軟巖地質大跨隧道銑挖與控爆聯合施工技術

陳應強 黃力

摘 要：隧道掌子面施工遇到圍巖好壞均有分布時，軟弱圍巖如煤系地層段黑色煤巖可選用銑挖機施工，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。施工時先根據軟弱圍巖和較硬圍巖分布情況確定臺階高度。針對軟弱圍巖施工時利用裝配式銑挖機精準開挖到位，前提是將超前支護加強加密，然后立即支護到位，再將掌子面錨噴封閉。針對較硬圍巖施工時，將周邊眼根據實際情況內收15—20cm，放炮后利用銑挖機進行排險和欠挖處理，再進行支護工序。在開挖支護過程中，出于安全角度的考慮，應遵循軟硬巖不同時開挖的原則，降低放炮工序引起軟弱圍巖塌方的風險。

關鍵詞：軟弱圍巖;較硬圍巖;銑挖機;控爆;周邊眼

1 引言

本技術以公司承建的重遵擴容項目桐梓隧道右線煤系地層段施工為例，此段落隧道設計跨度為17.7m，設計施工工法為雙側壁導坑法，但是現場實際圍巖情況是兩側邊墻到拱腰位置圍巖較好，拱部圍巖為黑色碳質泥巖，無自穩能力，如按雙側壁導坑法施工，臨時支護拱頂位置（超前支護已完成）開挖出來后由于圍巖自穩能力差和爆破影響，未等下步工序施工就會產生冒頂現象，再加上此施工段落穿越夜貓洞斷層，施工過程中出現集中涌水，圍巖遇水變泥，作業空間狹小，造成極大的施工安全隱患。項目根據現場調查研究情況因地制宜，提出隧道銑挖與控爆聯合施工技術。前人已提出銑挖與控爆聯合施工技術，總體思想是掌子面總體為軟巖，先調節周邊眼位置等進行爆破，再進行銑挖機排險及欠挖處理，沒有針對掌子面軟硬巖兼有的情況進行施工總結，為此本文獻專門對此情況進行論述，為類似工程施工提供經驗。

2 施工技術

2.1 工程概況

蘭州至海口國家高速公路重慶至遵義段（貴州境）擴容工程第T8合同段位于遵義市桐梓縣境內，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，是重遵擴容項目的關鍵控制工程，具有工期緊、難度大等綜合特點。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

銑挖與控爆聯合施工工法遵循新奧法理念的“短進尺、快支護、勤測量、緊封閉”的原則，利用銑挖機施工精確且安全的特點對軟弱圍巖進行開挖并及時支護，再最大限度地控制炸藥量，對堅硬圍巖進行開挖施工。

爆破會降低圍巖的力學性能，爆破產生的地震波會使巖體瞬間擠壓而破碎，導致強度和彈性模量降低，隨著地震波的傳播會使圍巖產生裂紋或使圍巖中的原有裂紋擴展，影響圍巖完整性及穩定性。研究表明當軟弱圍巖正常的爆破施工會造成3m左右的爆破松動圈，對于像煤系地層這樣的軟巖，爆破影響更大。而利用銑挖機進行開挖，只對局部圍巖產生擾動，與爆破施工相比，甚至是與破碎錘開挖相比，擾動范圍要小得多，利于圍巖的穩定。

銑挖與控爆聯合施工，銑挖機先對軟弱圍巖進行開挖支護，再利用爆破方法，對堅硬圍巖進行開挖施工，而此時軟弱圍巖已經支護到位，且嚴格控制炸材的使用，爆破對軟弱圍巖的影響已經大大減少，確保了整個施工過程的安全。

