硬圍巖;銑挖機(jī);控爆;周邊眼

1 引言

本技術(shù)以公司承建的重遵擴(kuò)容項(xiàng)目桐梓隧道右線煤系地層段施工為例，此段落隧道設(shè)計(jì)跨度為17.7m，設(shè)計(jì)施工工法為雙側(cè)壁導(dǎo)坑法，但是現(xiàn)場實(shí)際圍巖情況是兩側(cè)邊墻到拱腰位置圍巖較好，拱部圍巖為黑色碳質(zhì)泥巖，無自穩(wěn)能力，如按雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工，臨時(shí)支護(hù)拱頂位置（超前支護(hù)已完成）開挖出來后由于圍巖自穩(wěn)能力差和爆破影響，未等下步工序施工就會(huì)產(chǎn)生冒頂現(xiàn)象，再加上此施工段落穿越夜貓洞斷層，施工過程中出現(xiàn)集中涌水，圍巖遇水變泥，作業(yè)空間狹小，造成極大的施工安全隱患。項(xiàng)目根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查研究情況因地制宜，提出隧道銑挖與控爆聯(lián)合施工技術(shù)。前人已提出銑挖與控爆聯(lián)合施工技術(shù)，總體思想是掌子面總體為軟巖，先調(diào)節(jié)周邊眼位置等進(jìn)行爆破，再進(jìn)行銑挖機(jī)排險(xiǎn)及欠挖處理，沒有針對掌子面軟硬巖兼有的情況進(jìn)行施工總結(jié)，為此本文獻(xiàn)專門對此情況進(jìn)行論述，為類似工程施工提供經(jīng)驗(yàn)。

2 施工技術(shù)

2.1 工程概況

蘭州至?？趪腋咚俟分貞c至遵義段（貴州境）擴(kuò)容工程第T8合同段位于遵義市桐梓縣境內(nèi)，桐梓隧道全長10491m，平均開挖斷面積約165m2，為公路分離式三車道高瓦斯特長大跨隧道，是重遵擴(kuò)容項(xiàng)目的關(guān)鍵控制工程，具有工期緊、難度大等綜合特點(diǎn)。其中右洞段YK43+540—YK43+655為煤系地層段，其掌子面圍巖情況見圖1。

2.2 施工原理

銑挖與控爆聯(lián)合施工工法遵循新奧法理念的“短進(jìn)尺、快支護(hù)、勤測量、緊封閉”的原則，利用銑挖機(jī)施工精確且安全的特點(diǎn)對軟弱圍巖進(jìn)行開挖并及時(shí)支護(hù)，再最大限度地控制炸藥量，對堅(jiān)硬圍巖進(jìn)行開挖施工。

爆破會(huì)降低圍巖的力學(xué)性能，爆破產(chǎn)生的地震波會(huì)使巖體瞬間擠壓而破碎，導(dǎo)致強(qiáng)度和彈性模量降低，隨著地震波的傳播會(huì)使圍巖產(chǎn)生裂紋或使圍巖中的原有裂紋擴(kuò)展，影響圍巖完整性及穩(wěn)定性。研究表明當(dāng)軟弱圍巖正常的爆破施工會(huì)造成3m左右的爆破松動(dòng)圈，對于像煤系地層這樣的軟巖，爆破影響更大。而利用銑挖機(jī)進(jìn)行開挖，只對局部圍巖產(chǎn)生擾動(dòng)，與爆破施工相比，甚至是與破碎錘開挖相比，擾動(dòng)范圍要小得多，利于圍巖的穩(wěn)定。

銑挖與控爆聯(lián)合施工，銑挖機(jī)先對軟弱圍巖進(jìn)行開挖支護(hù)，再利用爆破方法，對堅(jiān)硬圍巖進(jìn)行開挖施工，而此時(shí)軟弱圍巖已經(jīng)支護(hù)到位，且嚴(yán)格控制炸材的使用，爆破對軟弱圍巖的影響已經(jīng)大大減少，確保了整個(gè)施工過程的安全。

2.3 施工技術(shù)流程及操作要點(diǎn)

根據(jù)桐梓隧道實(shí)際施工工藝，施工技術(shù)流程圖如圖2所示：

2.3.1 施工前準(zhǔn)備

施工前的準(zhǔn)備工作主要有超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、臺(tái)階高度確定、機(jī)械設(shè)備的選型、現(xiàn)場開挖放線等。

