龍泉山隧洞開(kāi)挖施工工藝適應(yīng)性分析

陳 波， 蘇 小 明， 劉 瑞， 鄧 鵬

(中國(guó)水利水電第十工程局有限公司，四川 都江堰 611830)

1 概 述

龍泉山隧洞長(zhǎng)11 850 m，分設(shè)三條施工支洞，分別長(zhǎng)383 m、431 m、276 m，隧洞總長(zhǎng)為12 940 m。其中Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類圍巖長(zhǎng)度分別為2 985 m、8 173 m、1 783 m(Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類圍巖占比分別為0.23∶0.63∶0.14)。隧洞成型斷面為4.5 m×4.5 m城門(mén)洞型，隧洞縱坡為1∶3 000。Ⅲ類圍巖混凝土襯厚25 cm，Ⅳ類圍巖混凝土襯厚40 cm，V類圍巖混凝土襯厚45 cm。龍泉山隧洞為高瓦斯隧洞，為整個(gè)毗河供水一期工程的關(guān)鍵線路。

2 全巖掘進(jìn)機(jī)施工工藝的引進(jìn)及設(shè)備選型

2.1 工藝引進(jìn)

隨著全巖掘進(jìn)機(jī)施工工藝在煤礦領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，目前在水利工程長(zhǎng)大隧洞工程中也得以逐步推廣，筆者結(jié)合龍泉山隧洞施工段工程結(jié)構(gòu)及地質(zhì)情況，對(duì)全巖掘進(jìn)機(jī)施工工藝的適應(yīng)性進(jìn)行了分析。

2.2 設(shè)備選型

本著滿足工期要求、控制施工成本等原則，并使安全、質(zhì)量得到有效保證，初步擬定分別在1#、2#、3#支洞配備一臺(tái)EBZ260A型全巖掘進(jìn)機(jī)。

3 掘進(jìn)機(jī)施工的相關(guān)技術(shù)要求及參數(shù)

3.1 技術(shù)參數(shù)

據(jù)廠家公開(kāi)資料顯示， EBZ260A掘進(jìn)機(jī)經(jīng)濟(jì)截割巖石硬度為90 MPa，最大截割巖石硬度為120 MPa，EBZ260A掘進(jìn)機(jī)最大定位截割斷面可達(dá)32 m2，最小定位截割斷面可達(dá)10 m2。要求環(huán)境溫度為0 ℃～40 ℃，最大空氣相對(duì)濕度不超過(guò)9 5 %。爬坡度能力為±18°。

3.2 掘進(jìn)機(jī)施工的相關(guān)技術(shù)要求

3.2.1 掘進(jìn)機(jī)需配套的供電、供水和供風(fēng)要求

(1)供電要求：供電電壓為1 140 V，配備(3×90 mm2+1×45 mm2)電纜線。

(2)供水要求：供水壓力為3 MPa，水量為30～120 L/min，如水壓不足，可配備增壓泵。

(3)供風(fēng)要求：建議保證最小供風(fēng)量不小于600 m3/min。

3.2.2 掘進(jìn)機(jī)后配套運(yùn)輸系統(tǒng)

可配套可伸縮式皮帶機(jī)，實(shí)現(xiàn)開(kāi)采的洞渣連續(xù)裝車運(yùn)輸，提高開(kāi)采效率。

3.3 設(shè)備日常的主要消耗

設(shè)備日常的主要消耗情況見(jiàn)表1。

表1 設(shè)備日常消耗表

備注：硬巖截齒價(jià)格：360～580元/個(gè)

4 適應(yīng)性技術(shù)分析

4.1 適應(yīng)性分析

設(shè)計(jì)單位提供的龍泉山隧洞所屬圍巖巖性主要為砂巖和粉砂質(zhì)泥巖不等厚互層。圍巖干抗壓強(qiáng)度最大值為73.8 MPa，滿足廠家經(jīng)濟(jì)截割巖石硬度為90 MPa的要求。龍泉山隧洞最大開(kāi)挖斷面為5.4 m×5.4 m，最小開(kāi)挖斷面為5 m×5 m，介于最大定位截割斷面32 m2、最小定位截割斷面10 m2之間。龍泉山隧洞縱坡坡降為1/3 000，支洞坡比亦在1/10以內(nèi)，均在設(shè)備爬坡度能力±18°(1/3)范圍內(nèi)。

