復(fù)雜環(huán)境條件下隧洞機(jī)械施工技術(shù)研究

胡 洪 鑫，劉 金 平，劉 毓 川

(中國水利水電第十工程局有限公司，四川 都江堰 611830)

1 概 述

為了減少傳統(tǒng)爆破施工對(duì)周圍環(huán)境和居民生活環(huán)境的影響及破壞，掘進(jìn)機(jī)等先進(jìn)的機(jī)械開挖變成了隧洞開挖的主流。隨著其應(yīng)用范圍的擴(kuò)大和市場要求的提高，掘進(jìn)機(jī)技術(shù)取得了重大突破，尤其在全巖掘進(jìn)方面有了質(zhì)的飛躍。

毗河供水一期工程新生水庫灌區(qū)終期灌溉面積為30.76萬畝(1hm2=15畝)，根據(jù)該灌區(qū)耕地呈單面坡分布的特點(diǎn)，渠線只能穿越低矮山脊并通過侵蝕地布置。該片灌區(qū)渠系工程由新生水庫(正常蓄水位高程400 m)、新安分干渠與6條支渠及已成新生水庫的左、中、右三條渠道組成。其中一期工程中的新安分干渠長溝隧洞(總長度為3 886 m)為新生灌區(qū)的關(guān)鍵線路。

長溝隧洞穿越山脊、山嘴和埡口與溝間山體，地層為白堊系上統(tǒng)灌口組(K2g)、下統(tǒng)白龍組(K1b)和蒼溪組(K1c)，侏羅系上統(tǒng)蓬萊鎮(zhèn)組(J3p)和遂寧組(J3s)地層，巖性為砂巖和粉砂質(zhì)泥巖互層，除局部砂巖屬中硬巖外，其余屬軟巖～較軟巖。

經(jīng)過現(xiàn)場實(shí)際勘察、走訪附近群眾，對(duì)該地區(qū)以往工程情況進(jìn)行了解后，項(xiàng)目部聘請(qǐng)了西南交通大學(xué)專家進(jìn)行了咨詢，決定采用掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行機(jī)械性開挖施工。

2 掘進(jìn)機(jī)在開挖過程中具有的優(yōu)勢

2.1 爆破震動(dòng)影響

該工程引水隧洞埋深最小為3 m，不足一個(gè)洞徑，最大埋深30多m，平均埋深基本為20 m左右，屬淺埋式隧洞。地表多為柏樹林覆蓋，綠化效果好。隧洞軸線附近居民集中，隧洞從19戶居民住宅、3座魚塘下部穿過，魚塘底部距離洞頂?shù)暮穸葍H為8 m。同時(shí)，距離洞頂14 m位置有一根D813天然氣管道穿越該隧洞。

在如此環(huán)境中，傳統(tǒng)的爆破方式控制震動(dòng)極為復(fù)雜，居民的土坯房難免在受到震動(dòng)后會(huì)出現(xiàn)開裂等現(xiàn)象。針對(duì)這種情況，項(xiàng)目部根據(jù)現(xiàn)場土坯房、燃?xì)夤艿赖认嚓P(guān)建筑物距離進(jìn)行了爆破計(jì)算分析，計(jì)算結(jié)果如下：

(1)公式的確定。

根據(jù)《爆破安全規(guī)程》 (GB6722-2014)P42中13.2.4(1)式R=(K/V)1/aQ1/3倒推，采用公式Q=R3/(K/V)3/a進(jìn)行 計(jì)算。式中Q為炸藥量，齊發(fā)爆破為總藥量，延時(shí)爆破為最大單段藥量，kg；R為爆破振動(dòng)安全允許距離，m；K，a為與爆破點(diǎn)至保護(hù)對(duì)象間的地形、地質(zhì)條件有關(guān)的系數(shù)和衰減系數(shù)，應(yīng)通過現(xiàn)場試驗(yàn)確定；無現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)據(jù)的條件下，可參考表1選??；V為保護(hù)對(duì)象所在地安全允許質(zhì)點(diǎn)振速，cm/s[1]。