（1） 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

因?yàn)樗淼绹鷰r系煤系地層，為保證現(xiàn)場施工的安全，現(xiàn)場采用超前鉆孔法（加深炮孔+超前鉆孔）和物探法（地質(zhì)雷達(dá)）相結(jié)合的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法，二者相互印證，指導(dǎo)現(xiàn)場施工。

（2） 臺(tái)階高度的確定

因?yàn)殂娡谂c控爆聯(lián)合施工工法的核心內(nèi)容是將圍巖軟弱部位在控爆前支護(hù)完成，以保證現(xiàn)場施工的安全，所以開挖前必須根據(jù)現(xiàn)場掌子面軟弱圍巖位置確定臺(tái)階高度，保證銑挖機(jī)開挖范圍不需要再用其他方式開挖。另外臺(tái)階高度的確定也必須考慮現(xiàn)場施工的可操作性，例如考慮預(yù)留核心土后施工人員的操作空間、銑挖機(jī)的操作空間等，且確定了臺(tái)階高度才能確定拱架單元長度。

（3） 機(jī)械設(shè)備的選型

機(jī)械設(shè)備的選型根據(jù)工法開展的需求來確定，其中常規(guī)機(jī)械按三臺(tái)階七步開挖法配置，主要是針對銑挖機(jī)進(jìn)行選型?，F(xiàn)場是采用銑挖頭與挖機(jī)改裝配套的裝配式銑挖機(jī)，其好處是成本低、使用靈活、銑挖頭安裝與拆卸與破碎錘基本一致，即一臺(tái)挖機(jī)配置配套的銑挖頭、破碎錘，實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用。

（4） 現(xiàn)場開挖放線

測量員需要將開挖輪廓線在考慮預(yù)留變形量的情況下標(biāo)識(shí)出來，便于現(xiàn)場指揮人員指揮銑挖機(jī)輪廓開挖。放樣時(shí)，預(yù)留變形量不得小于設(shè)計(jì)量，必要時(shí)根據(jù)圍巖沉降收斂情況加大預(yù)留變形量。另外，首次放樣需要將臺(tái)階高度標(biāo)記出來。

2.3.2 銑挖機(jī)對上臺(tái)階開挖

上臺(tái)階開挖的前提條件是做好超前支護(hù)，且根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)計(jì)加強(qiáng)，保證銑挖機(jī)開挖后拱部圍巖穩(wěn)定，降低冒頂風(fēng)險(xiǎn)。開挖時(shí)，必須有專人進(jìn)行過程指揮與監(jiān)督，一是確保施工過程的安全，減少過程中不必要的圍巖擾動(dòng);二是保證開挖輪廓的準(zhǔn)確性，確保開挖一次性到位，減少圍巖的暴露時(shí)間;三是確保工序銜接緊湊，開挖完畢后確保馬上可以進(jìn)行初噴作業(yè);四是控制開挖進(jìn)尺不超過設(shè)計(jì)一榀拱架間距。

2.3.3 初噴

銑挖機(jī)開挖完畢后避免圍巖暴露時(shí)間過長導(dǎo)致的安全隱患，需要立刻對開挖出的圍巖面進(jìn)行初噴以及對掌子面進(jìn)行噴射混凝土封閉。初噴時(shí)注意，因?yàn)閲鷰r極差，初噴厚度最后可達(dá)20cm，噴厚過小，對圍巖維穩(wěn)作用效果差。如果掌子面出水量大，初噴工序結(jié)束后需要立刻對掌子面水進(jìn)行引排，避免水積壓在掌子面噴混后面，導(dǎo)致掌子面失穩(wěn)。

2.3.4 上臺(tái)階支護(hù)

初噴工序結(jié)束后即進(jìn)行上臺(tái)階初期支護(hù)，施工參數(shù)嚴(yán)格按設(shè)計(jì)參數(shù)走，必要時(shí)需要對設(shè)計(jì)加強(qiáng)，如加大拱架型號(hào)、擴(kuò)大拱架拱腳、增設(shè)鎖腰錨桿、拱頂增設(shè)臨時(shí)鋼支撐等。施工過程中注意一是施工工序要緊湊，及時(shí)進(jìn)行噴漿作業(yè);二是按規(guī)范埋設(shè)沉降觀測點(diǎn)，每組量測點(diǎn)埋設(shè)間距不大于5m。