綜上所述，通過(guò)對(duì)龍泉山隧洞的巖性、斷面尺寸、坡度等方面與廠家提供的參數(shù)進(jìn)行對(duì)比后認(rèn)為采用掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)施工是合適的。

4.2 工期對(duì)比

由于龍泉山隧洞為整個(gè)工程施工的關(guān)鍵線路，故施工方案必須滿足工期要求。

鉆爆法施工：設(shè)計(jì)單位安排龍泉山隧洞分為進(jìn)口控制段、1#支洞上游和下游控制段、2#支洞上游和下游控制段、3#支洞上游和下游控制段及出口控制段，共計(jì)8個(gè)工作面進(jìn)行開(kāi)挖及襯砌混凝土施工。經(jīng)計(jì)算，該計(jì)劃能夠滿足工期要求。

掘進(jìn)機(jī)施工：由于掘進(jìn)機(jī)自重較重，行走速度僅為0.3 km/h左右，其難以確保兩個(gè)工作面交替循環(huán)施工，故擬投入3臺(tái)掘進(jìn)機(jī)，將設(shè)計(jì)單位安排的8個(gè)工作面按圖1所示的順序依次進(jìn)行開(kāi)挖及襯砌跟進(jìn)施工。經(jīng)計(jì)算，該計(jì)劃滿足工期要求。

工作面規(guī)劃及施工順序見(jiàn)圖1。

開(kāi)挖月強(qiáng)度指標(biāo)：Ⅲ類圍巖為240 m/月、Ⅳ類圍巖為160 m/月、Ⅴ類圍巖為125 m/月圖1 掘進(jìn)機(jī)法施工程序規(guī)劃圖

4.3 超、欠挖(質(zhì)量)控制對(duì)比

由于該工程隧洞襯砌厚度較小，若超挖控制不當(dāng)，將對(duì)該工程成本控制帶來(lái)較大影響。

掘進(jìn)機(jī)開(kāi)挖與鉆爆法開(kāi)挖具有的本質(zhì)區(qū)別：

鉆爆法施工：該方法開(kāi)挖質(zhì)量控制不僅受鉆孔人員能力和責(zé)任心控制外，還受到鉆機(jī)性能、裝藥量、炸藥性能、節(jié)理組成、巖性、爆破震動(dòng)等因素影響，且與地質(zhì)預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性及爆破人員對(duì)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)情況預(yù)判的準(zhǔn)確性有很大關(guān)系。根據(jù)以往施工經(jīng)驗(yàn)，很難將超挖控制在規(guī)范允許的范圍之內(nèi)，施工超挖量相對(duì)較大。

掘進(jìn)機(jī)法施工：開(kāi)挖過(guò)程中對(duì)超挖的控制主要由人和設(shè)備控制，并且對(duì)圍巖的擾動(dòng)可以達(dá)到最小程度。若加強(qiáng)對(duì)操作人員的管理，將極大程度將超欠挖控制在規(guī)范允許的范圍之內(nèi)，理論上甚至不超挖，洞室開(kāi)挖圓順度高，隧洞成型效果好，便于初期支護(hù)。

4.4 施工安全性對(duì)比

(1)鉆爆法施工：

爆破施工對(duì)洞室圍巖的擾動(dòng)及穩(wěn)定影響均較大，尤其是Ⅳ、Ⅴ類圍巖，爆破后將產(chǎn)生較大的塌方，巖石將重新進(jìn)行應(yīng)力調(diào)整，同時(shí)亦對(duì)施工人員的安全、支護(hù)過(guò)程形成較大的威脅，增加額外的安全支護(hù)工程量。另外，由于鉆爆法鉆孔施工過(guò)程中施工人員(5～6人)須近距離在掌子面工作，安全風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較高。

