銑挖法在引洮二期工程軟巖隧洞中的應用

孫章平

（甘肅省水利水電勘測設計研究院有限責任公司，甘肅 蘭州 730000）

1 工程概況

引洮供水工程主要是解決甘肅省中部干旱地區11個國家扶貧重點縣城鎮及工業用水、農村人畜飲水、生態環境用水問題，同時兼有灌溉、發電、防洪等綜合利用功能的大型跨流域調水工程，引洮二期供水范圍為定西市安定區、隴西縣、通渭縣，白銀市會寧縣，天水市武山縣、甘谷縣、秦安縣及平涼市靜寧縣4市8個縣區97個鄉鎮1692個行政村，供水縣城4個（通渭、會寧、秦安、靜寧）。受水區主要分布在隴西黃土高原西部，總體屬黃土低中山梁峁地貌區，海拔1400 m～2626 m，相對高差一般小于300 m。

引洮二期工程建筑物以隧洞為主。總干渠線路全長95091.45 m，其中隧洞20座，長度90580.43 m，約占渠線總長的95%；Ⅴ類圍巖主要由新近系粉砂質泥巖、泥質粉砂巖、砂礫巖和古近系砂巖夾砂礫巖以及前震旦系片麻巖古風化殼、斷層破碎帶及影響帶構成。Ⅴ類圍巖和第四系黃土類土隧洞其長度約占總長度的85%以上。

Ⅴ類圍巖粉砂質泥巖洞段主要性質為巖性軟弱，屬極軟巖，遇水易軟化崩解，失水干縮，易風化，圍巖極不穩定，洞頂易坍塌掉塊。黃土狀土隧洞主要性質為結構中密～密實，含水量較高，土體呈可塑狀，地下水位于洞身附近時，圍巖不能自穩。

2 隧洞設計和開挖原則

對粉砂質泥巖、泥質粉砂巖、砂礫巖、礫巖等Ⅳ、Ⅴ類圍巖、極軟巖及黃土隧洞，巖石單軸原狀抗壓強度一般為0.2 MPa～4.9 MPa，黃土狀土干密度一般為1.23 g/cm3～1.62 g/cm3。因力學強度低，遇水易軟化崩解，自穩能力差，自穩時間短，隧洞設計采用能較好適應圍巖變形和山巖壓力的三心圓拱型斷面[1]。三心圓拱襯砌斷面的輪廓尺寸根據襯砌軸線與外力作用下的壓力曲線相吻合的原則擬定。受地質條件、供水規模、供水對象等因素限制，引洮二期總干渠隧洞斷面尺寸相對較小。如總干渠某隧洞面尺寸為4 m×3.8 m左右，上川輸水渠開挖斷面尺寸為2.4 m×2.6 m左右，斷面尺寸只滿足施工條件要求。軟巖隧洞斷面開挖見圖1。

圖1 軟巖隧洞開挖斷面

本次隧洞支護、襯砌結構設計參考以往類似工程設計經驗，采用復合式的支護襯砌結構聯合體系，一次支護采用新奧法設計、二次襯砌采用結構力學方法進行計算以確保隧洞設計、施工安全。新奧法設計原則是最大限度利用圍巖自承能力，合理確定二次襯砌厚度配筋等參數，使工程做到經濟合理。隧洞支護方法為隧洞開挖完后及時對圍巖進行噴錨一次支護，減少圍巖擾動。通過“勤觀測”，分析圍巖收斂、變形數據規律，判斷斷面穩定性，及時調整支護參數，通過圍巖觀測數據判斷圍巖收斂性，合理確定二次襯砌時間。

3 隧洞開挖方案比選

目前，隧洞開挖主要采用的施工方法有鉆爆法、機械開挖法，其中機械開挖法又包括盾構機，掘進機，銑挖機等施工方法。引洮二期飲水隧洞斷面比較小，不適用掘進機、盾構機等大型機械施工，且盾構機、挖掘機造價高。因此引洮二期隧洞開挖方案主要考慮鉆爆法和銑挖法。

3.1 銑挖法施工

銑挖法以銑挖機為核心，可配合其他機械，以控制爆破，靜力破碎等方式進行隧洞開挖的非爆破開挖方法[2]。銑挖機主要有銑挖刀頭、銑挖頭、銑挖機身、傳輸帶組成。銑挖機頭可安裝在任何類型的液壓挖掘機上，廣泛應用于隧洞開挖、渠道銑掘、瀝青混凝土路面銑刨、巖石凍土銑挖等多個領域。銑挖機的應用為隧道開挖提供了一種新的施工方法，特別適用于中低強度、完整性較好巖石。銑挖機具有掘進、開挖、出渣一體化的功能，銑挖機見圖2。

圖2 銑挖機圖片

銑挖法施工主要特點為：

1）施工效率高：銑挖機集掘進、開挖、出渣一體化功能，可連續作業，施工效率高。根據引洮二期隧洞施工經驗，引洮二期工程軟巖單軸原狀抗壓強度為0.2 MPa～4.9 MPa，在軟巖洞段開挖強度可達到14 m3/h～20 m3/h左右,在黃土洞段可達到18 m3/h～30 m3/h左右。

2）開挖精度高：引洮二期軟巖隧洞采用三心圓斷面，開挖尺寸控制比較困難。銑挖機可精確按照設計斷面開挖，嚴格控制超挖，欠挖，降低施工過程中“寧超勿欠”所引起的材料浪費[3]，確保二襯砼厚度，節約成本。

