提高軟巖隧洞開挖日進尺施工方法研究

張永鵬，吳建東

(1.甘肅省水務投資有限責任公司， 甘肅 蘭州 730000;2. 甘肅省水利科學研究院，甘肅 蘭州 730000)

1 工程簡介

甘肅省引洮供水工程是是水利部27項重點工程和全國172項節水供水重大水利工程項目之一，是甘肅省有史以來單項投資規模最大、引水渠線最長、覆蓋地區最廣、受益群眾最多的大型跨流域調水工程。該工程以城鄉生活、工業供水為主，兼顧農業灌溉及生態用水，為當地群眾脫貧致富及改善生態環境創造條件。引洮工程分兩期實施，甘肅省引洮供水二期工程四干渠1#—2#隧洞工程主體工程施工第7標段工程施工。該段總長3627m，其中1#隧洞長1935m，2#隧洞長1650m，隧洞總長3585m。該標段于2015年10月8日開工，工期45個月，建設要求四干渠各標段施工的隧洞在2017年9月底前貫通。

2 施工進度

2.1 前期隧洞開挖進度調查分析

2.1.1 1#隧洞出口段前期開挖日進度統計分析

(1)采用挖掘機開挖日進度統計分析

1#隧洞出口段全洞為磚紅色砂礫巖夾砂質泥巖，屬軟巖，軟巖施工難度大，容易發生大變形。施工前期采用KX161-3SZ型挖掘機進行開挖。因巖石為中等風化，有一定的硬度，只得采用挖掘機帶破碎錘開鑿，并經風鎬修邊。2015年11月1日—2015年12月27日，經47d掘進機開挖進度統計，日平均進尺僅為1.31m。

(2)采用鉆爆法開挖日進度統計分析

由于隧洞圍巖較硬，采用挖掘機開挖風鎬修邊費時費力，開挖進度緩慢，無法完成建設單位的施工進度指標。為加快施工進度，提高企業信譽，項目部加大了火工品審批力度，爭取早日采用鉆爆法施工。于2015年12月下旬火工品審批手續完畢，12月28日進行鉆爆法施工，經過13d爆破開挖，日平均進尺僅為1.52m，爆破效果不佳，開挖速度仍不理想，鉆爆法有其自身的缺點。

2.1.2 2#隧洞進口段前期開挖進度

根據設計圖紙，2#隧洞進口段工程洞口125m為土洞，圍巖為黃土狀土，實際進洞99m后見砂礫巖。土洞部分主要采用挖掘機、挖掘裝載機等方法開挖。見基巖砂礫巖后，前期主要采用挖掘裝載機開挖經41d統計，日平均進尺為1.96m。

2.2 不同設備開挖進度

1#隧洞出口段中等風化基巖不同開挖工藝掘進，圍巖為強風化-中等風化砂礫巖、砂質泥巖。挖掘機日均掘進1.31m，鉆爆法日掘進1.52m，鉆爆法施工速度略比挖掘機開挖快，但不能滿足開挖任務指標要求。2#隧洞進口段中等風化基巖為強風化砂礫巖、砂質泥巖，施工挖掘裝載機日均掘進1.96m，但隨著隧洞加深，巖石風化程度逐漸減弱，挖掘裝載機開挖難度加大，此進度無法完成開挖任務指標。

1#隧洞出口段開挖總工程量1935m，于2016年1月17日，已完成115m，剩余工程量1820m，按目前鉆爆法開挖日進尺1.52m推算，剩余工程量需用天數為1197d，2019年4月22日完工；按挖掘機掘進日進尺1.31m推算，2019年10月31日完工。2#隧洞進口段開挖工程量1650m，截止2016年1月17日，已完成175m，剩余工程量1475m，按挖掘裝載機開挖日進尺1.96m推算，剩余工程量需用天數為753d，按此開挖進度不能按期完工。

2.3 隧洞開挖進度緩慢的主要癥結

開挖包括隧洞掘進和一次支護兩道工序[2- 3]。為找到引起開挖進度緩慢的主要癥結，小組影響開挖日進尺的主要因素進行深入分析隧洞掘進和一次支護，超出常規時間所占的比例見表1，表中頻數由以往施工的類似工程的工作效率分析統計得出。

表1 開挖進度緩慢的主要癥結調查表 單位:%

引起開挖進度緩慢的主要癥結是隧洞掘進時間長，如果超出常規時間所占的比例為80%。1#隧洞日進尺：1.52×(1+80%)=2.74m；2#隧洞日進尺：1.96×(1+80%)=3.53m。按照施工要求于2017年9月底前貫通，距離貫通時間僅有623d，1#隧洞出口段日平均進尺必須達到：1820÷628=2.90m，2#隧洞進口段日平均進尺必須達到：1475÷628=2.35m，兩隧洞巖性相同。因此，目標值設定日進尺為2.90m，以往工程處其他項目一個工作面日進尺經常超過8m，僅施工地質條件與此項目有差異，一次性支護的工序比該項目簡單而已。

2.4 設定目標值

隧洞開挖日進尺分別從1#隧洞1.52m、2#隧洞1.96m提高到2.90m。

3 影響因素確定

影響因素確認表見表2。

1#隧洞出口段剩余工程量需用天數為1820÷1.52=1197d，需在2019年4月22日完工；按挖掘機掘進日進尺1.31m推算，需在2019年10月31日完工。2#隧洞進口段開剩余工程量1475m，按目前挖掘裝載機開挖日進尺1.96m推算，剩余工程量需用天數為1475÷1.96=753d，需在2018年2月2日完工。按目前開挖進度，1#隧洞出口段、2#隧洞進口段均不能按要求完成隧洞貫通，故必須改變施工工藝。對8個末端因素進行了認真調查、仔細統計分析，認為影響隧洞掘進速度的主要因素有2條：掘進工藝不合理；激勵機制不完善。