(2)掘進(jìn)機(jī)法施工：

由于工作面采用“一次截割成形”，即截割頭從工作面中間截面的底部開(kāi)始截割，利用截割部的上下、左右移動(dòng)以及行走功能，按截割規(guī)定的路線使截割頭掃過(guò)巷道截面使其一次成形。相比鉆爆法，對(duì)圍巖擾動(dòng)及穩(wěn)定影響均達(dá)到最低，洞室開(kāi)挖圓順度高，隧洞成型效果好。掘進(jìn)和出渣時(shí)間縮短，結(jié)合圍巖的自穩(wěn)能力，初期支護(hù)質(zhì)量容易得到保證，洞室塌方機(jī)率較鉆爆法小很多。另外，開(kāi)挖施工過(guò)程中僅需2名操作人員，且操作人員無(wú)需近距離接近掌子面，從而減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，況且此時(shí)的工作環(huán)境是在已完成初期支護(hù)的圍巖下面，相比之下安全風(fēng)險(xiǎn)最低。

5 成本對(duì)比分析

5.1 鉆爆施工

根據(jù)招投標(biāo)文件中有關(guān)龍泉山隧道地質(zhì)情況簡(jiǎn)介，結(jié)合類似工程經(jīng)驗(yàn)分析，其鉆爆開(kāi)挖石方成本為：

(1)人工鉆孔費(fèi)用：35元/m3；

(2)火工材料費(fèi)用：Ⅲ類圍巖：22元/m3；Ⅳ類圍巖：16.75/m3；Ⅴ類圍巖：17.15元/m3。

(3)通風(fēng)散煙費(fèi)用：擬采用兩臺(tái)55 kW的風(fēng)機(jī)(中間接力一臺(tái)乘以1.25的系數(shù))進(jìn)行通風(fēng)散煙，其中設(shè)備折舊和維護(hù)費(fèi)用攤?cè)腚娰M(fèi)單價(jià)中，通風(fēng)散煙費(fèi)用為：Ⅲ類圍巖：14.42元/m3；Ⅳ類圍巖：12.6/m3；Ⅴ類圍巖：13.68元/m3。

(4)施工供風(fēng)：擬采用一臺(tái)110 kW空壓機(jī)供風(fēng)，其中設(shè)備折舊和維護(hù)費(fèi)用攤?cè)腚娰M(fèi)單價(jià)中，施工供風(fēng)費(fèi)用為：Ⅲ類圍巖：8.24元/m3；Ⅳ類圍巖：7.2 /m3；Ⅴ類圍巖：6.84元/m3。

(5)出渣費(fèi)用：擬采取一臺(tái)扒渣機(jī)裝渣、配10 t小型自卸汽車出渣，費(fèi)用為35元/m3，其中扒渣機(jī)上料費(fèi)為15元/m3，運(yùn)輸費(fèi)為20元/m3。

(6)炸藥庫(kù)建設(shè)費(fèi)：根據(jù)目前的考察情況和龍泉山隧洞施工對(duì)火工產(chǎn)品的需要，火工產(chǎn)品庫(kù)房建設(shè)費(fèi)用保守估計(jì)約200萬(wàn)元，洞挖方量為33.27萬(wàn)m3，火工產(chǎn)品庫(kù)房攤銷為6.01元/m3。

采用鉆爆方式洞挖的直接成本：Ⅲ類圍巖：120.48元/m3；Ⅳ類圍巖：112.56元/m3；Ⅴ類圍巖：113.68元/m3。

龍泉山隧洞石方洞挖工程量為332 773 m3，其中Ⅲ類圍巖64 941 m3；Ⅳ類圍巖216 734 m3；Ⅴ類圍巖51 098 m3，按以上單價(jià)計(jì)算總費(fèi)用約為3 800萬(wàn)元，綜合單價(jià)為114.28 /m3。

