淺談隧道軟弱圍巖銑挖掘進工藝的應用

中圖分類號 U455 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2025）08-0137-03

0 引言

國家交通基礎設施建設正逐步從平原地區向山嶺地區擴展，這一轉變對工程技術和施工管理提出了更高的要求。在山區隧道的建設過程中，地質情況的復雜性尤為突出，普遍存在的泥巖、膏巖、煤層、角礫巖等軟弱層，構成了隧道施工中的重大挑戰。這些軟弱圍巖若處理不當，極易導致隧道超挖嚴重、初期支護空腔、襯砌變形開裂等問題，甚至可能引發拱頂坍塌和隧道塌方等嚴重事故。因此，如何安全有效地穿越軟弱圍巖，一直是山嶺地區隧道施工管理中的重難點問題。

傳統的隧道開挖方法，主要依賴于新奧法的原理，通過光面爆破技術來減少對圍巖和支護結構的擾動，控制超欠挖情況，最大限度地保護圍巖的完整性，并利用巖體自身的承載力來構建整體的支護體系。然而，軟弱圍巖通常具有節理裂隙發育、巖質軟弱、結構破碎以及遇水軟化膨脹等特點，在這些軟弱層中，采用傳統的鉆爆法施工極易導致巖體結構松動、超挖、掉塊、變形、坍塌等問題，存在嚴重的安全質量隱患，同時也無法確保工程的生產進度。

針對這一挑戰，該文依托仁沐新高速五指山特長隧道，結合隧道穿越巖溶角礫巖段和石膏段的工程實踐，研究總結出一套創新的隧道軟弱圍巖免爆破機械開挖施工工藝。該工藝通過采用挖掘機裝配銑挖頭和破碎錘的配套使用，實現了對軟弱圍巖段隧道的快速開挖掘進。此方法不僅顯著減少了對圍巖的擾動，最大限度地保障了施工安全，同時也有效避免了超欠挖現象，極大地提高了生產效率。這種創新的施工工藝，為山嶺地區隧道工程的建設提供了寶貴的技術支持和實踐經驗。

1" 工藝原理和特點

1.1 工藝原理

完成上循環初期支護作業之后，施工現場的操作人員將配備有先進液壓系統的挖掘機調度至隧道開挖面附近。利用該挖掘機配備的液壓系統回路，操作人員將銑挖頭安裝至機械臂的端頭，為接下來的開挖作業做好充分準備。在測量人員通過專業儀器對開挖輪廓線進行精確測量并完成標識工作之后，挖掘機的銑挖鉆頭被激活，開始以高速旋轉的方式進行掌子面的切削作業。為優化開挖順序與效率，工程中采取了一種自下而上、按照環形順序、實施左右循環、逐層擴大的施工策略。此策略不僅確保了施工的有序性和效率，而且在掌子面中部預留的核心土體的輔助下，增強了整個開挖過程的穩定性。在銑刨作業進行的同時，施工現場采取了增加通風和灑水降塵的措施，以有效控制空氣中的粉塵含量，從而保障了洞內作業環境的質量和作業人員的健康。當基巖輪廓線基本形成，且開挖作業接近尾聲時，施工人員將破碎錘替換至挖掘機機械臂端頭，對局部存在欠挖或銑挖死角的位置進行細致的振動破碎修整。出渣作業完成后，利用銑挖頭或破碎頭對潛在的危險區域進行了排危找頂處理，以消除安全隱患[3]。

1.2 工藝特點

（1）不同于傳統的軟巖鉆爆施工，該工藝采用機械化配套開挖掘進可有效減少對周邊圍巖的擾動，杜絕了因爆破振動導致軟巖變形、掉塊現象，同時可利用機械臂銑刨和振動沖擊破碎，根據開挖輪廓線靈活切削基巖輪廓，修整形成較為平順的初支作業界面，有效控制超欠挖，替代人工打鉆和排危工作，大大提高作業安全和施工質量。

（2）用于挖掘機裝配的銑挖頭、破碎錘，安裝簡便，操作靈活，可依據圍巖情況和分部開挖位置選擇適宜的機械設備，實現快速更換和使用，同時設備維護保養簡單、維修成本低、適應范圍廣、實用性強。