3）對圍巖擾動小：銑挖機利用銑挖刀頭，平緩開挖斷面，巖體受擾動小，不引起圍巖及已支護斷面動力響應。

4）環境污染小：銑挖機施工過程中產生少量灰塵，通過合理的排風措施，減少對人體危害。

5）施工安全：隧洞開挖支護采用“短進尺，強支護，勤量測”原則。銑挖機前臂可連續進尺2 m～3 m，銑挖機操作人員可在已噴錨支護斷面下進行，減少隧洞開挖過程中掉塊、塌方等造成人員傷亡。

6）機械化程度高：隧洞開挖斷面一般只需要一個銑挖機操作員，然后利用小型柴油三輪車在運輸帶后面將洞渣運至洞外，機械化程度高。

7）節約成本：根據引洮二期所在地火工品單價分析,以引洮二期某軟巖隧洞開挖單價比較,銑挖機開挖較鉆爆法施工約低680元/m。

8）適用范圍受限：對于強度小于等于15 MPa軟巖開挖效率高，但對于15 MPa～30 MPa軟巖效率偏低，開挖緩慢。開挖過程中遇到局部圍巖強度為30 MPa左右，開挖1.5 m進尺，開挖時間約15 h，且銑挖機刀片磨損嚴重。

3.2 鉆爆法施工

引洮二期工程隧洞巖性主要為砂質泥巖、泥質粉砂巖、砂礫巖、礫巖等軟巖和極軟巖，為避免開挖過程中圍巖受擾動嚴重，造成中～大塌方，確保開挖安全。隧洞采用光面爆破開挖。通過嚴格控制周邊爆眼方向、間距、裝藥量以及起爆順序，嚴格按技術條款要求控制周邊殘孔率，控制超挖、欠挖量，減少周邊及已襯砌圍巖擾動，達到光面爆破效果。爆眼可采用氣腿式鑿巖機或手持式鑿巖機打孔，也可采用煤電鉆打孔。對極軟巖洞段黃土洞段不宜采用全斷面一次開挖。注重開挖方法的選擇，宜采用上下臺階法、預留核心土法及先行導洞法等施工方法，以保證一次支護的及時施工。

鉆爆法施工主要特點:

1）適用范圍廣：鉆爆法適用于硬巖、軟巖，對不同強度的巖石均可使用。

2）對圍巖擾動大：據相關研究爆炸能以不同的形式釋放，一部分以動能的形式誘發圍巖振動，其間巖體應變能也會在開挖面通過近區和遠區相互做功的形式誘發振動，即圍巖振動是由爆炸能和巖體應變能共同引起[4]。鉆爆法對圍巖及已支護斷面擾動大。

3）施工效率低：光面爆破法施工，掌子面需要各工種人員多，實施繁瑣。

4）爆破、開挖施工過程中危險性因素較多。

5）污染大：爆破過程中產生濃煙比較多，排煙時間較長。

6）斷面尺寸較難控制：引洮二期軟巖隧洞采用三心圓斷面，特別是軟巖隧洞，巖石膠結力弱，自穩能力差，輪廓斷面較難控制，采用鉆爆法容易造成圍巖松動，導致隧洞掉塊、塌方。

3.3 方案比選

引洮二期隧洞施工具有以下特點：隧洞斷面小，距離長，工期要求緊張，軟巖或黃土洞段所占比例大。通過對兩種施工方案綜合分析，在軟巖隧洞中采用銑挖法施工，技術先進，施工安全，效率高，施工進度大大提高。銑挖法與鉆爆法主要優缺點對比見表1。

表1 兩種方案對比

3.4 銑挖法在施工中遇到的問題及解決方法

（1）圍巖中有地下水時，施工比較困難。主要原因為圍巖滲水，銑挖機刀頭開挖時，粘結成泥糊狀；底板泥化，銑挖機陷入泥中，行走困難。施工中解決辦法：在遇水洞段，采用集水井，加強排水；在滲水集中的位置集中飲水，防止地下水漫排。并在底板泥化洞段，采用干硬性砼硬化底板。

（2）開挖過程中遇巖石破碎段及黃土洞段，特別是粉砂巖，遇水崩解，有掉塊及頂部坍塌現象，有砸中開挖機操作人員現象，造成人員受傷。施工中解決辦法：對黃土洞段及圍巖極軟或破碎以及富含地下水的特殊洞段采用超前支護管棚和施工注漿等輔助方法。超前支護一般采用φ42超前管棚（環向間距300 mm，L=3000 mm），搭接長度1 m～1.5 m，必要時采用φ108超前鋼管管棚（環向間距350 mm，L=10000 mm），管棚搭接長度2 m～3 m；開挖時采用上下臺階法、預留核心土法等施工方法[2]。開挖過程中采用短進尺，一般為一個循環，進尺一般為1.0 m～1.5 m，及時噴錨支護，然后進行下一循環。這樣可保證開挖人員在已支護穩定洞段施工。

（3）銑挖機液壓采用風冷式系統，工作時間長時，銑挖機刀頭溫度升高，油溫上升，造成液壓管道爆破，銑挖機頭額定功率下降等現象，施工中合理安排工序，避免連續工作導致機器損壞。

（4）引洮二期隧洞斷面普遍偏小，一般采用自卸式柴油農用三輪車運輸，加上開挖過程中的粉塵，當隧洞較長時，洞內污染嚴重，能見度低，施工條件差。施工過程中加強通風、排煙能力，盡可能保持良好的施工環境。

4 結語

根據引洮二期工程實踐證明，銑挖法在軟巖（特別是圍巖強度≤15 MPa）和黃土洞段，具有機械化成度高，隧洞斷面開挖精度高，對圍巖擾動小、污染小、施工安全等明顯優勢。銑挖法的運用可大大提高施工效率，縮短工期，為工程按時通水提供有利保障。銑挖法在引洮二期工程的應用，可供類似隧洞設計與施工參考借鑒。