5.2 全巖掘進(jìn)機(jī)的施工

EBZ260A全巖掘進(jìn)機(jī)售價(jià)約580萬(wàn)元/臺(tái)，結(jié)合龍泉山隧洞工程實(shí)際需要，根據(jù)計(jì)算，需要購(gòu)買(mǎi)3臺(tái)全巖掘進(jìn)機(jī)才能滿足工期要求。

設(shè)備攤銷費(fèi)：龍泉山隧洞石方開(kāi)挖量共計(jì)為332 773 m3，設(shè)備攤銷費(fèi)(暫按設(shè)備原值的70%攤銷)為36.6元/m3；

設(shè)備運(yùn)行費(fèi)：根據(jù)廠家提供的相關(guān)參數(shù)和耗材價(jià)格，結(jié)合目前的電價(jià)計(jì)算得到的設(shè)備運(yùn)行費(fèi)為：Ⅲ類圍巖：61.93元/m3；Ⅳ類圍巖：31.43元/m3；Ⅴ類圍巖：14.52元/m3。

設(shè)備維修費(fèi)攤銷：目前了解到的情況和廠家提供的資料均無(wú)法計(jì)算設(shè)備后期維修費(fèi)，故暫按10元/m3計(jì)算。

通風(fēng)散煙費(fèi)用：擬采用兩臺(tái)55 kW的風(fēng)機(jī)(中間接力一臺(tái)乘以1.25的系數(shù))進(jìn)行通風(fēng)散煙，其中設(shè)備折舊和維護(hù)費(fèi)用攤?cè)腚娰M(fèi)單價(jià)中，通風(fēng)散煙費(fèi)用為：Ⅲ類圍巖：6.87元/m3；Ⅳ類圍巖：5.14元/m3；Ⅴ類圍巖：3.42元/m3。

運(yùn)渣費(fèi)用：全巖掘進(jìn)機(jī)配備有自帶的上料皮帶機(jī)，只需采用自卸汽車運(yùn)輸即可，費(fèi)用為20元/m3。

采用全巖掘進(jìn)機(jī)方式洞挖的直接成本：Ⅲ類圍巖：135.4元/m3；Ⅳ類圍巖：103.17元/m3；Ⅴ類圍巖：84.54元/m3。按以上單價(jià)計(jì)算總費(fèi)用為3 550萬(wàn)元，綜合單價(jià)為106.6 /m3。

5.3 鉆爆法與全巖掘進(jìn)機(jī)的優(yōu)劣分析

5.3.1 常規(guī)鉆爆法施工

龍泉山隧洞工程以鉆爆的方式施工，其石方洞挖實(shí)際成本約為114.28元/m3，總費(fèi)用約3 800萬(wàn)元，開(kāi)挖工期為26個(gè)月。

優(yōu)點(diǎn)：鉆爆工藝非常成熟，且有成簡(jiǎn)快速通道等工程作為參考，工程施工易于控制，前期資金和設(shè)備投入小，人員易于組織和管理。

缺點(diǎn)：龍泉山隧洞屬于高瓦斯隧洞，爆破施工安全風(fēng)險(xiǎn)高，超欠挖不易控制、通風(fēng)散煙壓力大、炸藥庫(kù)建設(shè)費(fèi)用高，火工產(chǎn)品管理難度大，洞口周圍民房及建筑物較多，對(duì)當(dāng)?shù)鼐用竦挠绊懘螅┕っ媾R較大干擾。

5.3.2 全巖掘進(jìn)機(jī)法施工

使用EBZ260H全巖掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行石方洞挖其實(shí)際成本約為106.6 /m3，總費(fèi)用約3 550萬(wàn)元，開(kāi)挖工期為26個(gè)月。