（3）相較于傳統的鉆爆施工，由單一的機械開挖替代了布眼、打鉆、爆破、排危的作業工序，節約了隧道開挖時間；同時由機械開挖替代了傳統的鉆爆工藝，實現了機械化減人，節約了炸材成本，具有良好的經濟效益和社會效益。

2 施工工藝技術要點

2.1 施工工藝流程

軟弱圍巖銑挖掘進施工工藝流程如圖1所示。

銑挖掘進開挖支護工序如圖2所示。

2.2 施工工藝操作要點

（1）施工準備。

根據隧道軟弱圍巖特性進行開挖方式和斷面設計，一般采用環形開挖預留核心土法施工；根據挖掘機性能大小選擇適配的銑挖頭和破碎錘，施工前做好設備的調試和試運行工作。

銑挖和破碎過程易產生細小砂礫和粉塵，施工前需保障工作面最小風速不小于 0 . 2 5 m / s 的要求。同時設置噴淋系統，于開挖臺車、二襯臺車及已施工二襯段落分別設置噴淋降塵噴頭，噴灑水霧除塵，保障良好作業環境。

（2）測量放樣。

采用全站儀測量路線方向和隧道開挖輪廓范圍，并做好標識，與現場班組長與機手做好交底。

（3）銑挖頭安裝。

測量放樣的同時，挖掘機及時將挖斗更換為銑挖頭，并進行調試，以確保設備安裝后有效運行。

（4）掌子面銑刨。

銑挖頭就位后將設備移動至工作面，根據挖掘機臂長合理調整縱深位置，履帶前端距掌子面一般不少于 3 m 保證有效作業的同時防止因掌子面掉塊導致設備和人員的損傷[3]。

隨后啟動銑挖頭，通過內部液壓馬達帶動銑挖刀鼓高速旋轉，刀鼓上的刀齒碰撞結構面，實現對巖面的切削與剝離，銑挖時先挖除預留核心土附近的巖面，核心土不進行銑挖擾動，隨后將銑挖頭向邊墻位置逐步靠近，左側與右側視圍巖軟弱程度先后交替進行，完畢后再由拱墻至拱頂由下向上開挖，掌子面完成初步銑刨。

初步銑刨的輪廓邊界距掌子面開挖輪廓線保留 2 0 ～ 覆蓋層，可有效減少對圍巖周邊的擾動，防止出現超挖情況。覆蓋層待下一步配合破碎錘精準整修。

銑挖頭在工作時隨即啟動噴淋系統，將產生大量的粉塵采用水霧稀釋，達到降塵的目的，同時保持現場良好通風。

（5）修整輪廓線。

初步銑刨后，挖掘機退移至側壁，工作面預留的渣土由裝載機集中裝運，為精準整修提供作業面的同時同步實施出渣工序，節省工序時間。

場地清理完畢后，預留的覆蓋層采用由下向上、分層分段精準整修，挖掘機可依據整修角度靈活調整設備方位。由于銑挖刀鼓不是垂直于周邊巖面，施工中存在局部死角，同時銑刨過程中可能存在局部硬質巖面無法切削，集中采用更換破碎錘的方式進一步破碎處理；利用液壓破碎錘的液壓能轉化成機械沖擊能，推動釬桿破碎覆蓋層死角和硬質巖石，對輪廓線進一步整修[4]。

（6）復測驗收與排危。

組織測量人員復測輪廓線，對存在局部欠挖位置進一步破碎處治，并利用機械臂全方位排查危石，保障立架過程的作業安全。

（7）出渣。

將剩余覆蓋層渣土及破碎后掉落的石屑集中裝運至棄渣場，隧道完成開挖、出渣、找頂的作業工序，隨后立即進行初期支護作業。

3質量控制措施

（1）因機械臂機動靈活，在開挖圍巖時應注意照明和現場指揮，避免銑挖頭和破碎錘破壞已完成段落的初支結構，減少二次修復。

（2）施工過程應嚴格控制欠挖。每 內欠挖面積不宜大于 ，欠挖的隆起量不得大于 5 0 m m 。拱腳、墻腳以上 l m 范圍內及凈空圖折角對應位置嚴禁欠挖[2]

