小斷面軟巖隧洞銑挖機(jī)快速掘進(jìn)及支護(hù)技術(shù)研究

(中國(guó)水利水電第五工程局有限公司，成都，610066)

1 工程概況

引大濟(jì)湟工程在湟水一級(jí)支流大通河上游石頭峽建庫引水，經(jīng)調(diào)水總干渠穿越大阪山入黑泉水庫，解決湟水兩岸山區(qū)和干流資源性缺水問題。該工程分三期實(shí)施，西干渠為三期工程。本工程建設(shè)地點(diǎn)位于青海省西寧市湟中縣(上五莊鎮(zhèn)、攔隆口鎮(zhèn)、多巴鎮(zhèn))。起訖樁號(hào)為K75+926.78～K95+706.75，總長(zhǎng)19.78km，本工程主要承擔(dān)隧洞8座(43#-50#隧洞)，總長(zhǎng)8576m。

本標(biāo)段隧洞工程除48#隧洞外其余7座隧洞均為城門洞型，48#隧洞為馬蹄型。洞挖以Ⅳ類、Ⅴ類圍巖為主，開挖斷面面積約10m2，隧洞圍巖類別包括：黃土、構(gòu)造碎屑巖、砂質(zhì)粘土巖、粉砂巖、砂礫巖、粘土巖、花崗閃長(zhǎng)巖、片麻巖等。

2 地質(zhì)條件

青海省引大濟(jì)湟工程區(qū)在大地構(gòu)造上屬祁連山加里東地槽褶皺系(Ⅱ)的次級(jí)構(gòu)造單元中祁連中間隆起帶(Ⅱ3)，屬區(qū)域穩(wěn)定性較差區(qū)。根據(jù)《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》，工程區(qū)50年超越概率為10%的地震動(dòng)加速度為0.10g，相應(yīng)的地震烈度為7度。隧洞主要工程地質(zhì)問題有隧洞的塑性變形問題、斷層破碎帶塌方、突水問題、粘土巖的膨脹性、進(jìn)出口邊坡穩(wěn)定問題、凍害問題和局部段隧洞圍巖的巖爆及有害氣體問題。

3 銑挖機(jī)施工方法簡(jiǎn)述

3.1 銑挖機(jī)簡(jiǎn)介

銑挖機(jī)采用世界領(lǐng)先的尖端技術(shù)生產(chǎn)，可安裝在任何類型的液壓挖掘機(jī)上，高效替代挖斗、破碎錘、液壓剪等通用配置，應(yīng)用于露天煤礦、隧道掘進(jìn)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(gè)領(lǐng)域。銑挖機(jī)通過前方旋轉(zhuǎn)的銑挖頭將隧洞巖石(或土)刮落，達(dá)到隧洞掘進(jìn)的效果。采用銑挖機(jī)開挖隧洞，能良好控制隧洞超欠挖，且安全性能相對(duì)較好，值得小斷面隧洞開挖的運(yùn)用與推廣。

3.2 施工工藝流程

銑挖機(jī)施工工藝流程詳見圖1所示。

圖1 銑挖機(jī)開挖流程

3.3 施工方法

針對(duì)小斷面隧洞，在使用銑挖機(jī)開挖時(shí)采用一次開挖成型。先開挖頂部弧形頂拱，再開挖兩側(cè)邊墻，最后進(jìn)行底部石方開挖。對(duì)于圍巖條件較差、不穩(wěn)定的洞段可采用預(yù)留核心土開挖方式，待支護(hù)完成后再進(jìn)行開挖。

在使用銑挖機(jī)開挖后，配合3m3出渣車進(jìn)行出渣，出渣結(jié)束后馬上進(jìn)行支護(hù)結(jié)構(gòu)安裝、噴混凝土工作，然后進(jìn)行下一個(gè)循環(huán)。銑挖機(jī)開挖出渣如圖2所示。

圖2 銑挖機(jī)開挖出渣示意

4 施工方案對(duì)比

4.1 銑挖機(jī)施工的優(yōu)勢(shì)

(1)目前國(guó)內(nèi)隧洞開挖主要根據(jù)“新奧法”原理，采用鉆爆法進(jìn)行隧洞施工。鉆爆法對(duì)軟巖黃土隧洞開挖，進(jìn)尺短，循環(huán)時(shí)間長(zhǎng)，人力成本大。對(duì)于風(fēng)化較嚴(yán)重的軟巖隧洞，采用爆破開挖對(duì)圍巖擾動(dòng)較大，隧洞塌方頻繁，且超欠挖控制不佳，后期需采用大量的人工對(duì)欠挖部位進(jìn)行人工開挖，超挖部位進(jìn)行人工回填。因此，選擇一種針對(duì)軟巖的高效率、低能耗的開挖方式尤為重要。