優(yōu)點(diǎn)：相對(duì)于鉆爆方式，石方洞挖實(shí)際成本每m3減少了7.68元。對(duì)巖層擾動(dòng)較小，施工安全更有保障，降低了通風(fēng)散煙的壓力并消除了火工產(chǎn)品的管理難度，全巖掘進(jìn)機(jī)施工對(duì)周邊居民影響較小，可大大減小施工干擾風(fēng)險(xiǎn)。最主要的是：采用全巖掘進(jìn)機(jī)方式施工可以更好地控制洞挖過(guò)程中出現(xiàn)的超挖、超填工程量，降低施工成本。

缺點(diǎn)：前期設(shè)備費(fèi)用投入大，且目前對(duì)全巖掘進(jìn)機(jī)的性能和運(yùn)行費(fèi)用主要是通過(guò)咨詢廠家和其他施工單位，缺乏第一手資料，存在一定風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)掘進(jìn)過(guò)程中出現(xiàn)巖石強(qiáng)度增高而導(dǎo)致施工成本成倍增加、對(duì)工期的影響，對(duì)維修及運(yùn)行成本超過(guò)目前了解的情況而導(dǎo)致成本超過(guò)鉆爆成本時(shí)仍需采用鉆爆工藝施工；另外，需單獨(dú)架設(shè)1 140 V的高壓供電系統(tǒng)。

5.3.3 綜合比較

綜上所述，經(jīng)對(duì)目前考察和掌握的情況進(jìn)行分析得知，使用鉆爆方式和全巖掘進(jìn)機(jī)方式施工，龍泉山隧洞的開(kāi)挖總工期均為26個(gè)月。全巖掘進(jìn)機(jī)方式洞挖比鉆爆方式洞挖綜合單價(jià)少7.68元/m3，可節(jié)省費(fèi)用250萬(wàn)元。但因設(shè)備前期需投入1 740萬(wàn)元，按2 a、年利率8%計(jì)算資金的時(shí)間成本為289萬(wàn)元，從經(jīng)濟(jì)上分析，兩種施工方式的成本基本一致。

由于鉆爆和全巖掘進(jìn)機(jī)施工在工期和經(jīng)濟(jì)上基本一致，但使用全巖掘進(jìn)機(jī)可以減小施工附加量、減小對(duì)當(dāng)?shù)卮迕竦氖┕じ蓴_、降低火工產(chǎn)品管理的難度和費(fèi)用、改善洞內(nèi)施工環(huán)境、降低安全風(fēng)險(xiǎn)，因此，使用全巖掘進(jìn)機(jī)方式相比鉆爆方式仍具有一定的優(yōu)勢(shì)，還可以根據(jù)總工期安排與調(diào)節(jié)，對(duì)其他隧洞進(jìn)行施工。

6 結(jié) 語(yǔ)

綜上所述，根據(jù)設(shè)計(jì)單位提供的地質(zhì)情況，結(jié)合工作面的劃分和全巖掘進(jìn)機(jī)對(duì)圍巖的理論適應(yīng)性，最終分別在龍泉山隧洞1#、2#、3#檢修交通洞控制工作面各配置了一臺(tái)EBZ260A全巖掘進(jìn)機(jī)。筆者對(duì)全巖掘進(jìn)機(jī)施工工藝從結(jié)構(gòu)、工期、安全及質(zhì)量控制等方面進(jìn)行了全面的分析論證，其結(jié)果均能滿足該工程要求，尤其在施工安全及質(zhì)量上明顯優(yōu)于鉆爆法施工，并且經(jīng)濟(jì)可行。

通過(guò)從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、質(zhì)量、進(jìn)度及安全角度分析后得出以下結(jié)論：采用全巖掘進(jìn)機(jī)施工工藝在龍泉山隧洞工程中進(jìn)行開(kāi)挖施工可行，解決了水利工程中上覆巖體較薄、人口較為集中、巖石破碎的隧洞不能采取常規(guī)鉆爆法施工的開(kāi)挖難題，亦為其它隧洞工程施工工藝的選擇提供了一定的借鑒，對(duì)于新工藝的推廣起到了一定的示范效應(yīng)。但需注意必須下大力氣解決粉塵治理問(wèn)題。