(2)參數(shù)的選取。

K，a：根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，因巖石強(qiáng)度較高，經(jīng)所測試驗(yàn)數(shù)據(jù)判定(表2)巖石巖性屬于“中硬巖石”，因此，參考表1(巖性中硬巖石)取值；同時(shí)，為進(jìn)一步降低震速以保證燃?xì)夤艿?、土坯房安全，取K=150 ，a=1.5。

V：由于現(xiàn)場房屋破舊、燃?xì)夤艿赖燃?jí)高，該工程參考表2取值：該隧洞保護(hù)對(duì)象按序號(hào)1“土窯洞、土坯房、毛石房屋”考慮，屬于地下淺孔爆破，頻率范圍f>50 Hz，V取值為0.9～1.5 cm/s。為進(jìn)一步降低震速以保證人員財(cái)產(chǎn)安全，該工程采用V<0.9 cm/s控制。

(3)最大允許單段藥量計(jì)算。

根據(jù)以上公式取值，針對(duì)不同的爆破施工區(qū)域距離天然氣管道的距離計(jì)算出理論最大允許單段藥量(表3)。

由計(jì)算結(jié)果可以看出：距離土坯房和燃?xì)夤艿莱^90 m后才能實(shí)施正常的爆破作業(yè)?？梢?，在保證安全的前提下，爆破作業(yè)方案基本上不能滿足正常施工進(jìn)度。而掘進(jìn)機(jī)機(jī)械開挖震動(dòng)的影響范圍不足1 m，具有明顯的優(yōu)勢。

2.2 施工噪音影響

《建筑施工場界環(huán)境噪聲排放標(biāo)準(zhǔn)》GB12523-2011明確要求：晝間不大于70 dB(A)，夜間不大于55 dB(A)。而爆破施工要控制到該標(biāo)準(zhǔn)以下必須在震源或是傳播途中采用隔音設(shè)施進(jìn)行防護(hù)，防護(hù)工程量大，拆裝不便，防護(hù)投入高。采用掘進(jìn)機(jī)施工噪音極低，幾乎對(duì)周邊群眾的生產(chǎn)生活不產(chǎn)生影響。

2.3 對(duì)施工人員及設(shè)備的安全影響

表2 爆破振動(dòng)安全允許標(biāo)準(zhǔn)表

注：(1)爆破振動(dòng)監(jiān)測應(yīng)同時(shí)測定質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)相互垂直的三個(gè)分量；

(2)表中質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度為三個(gè)分量中的最大值，振動(dòng)頻率為主振頻率；

(3)頻率范圍根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測波形確定或按如下數(shù)據(jù)選?。喉鲜冶苀小于20 Hz，露天深孔爆破f在10～60 Hz之間，露天淺孔爆破f在40～100 Hz之間；地下深孔爆破f在30～100 Hz之間，地下淺孔爆破f在60～300 Hz之間。

2.3.1 隧洞開挖施工安全

掘進(jìn)機(jī)采用切割式開挖，對(duì)巖石進(jìn)行切削，尤其是在裂隙較發(fā)育的巖層中，掘進(jìn)機(jī)切削基本對(duì)巖石無擾動(dòng)，短進(jìn)尺后，巖石基本可以保證在支護(hù)前的穩(wěn)定可靠狀態(tài)，對(duì)施工人員和設(shè)備運(yùn)行安全都有良好的保證。

而采用傳統(tǒng)的爆破方式開挖會(huì)導(dǎo)致裂隙發(fā)育、圍巖擾動(dòng)、掉塊現(xiàn)象嚴(yán)重，每槽炮完成后，施工人員都需要冒險(xiǎn)進(jìn)行“敲幫問頂”工作，危險(xiǎn)性極大，加之施工人員對(duì)擾動(dòng)危石的判斷僅能依靠經(jīng)驗(yàn)和眼觀，不能做到100%的排除。該工程附近類似引水工程就出現(xiàn)過兩起工人排險(xiǎn)后危石掉落砸人的安全事故。