2.3.5 中下臺(tái)階控爆開挖與支護(hù)

考慮安全原因，上臺(tái)階支護(hù)完畢后才可進(jìn)行中下臺(tái)階控爆開挖。開挖過程中注意開挖進(jìn)尺不超過設(shè)計(jì)一榀拱架間距，且需要不斷優(yōu)化爆破方案，減少炸材使用量，減低爆破對圍巖的影響。桐梓隧道控爆施工中，周邊眼間距40cm，距離開挖輪廓15cm左右，若爆破效果不理想，有欠挖情況，此時(shí)因放炮影響，圍巖松動(dòng)，利用銑挖機(jī)即可處理。

2.3.6 其他注意事項(xiàng)

（1）施工中各工序的質(zhì)量驗(yàn)收需要滿足中華人民共和國交通運(yùn)輸部發(fā)布的中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《公路工程質(zhì)量檢驗(yàn)評定標(biāo)準(zhǔn)》（JTG F80/1—2017）以及《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F60—2009）里面的相關(guān)規(guī)定。

（2）上述施工流程是按桐梓隧道現(xiàn)場實(shí)際情況來確定的，在利用該工法施工時(shí)，由于軟弱圍巖分布不一定在拱頂范圍，所以需要靈活使用。但是必須注意，施工軟弱圍巖段時(shí)，其余部位不得進(jìn)行爆破作業(yè)，且一定要做好掌子面引排水工作。

（3）開挖是本工法的重要環(huán)節(jié)，必須堅(jiān)持新奧法理念“弱爆破、短進(jìn)尺、強(qiáng)支護(hù)、早封閉、勤量測”的原則。開挖前應(yīng)對開挖輪廓進(jìn)行放樣，便于銑挖機(jī)或鉆眼時(shí)對開挖輪廓的精確把握。

（4）項(xiàng)目經(jīng)理部應(yīng)設(shè)專職質(zhì)檢工程師，班組設(shè)兼職質(zhì)檢員，嚴(yán)格執(zhí)行“三檢”制度，施工隊(duì)自檢、經(jīng)理部復(fù)檢，合格后及時(shí)通知監(jiān)理工程師檢查簽認(rèn)，隱蔽工程必須監(jiān)理工程師簽認(rèn)后方能進(jìn)行下道工序。

（5）支護(hù)完成后應(yīng)該及時(shí)布設(shè)量測點(diǎn)，按5m一組布置，必要時(shí)加密量測點(diǎn)，并根據(jù)監(jiān)控量測數(shù)據(jù)指導(dǎo)后續(xù)施工。

2.4 施工技術(shù)效果

因桐梓隧道WS-Va型襯砌結(jié)構(gòu)（共115m）設(shè)計(jì)采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工，所以本施工技術(shù)與雙側(cè)壁導(dǎo)坑法做經(jīng)濟(jì)效益比較。

2.4.1 工期效果

桐梓隧道煤系地層段施工任務(wù)共計(jì)115m，設(shè)計(jì)拱架間距50cm，雙層網(wǎng)片，系統(tǒng)錨桿為φ42*4鋼管（長度4m），超前為φ50*4鋼管（長度4m，每榀拱架施作），采用銑挖和控爆聯(lián)合施工工法施工，較設(shè)計(jì)雙側(cè)壁導(dǎo)坑法相比，工期明顯縮短。按雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工從開始施工到臨時(shí)支護(hù)拆除，大概需要259天，而實(shí)際采用銑挖和控爆聯(lián)合施工工法施工，施工時(shí)間約187天。從施工過程中圍巖揭露情況來看，采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工會(huì)造成冒頂現(xiàn)象以及冒頂產(chǎn)生的瓦斯突出等風(fēng)險(xiǎn)，處理這些突發(fā)情況造成的工期延誤不可估量。

綜上所述，采用銑挖和控爆聯(lián)合施工工法施工工期上至少節(jié)省72天時(shí)間。

2.4.2 經(jīng)濟(jì)效果

（1）銑挖與控爆聯(lián)合施工工法沒有臨時(shí)支護(hù)，而雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工有，即臨時(shí)支護(hù)材料為節(jié)省下來的材料，以及節(jié)省臨時(shí)支護(hù)的分包費(fèi)用，材料費(fèi)用見表1，費(fèi)用按本文獻(xiàn)創(chuàng)作時(shí)候的合同價(jià)格計(jì)算，包括材料費(fèi)用、加工和安裝費(fèi)用。