2.3 施工技術流程及操作要點

根據桐梓隧道實際施工工藝，施工技術流程圖如圖2所示：

2.3.1 施工前準備

施工前的準備工作主要有超前地質預報、臺階高度確定、機械設備的選型、現場開挖放線等。

（1） 超前地質預報

因為隧道圍巖系煤系地層，為保證現場施工的安全，現場采用超前鉆孔法（加深炮孔+超前鉆孔）和物探法（地質雷達）相結合的超前地質預報方法，二者相互印證，指導現場施工。

（2） 臺階高度的確定

因為銑挖與控爆聯合施工工法的核心內容是將圍巖軟弱部位在控爆前支護完成，以保證現場施工的安全，所以開挖前必須根據現場掌子面軟弱圍巖位置確定臺階高度，保證銑挖機開挖范圍不需要再用其他方式開挖。另外臺階高度的確定也必須考慮現場施工的可操作性，例如考慮預留核心土后施工人員的操作空間、銑挖機的操作空間等，且確定了臺階高度才能確定拱架單元長度。

（3） 機械設備的選型

機械設備的選型根據工法開展的需求來確定，其中常規機械按三臺階七步開挖法配置，主要是針對銑挖機進行選型。現場是采用銑挖頭與挖機改裝配套的裝配式銑挖機，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，即一臺挖機配置配套的銑挖頭、破碎錘，實現一機多用。

（4） 現場開挖放線

測量員需要將開挖輪廓線在考慮預留變形量的情況下標識出來，便于現場指揮人員指揮銑挖機輪廓開挖。放樣時，預留變形量不得小于設計量，必要時根據圍巖沉降收斂情況加大預留變形量。另外，首次放樣需要將臺階高度標記出來。

2.3.2 銑挖機對上臺階開挖

上臺階開挖的前提條件是做好超前支護，且根據實際情況進行設計加強，保證銑挖機開挖后拱部圍巖穩定，降低冒頂風險。開挖時，必須有專人進行過程指揮與監督，一是確保施工過程的安全，減少過程中不必要的圍巖擾動;二是保證開挖輪廓的準確性，確保開挖一次性到位，減少圍巖的暴露時間;三是確保工序銜接緊湊，開挖完畢后確保馬上可以進行初噴作業;四是控制開挖進尺不超過設計一榀拱架間距。

2.3.3 初噴

銑挖機開挖完畢后避免圍巖暴露時間過長導致的安全隱患，需要立刻對開挖出的圍巖面進行初噴以及對掌子面進行噴射混凝土封閉。初噴時注意，因為圍巖極差，初噴厚度最后可達20cm，噴厚過小，對圍巖維穩作用效果差。如果掌子面出水量大，初噴工序結束后需要立刻對掌子面水進行引排，避免水積壓在掌子面噴混后面，導致掌子面失穩。

2.3.4 上臺階支護

初噴工序結束后即進行上臺階初期支護，施工參數嚴格按設計參數走，必要時需要對設計加強，如加大拱架型號、擴大拱架拱腳、增設鎖腰錨桿、拱頂增設臨時鋼支撐等。施工過程中注意一是施工工序要緊湊，及時進行噴漿作業;二是按規范埋設沉降觀測點，每組量測點埋設間距不大于5m。

2.3.5 中下臺階控爆開挖與支護

考慮安全原因，上臺階支護完畢后才可進行中下臺階控爆開挖。開挖過程中注意開挖進尺不超過設計一榀拱架間距，且需要不斷優化爆破方案，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，此時因放炮影響，圍巖松動，利用銑挖機即可處理。

2.3.6 其他注意事項

（1）施工中各工序的質量驗收需要滿足中華人民共和國交通運輸部發布的中華人民共和國行業標準《公路工程質量檢驗評定標準》（JTG F80/1—2017）以及《公路隧道施工技術規范》（JTG F60—2009）里面的相關規定。

（2）上述施工流程是按桐梓隧道現場實際情況來確定的，在利用該工法施工時，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，其余部位不得進行爆破作業，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節，必須堅持新奧法理念“弱爆破、短進尺、強支護、早封閉、勤量測”的原則。開挖前應對開挖輪廓進行放樣，便于銑挖機或鉆眼時對開挖輪廓的精確把握。

