復(fù)雜洞外環(huán)境下隧道施工技術(shù)探討

張立云,羅 利,唐開陽(yáng),龔國(guó)強(qiáng)

(中國(guó)五冶集團(tuán)有限公司，四川成都 610066)

1 工程概況

老龍山隧道為四川省道205線綿陽(yáng)繞城段改線建設(shè)工程(游仙區(qū)段)的控制性工程，位于綿陽(yáng)市游仙區(qū)游仙鎮(zhèn)老龍山風(fēng)景區(qū)，為一座上、下行分離的四車道一級(jí)公路長(zhǎng)隧道，隧道左、右線分別長(zhǎng)1 205 m，隧道進(jìn)出口左右洞洞口間距離較近，距離最近處凈距為9 m，屬于小凈距隧道，出口左、右線均采用削竹式洞門。隧道最大埋深約80 m，以泥質(zhì)粉砂巖夾粉砂質(zhì)泥巖和中砂巖為主，巖體一般較完整，但強(qiáng)度較低，為極軟巖—軟巖，隧道洞口段圍巖級(jí)別以Ⅴ級(jí)為主，隧道中部以Ⅳ級(jí)為主，抗風(fēng)化能力差，長(zhǎng)期暴露和浸水易風(fēng)化、軟化，自身穩(wěn)定性差。隧址區(qū)地下水類型主要有松散巖孔隙水、基巖風(fēng)化裂隙水和基巖構(gòu)造裂隙水。隧址區(qū)抗震設(shè)防烈度為Ⅶ度，地震動(dòng)峰值加速度值為0.10g，地震反應(yīng)譜特征周期0.40 s。

2 隧道洞外環(huán)境調(diào)查

老龍山隧道穿越老龍山風(fēng)景區(qū)，隧道上方有大量的民居、農(nóng)家樂、食品廠以及道路、燃?xì)夤艿馈Ⅳ~塘、水池等設(shè)施，隧道出口位于綿陽(yáng)市游仙區(qū)城區(qū)，隧道附近有精密電子廠、糧庫(kù)、住宅、廠房、高速公路等重要設(shè)施，隧道洞外建設(shè)環(huán)境非常復(fù)雜，相關(guān)設(shè)施對(duì)工程建設(shè)的要求高(圖1)。

圖1 老龍山隧道洞外環(huán)境

(1)老龍山風(fēng)景區(qū)占地面積約100 ha，現(xiàn)有餐飲、娛樂、會(huì)議、住宿、釣魚、品茶、棋牌、卡拉OK、體育健身為一體的綜合性大眾休閑山莊五十余家，家禽、家畜、水產(chǎn)、養(yǎng)殖、旅游、食品生產(chǎn)企業(yè)二十余家，是綿陽(yáng)城市近郊最大的生態(tài)觀光農(nóng)業(yè)開放式公園。

(2)隧道周邊1 000 m范圍內(nèi)還有城市住宅區(qū)、精密電子廠、國(guó)家儲(chǔ)備糧庫(kù)、高速公路以及大量工廠等。

3 風(fēng)險(xiǎn)分析及開挖方案選定

暗挖隧道的施工開挖方法主要有鉆爆法與機(jī)械法,機(jī)械法有TBM掘進(jìn)機(jī)法、銑挖法以及單臂掘進(jìn)機(jī)開挖法等,其中銑挖法是近年來(lái)興起的一種施工方法,應(yīng)用于隧道開挖以及修整輪廓、洞室、橫洞開挖等,特別適合不宜爆破施工的軟弱圍巖地段。

老龍山隧道洞外環(huán)境復(fù)雜，施工要求高，特別是傳統(tǒng)的鉆爆法由于爆破施工產(chǎn)生的震動(dòng)可能會(huì)對(duì)對(duì)周邊建筑、廠房、科研院所等造成重大影響。同時(shí)，老龍山隧道兩端洞口屬于小凈距淺埋隧道，爆破極易引起塌方、地表沉降、先行洞襯砌開裂、剝落現(xiàn)象，具有較大施工風(fēng)險(xiǎn)。因此，綜合考慮隧道洞內(nèi)外環(huán)境、地質(zhì)條件、施工風(fēng)險(xiǎn)、工期要求、建設(shè)成本等因素，選定機(jī)械銑挖法開挖。