（3）施工過程應減少超挖情況，破碎巖、軟土地層平常超挖宜不大于 ，最大位置超挖應不大于 。

（4）隧道機械開挖在完成規定的進尺后，必須立即進行初期支護噴射混凝土，以減少圍巖的風化、變形。

4安全控制措施

（1）施工前應對作業班組進行安全教育、崗前培訓和安全技術交底，每班施工前進行班前五分鐘教育，確保施工人員熟知安全操作要點及安全防范措施。

（2）軟弱圍巖段落施工現場安全員、技術員需全過程監督，技術員重點觀察施工過程圍巖的發育趨勢，指導現場合理調整分部開挖范圍；安全員重點監督現場施工安全環境交叉施工機械人員安全，發現異常情況及時制止，防止安全風險擴大。

（3）操作機械司機必須持證上崗，不得無證駕駛大型機械，并配置對講機，保障施工過程中的有效溝通。

5 工藝應用情況

省仁壽至屏山新市公路項目LJ15合同段，標段路線全長為 7 . 4 0 5 k m ，其中五指山特長隧道出口端為該項目的控制性工程，隧道左洞長 4 5 2 2 m ，右洞長 4 5 3 0 m 地層巖性主要以粉砂質泥巖、泥質粉砂巖、細砂巖、煤層（線）、灰巖、泥灰巖、白云巖、角礫巖、石膏等。其中，巖溶角礫巖 7 8 m （ K1 3 9 + 1 0 5 ～ K1 3 9 + 0 2 7 ） ，石膏層 1 3 7 m C K 1 3 9 + 0 2 7 ～ K 1 3 9 + 8 9 0 ） ，該段落因巖質軟弱，采用爆破施工易引起巖體崩落、坍塌，安全無法得到有效保障，爆破擾動導致超挖和塌腔出現情況頻繁，噴射混凝土回填量大，塌腔處置周期長。經項目試驗研究，該段落采取銑挖頭和破碎錘的機械開挖方式替代人工鉆孔和爆破，工法應用后，施工安全可靠，質量可控，且與傳統的施工方法相比，施工速度更快，成本更低。

目前隧道已安全有效地穿越了角礫巖和石膏軟弱地層，施工期間得到了建設各方的一致認可，具有顯著的經濟和社會效益。

6 結論與展望

該文對隧道軟弱圍巖銑挖掘進工藝的應用進行了研究，揭示了其在隧道施工過程中的重要性。通過對該工藝的研究，發現其原理具有較強的普遍性，不僅適用于各種地質條件下的隧道施工，還能有效應對軟弱圍巖所帶來的復雜性和不確定性。這一工藝的理論意義在于豐富了隧道施工的理論框架，提供了新的思路與方法，特別是在提高施工效率及安全性方面具有重要價值。

從實用價值來看，銑挖掘進工藝大大增強了對軟弱圍巖的適應能力，提升了施工的安全性和有效性，這與以往采用傳統挖掘方法的研究結果形成鮮明對比。傳統方法往往在軟弱圍巖條件下顯得力不從心，而銑挖掘法通過先進的切削技術，能夠有效降低圍巖的破壞，減少施工過程中的風險。

然而，該研究也存在一些難以解決的問題，例如如何進一步優化銑挖掘機的設計以提高施工效率，或在不同地質條件下建立更精確的適應模型。為此，建議后續研究可以集中于以下幾個方向：首先，加強對隧道工程中不同圍巖條件下銑挖掘工藝效能的實證研究，以逐步完善其理論體系；其次，探索新型材料和技術在銑挖掘中的應用，以不斷提高施工設備的性能與可靠性；最后，建立基于大數據和智能化技術的監測與控制系統，從而實現對隧道施工全過程的監控與優化。

隧道軟弱圍巖銑挖掘進工藝在提高隧道施工效率和安全性方面展現出良好的應用前景，但仍需通過進一步的研究與實踐探索解決現存的問題，以推動該領域的發展。希望未來的研究者能夠在該文的基礎上進一步深化對該工藝的認識和研究，為隧道建設和交通運輸事業的發展作出更加積極的貢獻。

參考文獻

[1]公路隧道施工技術規范：JTG/T3660—2020[S].北京：人民交通出版社，2020.

[2]公路工程質量檢驗評定標準：JTGF80/1—2017[S].北京：人民交通出版社，2018.

[3]王新明.軟弱圍巖隧道銑挖與鉆爆開挖聯合施工技術研究[D].湖南：中南大學，2012.

[4]孫偉剛，王成武，陳建.兩水隧道軟巖銑挖法施工技術[J].現代隧道技術，2011（2）：170-173.