2.3.2 職業(yè)健康安全

眾所周知：傳統(tǒng)的爆破開挖炸藥是關(guān)鍵。但是，炸藥爆炸在釋放能量的同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生一些有毒氣體，如果處理不當(dāng)，就會(huì)使操作者中毒，危害操作者的健康和生命安全[2]。長期以來，如何避免中毒事故一直是安全生產(chǎn)的一大難題。因?yàn)檫@些有毒氣體的產(chǎn)生和中毒事故的發(fā)生是炸藥的質(zhì)量、爆破條件、操作方法綜合作用的結(jié)果。要解決這個(gè)問題需要對(duì)以上的影響因素進(jìn)行深入系統(tǒng)的研究，不但需要高質(zhì)量的炸藥，而且要研究合理的使用方法，同時(shí)還要培養(yǎng)一支既有責(zé)任心，又懂炸藥爆炸原理、性能和爆破技術(shù)的復(fù)合型爆破技術(shù)人員和操作者。

表3 理論最大允許單段藥量表

(1)炸藥的有毒氣體?，F(xiàn)代混合炸藥主要為有機(jī)和無機(jī)的硝胺(銨)化合物、硝基化合物和各種含碳化合物，如纖維、烴類以及堿金屬和作為消焰劑的無機(jī)鹽類，如堿金屬氯化物等。此外，還有氯酸鹽炸藥和含硫炸藥。這些炸藥爆炸時(shí)，生成CO、N2O3、NO、H2S和少量的其它有害氣體[3]。

(2)產(chǎn)生有害氣體的原因。產(chǎn)生有害氣體的原因有很多種。其一，乳化炸藥的防水塑料包裝在爆炸燃燒作用下生成CO，這些可燃物起到了改變炸藥氧平衡的作用。炸藥中碳?xì)浔鹊臄?shù)值越大，爆炸后生成CO的量越多；其二，有時(shí)反應(yīng)不完全，爆炸產(chǎn)物偏離所預(yù)期的結(jié)果，產(chǎn)生了較多的有毒氣體。

(3)有毒氣體對(duì)人體的毒害。CO經(jīng)呼吸道進(jìn)入肺內(nèi)，通過肺泡侵入人體血液后生成血紅蛋白，由于血紅蛋白對(duì)CO的親合力比對(duì)氧的親合力大250～300倍，故人吸入CO后就會(huì)減少血液的輸氧能力，使人體的各部分組織細(xì)胞產(chǎn)生嚴(yán)重的缺氧現(xiàn)象。

NO2是呈紅褐色且有特殊氣味的氣體，對(duì)人體的毒性主要是影響人的呼吸深部。進(jìn)入肺泡后，慢慢的和肺泡內(nèi)飽和水作用，反應(yīng)成硝酸和亞硝酸，對(duì)支氣管和肺組織產(chǎn)生強(qiáng)烈的刺激和腐蝕，致使肺水腫。它比CO的毒性大6.5倍。

另外，當(dāng)NO2與CO同時(shí)存在時(shí)，毒性更強(qiáng)。據(jù)對(duì)爆破炮煙實(shí)測得知，往往是CO、NO2共存，所以炮煙中毒比單一的CO、NO2中毒更加嚴(yán)重。

由此可見，炸藥爆炸產(chǎn)生有毒有害氣體是不可避免的，其直接危害著操作者的健康和生命安全。

掘進(jìn)機(jī)工作產(chǎn)生的有毒有害氣體幾乎為零，降塵措施采用旋轉(zhuǎn)噴霧降塵，降塵機(jī)器固定在掘進(jìn)機(jī)機(jī)身上，該裝置簡單、輕便，與掘進(jìn)機(jī)配套安裝使用特別方便，旋轉(zhuǎn)噴霧產(chǎn)生水幕，將粉塵和操作人員隔開，實(shí)測降塵效果高達(dá)93%；同時(shí)，操作人員佩戴“3M”高效防塵面具，該面具采用5N11濾棉+6001濾毒盒，對(duì)操作人員起到雙重防護(hù)。在對(duì)操作人員身體狀況進(jìn)行兩年時(shí)間的體檢跟蹤取得的結(jié)果表明：各項(xiàng)指標(biāo)均正常。