老龍山隧道投入四臺(tái)徐工EBZ260型掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行洞身開挖。(隧道小凈距段左洞洞口Ⅴ級(jí)圍巖采用預(yù)留核心土法，右洞洞口Ⅴ級(jí)圍巖采用單側(cè)壁導(dǎo)坑法，采用挖掘機(jī)配合掘進(jìn)機(jī)開挖)。EBZ260型掘進(jìn)機(jī)為當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)使用的同類最大機(jī)型，整機(jī)重量為120 t，整機(jī)功率595 kW，掘進(jìn)機(jī)為全電動(dòng)機(jī)械，額定輸入電壓1 140 V，經(jīng)濟(jì)切割圍巖抗壓強(qiáng)度不大于100 MPa(根據(jù)實(shí)踐情況，能夠切割圍巖強(qiáng)度能超過100 MPa，只是耗材相對(duì)較大)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的情況，一般圍巖情況下生產(chǎn)率約4 m3/min。掘進(jìn)機(jī)為全液壓動(dòng)力，履帶行走，機(jī)型小巧靈活，可以進(jìn)行任意形狀斷面的施工。掘進(jìn)機(jī)主要部分為切割掘進(jìn)裝置(包括切割頭，截齒，切割臂，變速箱，切割電機(jī))，裝料出渣裝置(包括鏟板，星輪，輸送刮板)，行走裝置，噴霧吸塵降塵裝置和機(jī)身。工作時(shí)，通過切割臂擺動(dòng)，強(qiáng)力轉(zhuǎn)動(dòng)的切割頭截齒切割圍巖，完成圍巖的開挖。切割下的石渣掉落下后，掘進(jìn)機(jī)前方下部的鏟板接住石渣，通過星輪收集到機(jī)器中部的輸送帶，然后輸送帶把石渣傳輸?shù)綑C(jī)器后面的出渣車輛上，從而完成開挖和裝渣工作(圖2、表1)。

圖2 徐工EBZ260型掘進(jìn)機(jī)

表1 掘進(jìn)機(jī)技術(shù)參數(shù)

4 掘進(jìn)機(jī)銑挖施工技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)

4.1 掘進(jìn)機(jī)銑挖施工的優(yōu)點(diǎn)

(1)減小了對(duì)圍巖的擾動(dòng)，避免由于爆破振動(dòng)而造成的巖石強(qiáng)度降低，巖石結(jié)構(gòu)松動(dòng)，巖石結(jié)構(gòu)局部破裂等不利情況。

(2)減少施工機(jī)械設(shè)備和勞動(dòng)力的投入，有效防止意外事件造成群死群傷事故。

(3)最大限度減小對(duì)圍巖自穩(wěn)能力的破壞，不易造成大面積變形及局部塌方。

(4)便于控制超欠挖，實(shí)現(xiàn)隧道輪廓的精確成型，節(jié)約由于超挖而浪費(fèi)，初噴質(zhì)量有保證。

(5)開挖對(duì)周邊巖體和建筑物振動(dòng)小，不使用炸藥。

(6)可選擇的銑挖機(jī)快速換裝系統(tǒng)，可在 30 s之內(nèi)實(shí)現(xiàn)挖斗與銑挖機(jī)的更換，突破以鉆孔爆破的循環(huán)施工方式，實(shí)現(xiàn)連續(xù)作業(yè)。

4.2 掘進(jìn)機(jī)銑挖施工的缺點(diǎn)

(1)對(duì)于圍巖強(qiáng)度較高的隧道，開挖效率低或無(wú)法開挖。

(2)電力驅(qū)動(dòng)的掘進(jìn)機(jī)采用高壓供電，需全力做好用電安全。

(3)開挖過程中粉塵較多。

5 機(jī)械掘進(jìn)過程中的高壓用電管理

本工程所用的掘進(jìn)機(jī)采用的是全電動(dòng)動(dòng)力裝置，需用1 140 V的電源，需要使用特種變壓器為其供電，而且進(jìn)洞電纜為1 140 V的 高壓電，針對(duì)此情況有以下保障措施：

(1)作為掘進(jìn)機(jī)本身有多重的漏電保護(hù)裝置，防止機(jī)械運(yùn)行過程中由于漏電發(fā)生意外。

(2)洞口設(shè)置安全保護(hù)裝置(漏電保護(hù)裝置)，漏電后能自動(dòng)跳閘斷電。

(3)雙鎧甲膠皮電纜，防止機(jī)械意外碰撞、擦掛損壞漏電。

(4)電纜掛設(shè)在洞內(nèi)邊墻適當(dāng)位置，掛設(shè)支架按相關(guān)電力安裝規(guī)范要求進(jìn)行，電纜線每3 m外貼反光標(biāo)識(shí)，洞內(nèi)在燈光照射下能夠反光，明顯醒目。