（4）項目經理部應設專職質檢工程師，班組設兼職質檢員，嚴格執行“三檢”制度，施工隊自檢、經理部復檢，合格后及時通知監理工程師檢查簽認，隱蔽工程必須監理工程師簽認后方能進行下道工序。

（5）支護完成后應該及時布設量測點，按5m一組布置，必要時加密量測點，并根據監控量測數據指導后續施工。

2.4 施工技術效果

因桐梓隧道WS-Va型襯砌結構（共115m）設計采用雙側壁導坑法施工，所以本施工技術與雙側壁導坑法做經濟效益比較。

2.4.1 工期效果

桐梓隧道煤系地層段施工任務共計115m，設計拱架間距50cm，雙層網片，系統錨桿為φ42*4鋼管（長度4m），超前為φ50*4鋼管（長度4m，每榀拱架施作），采用銑挖和控爆聯合施工工法施工，較設計雙側壁導坑法相比，工期明顯縮短。按雙側壁導坑法施工從開始施工到臨時支護拆除，大概需要259天，而實際采用銑挖和控爆聯合施工工法施工，施工時間約187天。從施工過程中圍巖揭露情況來看，采用雙側壁導坑法施工會造成冒頂現象以及冒頂產生的瓦斯突出等風險，處理這些突發情況造成的工期延誤不可估量。

綜上所述，采用銑挖和控爆聯合施工工法施工工期上至少節省72天時間。

2.4.2 經濟效果

（1）銑挖與控爆聯合施工工法沒有臨時支護，而雙側壁導坑法施工有，即臨時支護材料為節省下來的材料，以及節省臨時支護的分包費用，材料費用見表1，費用按本文獻創作時候的合同價格計算，包括材料費用、加工和安裝費用。

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

則使用銑挖頭的費用為-23+6-0.033*115=-20.795萬元。

（3）銑挖和控爆聯合施工時支護人員配置按三臺階七步開挖法配置即可，雙側壁導坑法施工時兩個導坑掌子面錯開一定距離后可同時掘進同時支護，兩個工法支護時人員成本見表2。

（4）桐梓隧道因掌子面軟硬圍巖的特殊分布，采用銑挖和控爆聯合施工較雙側壁導坑法施工更為安全，因此會節省下安全措施費用。再者銑挖和控爆聯合施工較雙側壁導坑法施工空間大，在采用機械手濕噴工藝，空間大小對機械手操作影響很大，實踐經驗可知空間大有利于機械臂操作，因此采用銑挖和控爆聯合施工法相對會節省噴射混凝土用量。上述費用因雙側壁導坑法施工實際未發生，無法定量分析。

綜上所述銑挖和控爆聯合法施工較雙側壁導坑法施工費用至少節省128.69+（-20.795）+（190.44-102.66）=195.675萬元。

2.4.3 監控量測情況

桐梓隧道煤系地層段預留變形量15cm，實際預留變形25cm。測量班組按照規范要求對拱頂沉降及圍巖收斂進行了量測，其中拱頂沉降最大累計值為74.5mm，然后所有點數據已趨于穩定。

3 結論

（1）本施工技術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，滿足一個臺階的施工空間。

（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險較大的情況，如遇其它軟硬巖分布情況，調整銑挖機與爆破開挖部位即可，但是應堅持軟硬巖不同時開挖的原則。

（3）銑挖與控爆聯合施工技術與設計的雙側壁導坑法相比，從工期方面講至少縮短72天;從經濟方面講，從材料、機械、人工綜合考慮下相比至少節約195.675萬元。

（4）由于銑挖機的使用具有局限性，對于較硬圍巖的功效很低，因此后續應對銑挖機適用的圍巖情況做詳細研究，進而使銑挖與控爆聯合施工技術的應用在工期、安全、成本等方面效果更為突出。

參考文獻：

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

（2）易德軍.隧道式銑挖機開挖軟巖隧洞經濟效果分析[J].農業科技與信息，2018（13）：112-113