2.4 開挖質(zhì)量影響

2.4.1 地質(zhì)原因引起的超挖

傳統(tǒng)的爆破施工巖石受到炸藥的瞬間氣體膨脹而開裂達(dá)到破碎巖石的目的。光面爆破是周邊眼同時(shí)起爆，各炮眼的沖擊波向四周徑向傳播，相鄰炮孔的沖擊相遇產(chǎn)生的應(yīng)力波相疊加[4]而產(chǎn)生縱向拉力將巖石拉裂，從而在相鄰炮孔中間形成一道“切割縫”，隨后炸藥的爆破余量沿“切割縫”將巖石分開達(dá)到光面爆破的效果。但這些理論在實(shí)踐中卻存在巨大的困難。查閱相關(guān)的資料圖片可以看出：光面爆破取得巨大成功的前提基本上都是致密的花崗巖、大理石，而在層狀分布或節(jié)理發(fā)育的巖石中取得好的光面爆破效果的少之又少。筆者對(duì)該工程中隧洞出現(xiàn)的層狀分布巖石進(jìn)行了分析(圖1)，該項(xiàng)目位于川中地區(qū)，隧洞巖石基本為泥巖、砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、黏土等，水平狀分層，且以中厚層為主，經(jīng)過地震等自然影響，部分層間夾有新鮮的填充物并伴隨著滲水，層間結(jié)合力差。每個(gè)掌子面分布有十多條明顯的巖層界線，這種情況下，光面爆破存在很大的障礙：當(dāng)兩個(gè)周邊孔跨越巖層分界線時(shí)，理論上的最小抵抗線就會(huì)根據(jù)實(shí)際情況發(fā)生改變，從而導(dǎo)致邊墻超挖，嚴(yán)重的部位超挖達(dá)20 cm(圖2、3、4)。

2.4.2 施工工藝引起的超挖

傳統(tǒng)爆破掘進(jìn)開挖中的第一項(xiàng)工作是鉆孔施工，鉆孔受手風(fēng)鉆、煤電鉆、鑿巖臺(tái)車等機(jī)械設(shè)備驅(qū)動(dòng)裝置的影響，鉆桿不能完全和開挖線重合，必須有一定的外插角度，一般而言，小型鉆孔機(jī)具外側(cè)預(yù)留寬度為5 cm以上，大型設(shè)備的預(yù)留寬度為10～15 cm， 故傳統(tǒng)爆破開挖后的隧洞成型并不是規(guī)則的直線型洞壁，而是鋸齒狀，這也是施工過程中各方經(jīng)常提到的定額中考慮了部分超挖量(圖5)的緣故。

圖1 隧洞巖層分布及炮眼布置圖

圖2 周邊孔和巖層界線關(guān)系圖

圖3 理論爆破后的效果圖

在大斷面引水隧洞施工過程中，該部分超挖量的占比相對(duì)較小，而在小斷面引水隧洞開挖中其占比尤為明顯。在該項(xiàng)目中，該部分的超挖量占到了設(shè)計(jì)超挖量的7.14%，超填混凝土占到了設(shè)計(jì)混凝土的15.78%，因此，傳統(tǒng)的爆破開挖方式受工藝的影響巨大，僅此一項(xiàng)，該項(xiàng)目就多出了近700萬元的投入。

圖4 實(shí)際爆破后的效果圖

圖5 爆破隧洞鉆孔平面圖

而采用掘進(jìn)機(jī)開挖，在五臺(tái)激光指向儀的引導(dǎo)下，超挖幾乎可以控制在1 cm以內(nèi)，其優(yōu)勢顯而易見。

2.5 施工時(shí)間的影響

進(jìn)入二十一世紀(jì)以來，隨著生活質(zhì)量的改善，人們對(duì)生活環(huán)境有了更高的要求，地方政府也出臺(tái)了相應(yīng)的保護(hù)居民生活質(zhì)量的文件，例如，要求居民集中區(qū)或?qū)W校附近不允許在夜間進(jìn)行爆破施工；高速路等專項(xiàng)設(shè)施附近也有明確的不允許進(jìn)行爆破作業(yè)的要求，導(dǎo)致傳統(tǒng)的爆破作業(yè)方式受到的限制比較大。該項(xiàng)目在夜間9∶00至早晨6∶00之間不允許爆破作業(yè)。而掘進(jìn)機(jī)的開挖不受這些外部條件的影響，優(yōu)勢明顯。