(5)安排專職電工每天三次對(duì)電纜進(jìn)行巡視檢查，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，解決問題，消除隱患。

(6)進(jìn)洞的機(jī)械設(shè)備車輛，安排專人進(jìn)行指揮，車輛掉頭倒車前后觀察指揮，防止車輛碰撞到設(shè)備電纜。

(7)進(jìn)洞人員勞動(dòng)防護(hù)配備橡膠絕緣筒靴，防止漏電，非專職電工和專職設(shè)備操作人員不得觸摸高壓電纜和高壓設(shè)備。

6 基于銑挖法掘進(jìn)的降塵控制措施

隧道銑挖法掘進(jìn)時(shí)，機(jī)械將巖體進(jìn)行破碎切割，產(chǎn)生大量粉塵，作業(yè)環(huán)境極其惡劣，如果及時(shí)處理，對(duì)隧道作業(yè)人員和施工機(jī)械均有較大傷害，同時(shí)存在一定安全隱患，既不滿足對(duì)文明施工的要求，也不符合對(duì)作業(yè)人員的職業(yè)健康保護(hù)。

常見隧道降塵方式一般通過對(duì)隧道機(jī)械通風(fēng)來(lái)降低粉塵濃度。通風(fēng)機(jī)降塵存在的不足：

(1)雖然掌子面粉塵濃度有所降低，但整個(gè)隧道都將充滿粉塵，能見度低，文明施工差，存在安全隱患。

(2)工作效率低，能耗高，隨著隧道掘進(jìn)長(zhǎng)度增加除塵效果越來(lái)越差，導(dǎo)致粉塵落在鄰近的隧道段或者其他施工設(shè)備上面，影響運(yùn)輸、襯砌等設(shè)備操作，易產(chǎn)生二次污染，造成除塵不徹底，施工現(xiàn)場(chǎng)混亂等。

針對(duì)銑挖法開挖產(chǎn)生的粉塵都集中在掌子面位置的特點(diǎn)，研究的降塵裝置通過將隧道內(nèi)的粉塵通過風(fēng)機(jī)抽排至防塵箱內(nèi)，在箱體內(nèi)通過水霧多次捕捉空氣中的粉塵，達(dá)到粉塵的高捕獲率，并通過在箱體頂部設(shè)置多層防塵網(wǎng)，大大改善了掌子面的施工環(huán)境，減少了粉塵在捕捉過程中對(duì)大氣的污染，便攜高效的解決了隧道銑挖除塵的問題。

箱式隧道水幕降塵裝置，包括降塵箱和抽風(fēng)機(jī)，所述降塵箱和抽風(fēng)機(jī)之間通過風(fēng)管連接，抽風(fēng)機(jī)可將含塵空氣通過風(fēng)管送入到降塵箱內(nèi)；降塵箱內(nèi)設(shè)置有噴頭，通過噴水捕獲含塵空氣中粉塵。

箱式隧道水幕降塵裝置工作時(shí)，抽風(fēng)機(jī)置于隧道掌子面，降塵箱位于隧道口外或位于掌子面后的隧道段內(nèi)。抽風(fēng)機(jī)和降塵箱之間的距離超過20 m。降塵箱為封閉式結(jié)構(gòu)，并設(shè)置有進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口，降塵箱的內(nèi)壁四周間隔的設(shè)置有若干水霧噴頭。進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口分別位于相對(duì)的兩端板上，水霧噴頭沿著降塵箱的內(nèi)壁設(shè)置有2層以上。箱式隧道水幕降塵裝置降塵箱的進(jìn)風(fēng)口設(shè)置在端板的下部，并位于底層水霧噴頭之下；出風(fēng)口位于對(duì)側(cè)端板的頂部。箱式隧道水幕降塵裝置降塵箱還包括排水管，所述排水管的進(jìn)口位于降塵箱泥位之上，并位于進(jìn)氣口的底部之下。降塵箱的底板設(shè)有從進(jìn)氣端朝向出氣端的斜度，在進(jìn)氣端的端板底部設(shè)置有一排朝向出氣端的清除污泥用的清污噴頭；底板的出氣端設(shè)置有排污管，用于排除沉淀污泥。兩側(cè)板交錯(cuò)的設(shè)置有隔板，使得空氣從進(jìn)氣端到出去端形成迂回的氣道，隔板的底端與降塵箱的底板之間設(shè)有間隙。風(fēng)管為柔性風(fēng)管，并間隔的通過固定件固定在隧道壁上(圖3、圖4)。