(2)由于隧洞斷面小、空間小，一般只能采用爆破方式來進(jìn)行掘進(jìn)，施工工藝較為陳舊，機(jī)械化程度不高，當(dāng)今先進(jìn)設(shè)備也無法運(yùn)用。

4.2 施工過程方案對(duì)比

本次研究通過對(duì)青海省引大濟(jì)湟西干渠工程44#隧洞、45#隧洞、48#隧洞、49#隧洞開挖方式進(jìn)行研究，通過采用銑挖機(jī)開挖掘進(jìn)的方式與常規(guī)鉆孔爆破方式進(jìn)行對(duì)比，總結(jié)出以下幾點(diǎn)：

(1)針對(duì)隧洞Ⅳ類、Ⅴ類軟巖施工方法，采用銑挖機(jī)掘進(jìn)施工相比常規(guī)爆破施工對(duì)隧洞的擾動(dòng)較小，對(duì)于一些圍巖破碎、完整性差的洞段，銑挖機(jī)施工優(yōu)勢(shì)較為明顯。

(2)小斷面軟巖隧洞采用光爆效果較差，隧洞超欠挖嚴(yán)重；采用銑挖機(jī)開挖，成型隧洞超欠挖控制較好，無需再安排人員對(duì)超挖部位進(jìn)行回填，對(duì)欠挖部位進(jìn)行清鍬甚至補(bǔ)炮，大量減少了人工投入。

4.2.1 運(yùn)用銑挖機(jī)的工期對(duì)比

49#隧洞在開挖初期主要采用扒渣機(jī)出渣，前期隧洞主要巖性為坡積黃土狀粉土，施工中后期遇到古近系強(qiáng)、弱風(fēng)化粘土巖、泥質(zhì)砂巖，無法采用扒渣機(jī)開挖。然后隧洞改變掘進(jìn)方式，采用常規(guī)鉆孔爆破方式向前掘進(jìn)，由于隧洞斷面小，爆破后排煙時(shí)間較長(zhǎng)，且針對(duì)軟巖爆破光爆效果極差，改變掘進(jìn)方式后隧洞開挖效率依然較低。最后決定采用銑挖機(jī)對(duì)49#隧洞軟巖段進(jìn)行掘進(jìn)開挖，最終實(shí)際貫通時(shí)間比計(jì)劃時(shí)間大大提前。

圖3 銑挖機(jī)施工和爆破施工循環(huán)時(shí)間對(duì)比

49#隧洞于2018年1月30日順利貫通，總工期209d。通過單個(gè)循環(huán)的時(shí)間對(duì)比可以明顯看出：爆破掘進(jìn)方式>銑挖機(jī)掘進(jìn)方式，銑挖機(jī)循環(huán)無需排煙、裝藥爆破、造孔等施工工序。

4.2.2 運(yùn)用銑挖機(jī)的成本對(duì)比

圖4 銑挖機(jī)施工和爆破施工人員投入對(duì)比

通過單個(gè)循環(huán)的人數(shù)對(duì)比可以明顯得出：爆破方式掘進(jìn)所需人員數(shù)量多于銑挖機(jī)掘進(jìn)方式人員數(shù)量，銑挖機(jī)掘進(jìn)方式降低了人工成本。爆破需要消耗相當(dāng)數(shù)量的火工品，而且爆破過程中存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)，爆破施工前需要對(duì)施工人員進(jìn)行安全培訓(xùn)，爆破后需要風(fēng)機(jī)進(jìn)行排煙等等，以上這些問題直接導(dǎo)致爆破施工在成本和管理方面的費(fèi)用大大增加。

銑挖機(jī)相比爆破法可以節(jié)省火工品的支出，可以減少對(duì)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員的爆破安全培訓(xùn)，不會(huì)產(chǎn)生爆破產(chǎn)生的有害氣體，且采用銑挖機(jī)開挖的隧洞超欠挖控制良好，無需再安排人員對(duì)超挖部位進(jìn)行回填、對(duì)欠挖部位進(jìn)行清鍬甚至補(bǔ)炮，減少了大量人工投入費(fèi)用。