4 實施對策

經過信息收集、分析認為本標段隧洞圍巖為軟巖，掘進機、銑挖機可能能解決該項目隧洞的掘進工藝。對施工現場進行考察，結合本標段隧洞圍巖特性，了解掘進機、銑挖機的適用性。掘進機主要用于煤巷或半煤巖巷以及軟巖的巷道掘進，主要功能不是采煤，是給采煤機“開路”，本標段隧洞圍巖屬軟巖類可以采用掘進機作隧洞掘進施工的嘗試；銑挖機主要應用于露天煤礦，隧道掘進及輪廓修正、渠道溝槽銑掘、瀝青混凝土路面銑刨、巖石凍土銑挖、樹根銑削等多個領域；掘進機、銑挖機均設有自動出渣系統，可減少出渣設備。掘進機開挖對隧洞的圍巖擾動較小、其開挖主要以磨巖為主，因此容易控制超挖。相比鉆爆法開挖施工效率高、開挖經濟效益顯著。

表2 影響因素確認表

4.1 調整隧洞掘進工藝

(1)確定隧洞掘進工藝

經實地考察、調研，認為采用掘進機掘進作為項目部首選的隧洞開挖施工設備，以掘進機掘進取代挖掘機和常規的鉆爆法施工工藝。將考察情況及該項目今后隧洞開挖施工方案報公司領導決策，經專家組分析研究，決定使用1臺掘進機用于本標段隧洞開挖施工。

(2)掘進機應用效果

2016年2月16日，新購掘進機達到施工現場，先在2#隧洞試運行，3月份月掘進進尺達到114.0m，最高月進尺為172m；于3月26日調入1#隧洞掘進，2016年5月4日，又購置第二臺掘進機用于2#隧洞施工，創造了引洮二期工程月進尺184m的最高紀錄，見表3。

采用掘進機掘進后1#隧洞月進尺為月施工進尺為112.5～184m，自4月1日—12月31日計275d共掘進1392.5m，平均日進尺為5.06m；2#隧洞月進尺為107.5～172m，自3月1日—12月31日計245d共掘進1210m，平均日進尺為4.94m。實現了對策目標。

4.2 核定定額，超額獎勵

為激發施工人員積極性，小組成員建議項目部建立激勵機制。而后，項目部于2016年3月下旬制訂了《引洮二期供水工程7標項目部激勵機制實施辦法》，于2016年4月份起實施。辦法規定：每月工資由基礎工資+績效工資組成，其中績效工資與施工進度掛鉤，核定基數，超額獎勵。該辦法出臺后，施工人員積極性大大提高，大部分月份超額完成掘進基數，月收入大幅提升。

5 效果檢查

5.1 目標檢查

5.1.1目標值檢查

在進行調整隧洞掘進工藝和施工人員的獎勵后，隧洞掘進施工進度明顯加快，1#隧洞在3月末進行掘進機掘進取代挖掘機和常規鉆爆法施工工藝，2#隧洞在5月使用初掘進機掘進取代挖掘機施工工藝后日均掘進進度加快。

表3 采用掘進機掘進開挖日進尺統計表

對采取改變掘進工藝和人員獎勵后的開挖日進尺進行了統計，通過實施兩種措施，1#隧洞出口段開挖日進尺從原來的1.52m提高到4.29m，2#隧洞進口段開挖日進尺從原來的1.96m提高到4.17m，實現了開挖日進尺2.90m的目標。

5.1.2隧洞提前貫通

1#隧洞出口段長1935m，隧洞開挖計劃工期908d，于2015年10月31進洞施工，已于2017年4月17日貫通，實際開挖用時535d，比投標計劃提前373d完工；比業主確定的2017年9月提前貫通時間提早了166d。2#隧洞進口段長1650m，隧洞開挖計劃工期974d，于2015年10月28進洞施工，已于2017年1月4日貫通，實際開挖用時435d，提前539d，比業主確定的2017年9月提前貫通時間提早了269d。

5.2 取得的效果

5.2.1積累了施工經驗

該標段為引洮供水二期施工標段中首次選用掘進機開挖隧洞的項目；掘進機用于隧洞開挖，在我公司及黃土高原地區的隧洞項目施工中尚屬首次嘗試，它的成功應用為今后類似隧洞工程開挖起了拋磚引玉的作用。采用掘進機掘進隧洞，施工進度快，大大縮短了工期；掘進機為掘進、出渣一體化施工，減少了出渣設備的資金投入；能有效控制超欠挖現象，確保開挖施工質量；開挖掌子面無需施工人員，能大大降低安全風險。

5.2.2取得較好的經濟效益

(1)直接經濟效益

降低掘進成本272萬元。每立方米降低掘進成本72.5元，兩隧洞工程量37480m3，節約成本271.73萬元，經濟效益明顯。

(2)潛在經濟效益

掘進機的成功應用，公司品牌得到較大的提升，并為后繼30、35標段項目的承接起到一定的助推作用。

6 結語

在甘肅省引洮供水二期工程四干渠1#-2#隧洞圍巖為中等風化軟巖，實際掘進中發現使用傳統以挖掘機和鉆爆法為主的施工工藝掘進隧洞速度慢。因此調整隧洞掘進工藝，使用掘進機掘進開挖隧洞，同時還實施了施工人員超額獎勵機制。實施兩種措施后，隧洞掘進成本降低且隧洞掘進提前完成，形成了較好的經濟效益，同時該掘進方法對軟巖掘進積累了寶貴的施工經驗，對類似工程具有借鑒作用。隧洞掘進需立足于工程地質情況，結合已有工程經驗，努力完善和發展新的施工工藝，對降低工程成本意義重大。