圖3 降塵裝置使用狀態(tài)示意

圖4 降塵裝置現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

采用箱式隧道水幕降塵裝置，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，穩(wěn)定可靠，可操作性強(qiáng)，處理方法簡(jiǎn)單、快捷等優(yōu)點(diǎn)；可直接從源頭控制粉塵，徹底避免了整個(gè)隧道的揚(yáng)塵問題。

7 經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益

老龍山隧道作為省道205線綿陽(yáng)繞城段改線建設(shè)工程(游仙區(qū)段)中重要的節(jié)點(diǎn)工程，雙向四車道，分離式隧道，單洞長(zhǎng)度為1 205 m，總長(zhǎng)2 410 m。傳統(tǒng)爆破法與機(jī)械銑挖法施工成本區(qū)別主要體現(xiàn)在因超欠挖控制精度而引起的土石開挖和初期支護(hù)工程量。

傳統(tǒng)鉆爆法成本費(fèi)用： C25噴射混凝土：2410 m(總長(zhǎng))×8.5 m3(平均線性超挖10cm)×1075 元/m3=2202.14萬(wàn)元；土石開挖量：2410 m(總長(zhǎng))×102.8 m2(斷面面積)×133 元/m3=3295.05萬(wàn)元；機(jī)械銑挖法成本費(fèi)用： C25噴射混凝土：2410 m(總長(zhǎng))×3.9 m3(平均超挖量，線性超挖2cm)×1075 元/m3=1010.39萬(wàn)元；土石開挖量：2410 m(總長(zhǎng))×99.2 m2(斷面面積)×187元/m3=4470.65萬(wàn)元。經(jīng)濟(jì)效益：(2202.14+3295.05)-(1010.39+4470.65)=16.15萬(wàn)元。

采用兩種開挖方法其經(jīng)濟(jì)成本相當(dāng)，機(jī)械銑挖法在減少爆破振動(dòng)和炸藥管理、保護(hù)巖體自穩(wěn)能力、減少地表沉降和塌方概率、保證初期支護(hù)質(zhì)量、降低噪音以及工期保障等方面顯現(xiàn)出了較大優(yōu)勢(shì)。

8 結(jié)論

近年來(lái)，隨著城市開發(fā)和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的加快推進(jìn)，城市周邊的暗挖隧道工程越來(lái)越多，洞外環(huán)境的復(fù)雜性和對(duì)工程施工要求也越來(lái)越高。本文結(jié)合老龍山隧道的施工過程，在實(shí)踐中總結(jié)了洞外復(fù)雜環(huán)境下隧道施工過程中的環(huán)境調(diào)查、風(fēng)險(xiǎn)分析、應(yīng)對(duì)方案和實(shí)施效果。根據(jù)本文的成果，得出以下結(jié)論：

(1)隧道施工前需對(duì)周邊環(huán)境進(jìn)行認(rèn)真的調(diào)查分析，充分識(shí)別工程施工可能對(duì)周邊環(huán)境及設(shè)施造成的影響風(fēng)險(xiǎn)，避免造成嚴(yán)重后果以及引起不必要的糾紛。

(2)全電動(dòng)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的高壓掘金機(jī)械應(yīng)充分做好電力保護(hù)保障措施，避免發(fā)生安全事故。

(3)對(duì)于軟弱圍巖隧道開挖，采用機(jī)械銑挖施工在保障施工安全和工程質(zhì)量、加快工程進(jìn)度、環(huán)境保護(hù)、降低周邊建筑物影響方面具有很大優(yōu)勢(shì)。

(4)工程建設(shè)應(yīng)牢牢樹立“以人為本”的觀念，認(rèn)真對(duì)待“環(huán)?！边@個(gè)大問題，高度重視參建人員的身心健康，做好環(huán)保不一定要花大代價(jià)，一個(gè)小小的發(fā)明運(yùn)用可能就會(huì)解決問題。