5 可拆卸立拱機(jī)在小斷面隧洞中的運(yùn)用

小斷面隧洞支護(hù)時(shí)鋼拱架安裝一般采用搭設(shè)施工平臺(tái)，人工安裝的方式，施工順序?yàn)橄劝惭b拱腿再安裝頂拱。小斷面隧洞(斷面10m2以內(nèi))頂拱工字鋼重約90kg，安裝過程中至少需兩個(gè)工人站在搭設(shè)的施工平臺(tái)上，人工抬升拱架至拱頂設(shè)計(jì)位置，再配合其他工人安裝拱腿。該施工方式工藝陳舊，施工效率低，加大了施工人員的投入，增加了施工成本，且工人長(zhǎng)時(shí)間待在裸露的拱頂下，存在很大的安全隱患。

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，針對(duì)立拱架的施工難點(diǎn)，研究出一套適用于小斷面隧洞安全、快速安裝鋼拱架的施工技術(shù)，并組裝了一套實(shí)用的立拱架機(jī)器(詳見圖5-圖7)。采用機(jī)械提升拱架代替人工抬升拱架，提高了拱架安裝的安全性，且采用立拱機(jī)提升頂拱工字鋼，操作人員只需站在已支護(hù)好的洞段，無需進(jìn)入裸洞段，安全風(fēng)險(xiǎn)大大降低。

圖5 立拱機(jī)平面布置

圖6 立拱機(jī)縱斷面

圖注：1-鋼拱架頂托；2-滑輪；3-卷揚(yáng)機(jī)(帶鎖止裝置)；4-支腿；5-立拱機(jī)底盤(雙層鏤空工字鋼焊接)；6-鋼管支撐；7-萬向輪(帶鎖止裝置)；8-鋼絲繩

圖7立拱機(jī)橫斷面(單位：cm)

工作原理及解析：施工前，先將已加工好的頂拱工字鋼兩側(cè)焊接好鋼筋網(wǎng)片，網(wǎng)片的寬度根據(jù)兩榀工字鋼間距而定(如：工字鋼間距80cm，則在工字鋼兩側(cè)各焊接45cm寬鋼筋網(wǎng)片，以便下個(gè)循環(huán)搭接)。

將立拱機(jī)放置在即將安裝鋼拱架位置的安全區(qū)域(已支護(hù)完成的洞段)，人工安裝鋼拱架至工字鋼頂托上，移動(dòng)立拱機(jī)至適當(dāng)位置(立拱機(jī)前端對(duì)準(zhǔn)準(zhǔn)備施工的鋼拱架位置)。

力臂長(zhǎng)L=3m，抬升高度H=2m，力臂超出立拱機(jī)長(zhǎng)為L(zhǎng)′。

力臂超出立拱機(jī)前端距離為76.4cm。

立拱機(jī)位置固定后，將萬向輪鎖止，以防施工過程中立拱機(jī)滑動(dòng)。將兩側(cè)支腿打開支撐，以保證立拱機(jī)穩(wěn)定。啟動(dòng)卷揚(yáng)機(jī)，慢慢提升鋼拱架至拱頂設(shè)計(jì)位置，然后鎖止卷揚(yáng)機(jī)，以防止卷揚(yáng)機(jī)回轉(zhuǎn)導(dǎo)致工字鋼掉落。

頂拱工字鋼定位完成后，工人進(jìn)入施工區(qū)域(此時(shí)拱頂有支撐，處于相對(duì)安全的區(qū)域)，進(jìn)行拱腿、連接筋及鋼筋網(wǎng)施工。施工完成后，停止卷揚(yáng)機(jī)鎖止裝置，啟動(dòng)卷揚(yáng)機(jī)，慢慢放下工字鋼頂托。收回立拱機(jī)兩側(cè)支腿，停止萬向輪鎖止裝置，移動(dòng)立拱機(jī)至下一榀工字鋼安裝位置，以此循環(huán)。

6 總結(jié)

通過對(duì)小斷面軟巖隧洞銑挖機(jī)開挖施工技術(shù)的研究，減少小斷面隧洞針對(duì)軟巖中采用光爆技術(shù)效果不佳，安全風(fēng)險(xiǎn)較大，經(jīng)濟(jì)效益不高等缺點(diǎn)。在支護(hù)過程中采用可拆卸液壓立拱機(jī)可確保施工整體安全，避免可預(yù)見風(fēng)險(xiǎn)。因此，通過本次研究，以加快施工進(jìn)度為目的，提高施工效率為主導(dǎo)，達(dá)到經(jīng)濟(jì)效益最大化為目標(biāo)，以科技指導(dǎo)生產(chǎn)，提高小斷面軟巖隧洞施工效率，為其他類似工程提供借鑒，具有顯著的社會(huì)效益和社會(huì)進(jìn)步意義。