（2）銑挖和控爆聯(lián)合施工需要銑挖機(jī)和人工配合施工，而采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法，考慮到此時(shí)圍巖差，開挖時(shí)也可機(jī)械（一般隧道采用挖機(jī)+破碎錘）+控爆聯(lián)合開挖，也是機(jī)械與人工配合施工，兩種工法進(jìn)尺均為一榀拱架距離，所以考慮開挖費(fèi)用相差主要在機(jī)械上，調(diào)查AF-20RW銑挖頭費(fèi)用在23萬元左右，而破碎錘價(jià)格在6萬元左右，且銑挖頭上的銑刨齒為易耗品，費(fèi)用為110元/個(gè)，平均每米損耗3個(gè)，即銑挖頭損耗330元/m。

則使用銑挖頭的費(fèi)用為-23+6-0.033*115=-20.795萬元。

（3）銑挖和控爆聯(lián)合施工時(shí)支護(hù)人員配置按三臺(tái)階七步開挖法配置即可，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工時(shí)兩個(gè)導(dǎo)坑掌子面錯(cuò)開一定距離后可同時(shí)掘進(jìn)同時(shí)支護(hù)，兩個(gè)工法支護(hù)時(shí)人員成本見表2。

（4）桐梓隧道因掌子面軟硬圍巖的特殊分布，采用銑挖和控爆聯(lián)合施工較雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工更為安全，因此會(huì)節(jié)省下安全措施費(fèi)用。再者銑挖和控爆聯(lián)合施工較雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工空間大，在采用機(jī)械手濕噴工藝，空間大小對機(jī)械手操作影響很大，實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)可知空間大有利于機(jī)械臂操作，因此采用銑挖和控爆聯(lián)合施工法相對會(huì)節(jié)省噴射混凝土用量。上述費(fèi)用因雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工實(shí)際未發(fā)生，無法定量分析。

綜上所述銑挖和控爆聯(lián)合法施工較雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工費(fèi)用至少節(jié)省128.69+（-20.795）+（190.44-102.66）=195.675萬元。

2.4.3 監(jiān)控量測情況

桐梓隧道煤系地層段預(yù)留變形量15cm，實(shí)際預(yù)留變形25cm。測量班組按照規(guī)范要求對拱頂沉降及圍巖收斂進(jìn)行了量測，其中拱頂沉降最大累計(jì)值為74.5mm，然后所有點(diǎn)數(shù)據(jù)已趨于穩(wěn)定。

3 結(jié)論

（1）本施工技術(shù)適用于隧道穿越煤系地層或者洞身圍巖整體較差，但局部圍巖需要爆破開挖的情況，且從開挖面來看軟巖范圍較大，滿足一個(gè)臺(tái)階的施工空間。

（2）上述情況是針對桐梓隧道圍巖情況來說的，是按此工法施工難度及安全風(fēng)險(xiǎn)較大的情況，如遇其它軟硬巖分布情況，調(diào)整銑挖機(jī)與爆破開挖部位即可，但是應(yīng)堅(jiān)持軟硬巖不同時(shí)開挖的原則。

（3）銑挖與控爆聯(lián)合施工技術(shù)與設(shè)計(jì)的雙側(cè)壁導(dǎo)坑法相比，從工期方面講至少縮短72天;從經(jīng)濟(jì)方面講，從材料、機(jī)械、人工綜合考慮下相比至少節(jié)約195.675萬元。

（4）由于銑挖機(jī)的使用具有局限性，對于較硬圍巖的功效很低，因此后續(xù)應(yīng)對銑挖機(jī)適用的圍巖情況做詳細(xì)研究，進(jìn)而使銑挖與控爆聯(lián)合施工技術(shù)的應(yīng)用在工期、安全、成本等方面效果更為突出。

參考文獻(xiàn)：

（1）李永.銑挖法在軟巖隧道施工中的應(yīng)用[J]. 建筑機(jī)械，2014（08）：33-35

（2）易德軍.隧道式銑挖機(jī)開挖軟巖隧洞經(jīng)濟(jì)效果分析[J].農(nóng)業(yè)科技與信息，2018（13）：112-113