3 掘進(jìn)機(jī)施工存在的不足

雖然掘進(jìn)機(jī)技術(shù)在不斷發(fā)展、裝備水平也在大幅度提升，但對(duì)于城門洞型引水隧洞，其使用還存在一些不足之處。

3.1 隧洞底腳欠挖問題

由于掘進(jìn)機(jī)的切割頭直徑達(dá)40 cm，所以，在城門洞型引水隧洞開挖過程中，兩個(gè)底腳會(huì)形成圓形欠挖部分，該部分欠挖如在支護(hù)前采用風(fēng)鎬或傳統(tǒng)鉆孔爆破方式進(jìn)行處理，影響時(shí)間長且需耗費(fèi)大量的人力物力，影響巨大；如在支護(hù)后的出渣過程中處理，操作人員的安全得不到保障。最后，項(xiàng)目部根據(jù)現(xiàn)場情況決定，在底板開挖過程中，兩個(gè)底腳緊貼洞壁再向下下刀開挖20 cm，兩側(cè)欠挖的問題即得到解決，同時(shí)也形成了兩側(cè)的排水溝。但該方案在洞徑小于3 m的隧洞中不適用，在其兩側(cè)開挖水溝后將會(huì)影響同行車輛的運(yùn)行安全。因此，對(duì)于洞徑小于3 m的隧洞欠挖問題還有待進(jìn)一步研究(圖6)。

3.2 將開挖棄渣作為填筑料問題

圖6 隧洞欠挖及排水溝典型平面圖

引水工程需要考慮土石平衡問題。隧洞的開挖棄渣需用于填方渠道的填筑。但是，掘進(jìn)機(jī)開挖棄渣級(jí)配達(dá)不到填筑料規(guī)范要求，究其原因主要是掘進(jìn)機(jī)開挖采用截齒切割巖石，因截齒長度太小，所切割的巖石料成粉狀。為了解決該問題，項(xiàng)目部與廠家一起進(jìn)行了研究，將原來的U95HDLR(88 mm)截齒換成了U92HDLR(102 mm)截齒，長度上的增加，石渣的級(jí)配有了明顯的改善，但是截齒不能無限制的加長，施工過程中還要根據(jù)巖石的強(qiáng)度以及填筑環(huán)境并結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行試驗(yàn)確定。

4 結(jié) 語

小斷面引水隧洞推廣應(yīng)用懸臂式掘進(jìn)機(jī)，其技術(shù)成熟，經(jīng)濟(jì)合理。隨著全巖掘進(jìn)機(jī)的推出，掘進(jìn)機(jī)在硬巖隧洞掘進(jìn)方面也有了重大突破，掘進(jìn)機(jī)技術(shù)的發(fā)展體現(xiàn)了計(jì)算機(jī)、新材料、自動(dòng)化、信息化、系統(tǒng)科學(xué)等高新技術(shù)的綜合和密集，也反映出了一個(gè)國家的綜合國力和科技水平[5]。

毗河供水一期項(xiàng)目經(jīng)歷了由半巖的采煤型掘進(jìn)機(jī)到全巖型工程掘進(jìn)機(jī)的發(fā)展過程，雖然經(jīng)歷很艱辛，各個(gè)廠家的試驗(yàn)人員經(jīng)過多種嘗試，最終形成了今天的全巖掘進(jìn)機(jī)，截止目前，全巖掘進(jìn)機(jī)在施工過程中保證了工程進(jìn)度，超欠挖控制滿足設(shè)計(jì)要求，尤其是安全得到了強(qiáng)有力的保障。