山嶺隧道非爆開挖工法研究

張云德

（青海省交通建設(shè)管理有限公司，青海西寧 810003)

1 工程概況

1.1 工程簡介

某一級公路某隧道，位于青海省尖扎縣坎布拉鎮(zhèn)境內(nèi)，距離坎布拉鎮(zhèn)約2km，位于賽什扎村西南側(cè)，唐色村北側(cè)，隧道進(jìn)口端頂部有鄉(xiāng)村公路，為路線穿越山嶺地帶而建設(shè)。隧道軸線走向方位角為280o，進(jìn)、出口均位于曲線上。路線采用分離式隧道，隧道右線起訖里程樁號：YK11+280～YK14+055，長L=2775m，隧道最大埋深約300m；隧道左線起訖里程樁號：ZK11+180～ZK14+070，長L=2890m，隧道最大埋深約310m。隧道設(shè)計速度80km/ h，建筑限界(寬× 高)：10.25m× 5m。

1.2 地質(zhì)條件

1.2.1 地形地貌

擬建隧道宏觀上屬于高中山峽谷地貌，次級地貌單元屬于構(gòu)造侵蝕中山地貌，隧道穿越山嶺，地形起伏，坡面沖溝發(fā)育，地形破碎，海拔2180m～2540m，相對高差360m；山坡自然坡度在20～35o，局部地段可達(dá)40～50o，坡面植被覆蓋差。

1.2.2 地質(zhì)構(gòu)造

工程區(qū)大地構(gòu)造位置屬亞級構(gòu)造單元的祁連加里東褶皺系東南部、松潘—甘孜褶皺系，橫跨青海南山冒地槽褶皺帶，次一級構(gòu)造單元屬于扎馬山隆起，主要斷裂有俄家臺—賽什扎斷裂。俄家臺—賽什扎斷裂呈北西—南東向延伸，全長僅1.75km，為一斷面傾向50o，傾角70o左右的逆斷層；斷層上盤地層自下而上有化隆群、中新統(tǒng)、晚更新世砂礫石層；下盤下部為中新統(tǒng)，上部為晚更新世砂礫石層。

1.2.3 地質(zhì)巖性

鉆探和地質(zhì)調(diào)繪成果顯示，隧址區(qū)出露地層主要有第四系全新統(tǒng)坡積碎石土、滑坡堆積層、上更新統(tǒng)沖洪積黃土狀粉土、卵石土，下伏基巖為新近系上新統(tǒng)西寧組（N2x）礫巖、泥巖、砂巖，前震旦系尕讓群下亞組（AnZgr1）片麻巖夾片巖。

1.3 不良地質(zhì)

隧道通過區(qū)分布滑坡，位于李家峽水電站下游1km 處的黃河南岸、賽什扎村西南側(cè)，擬建公路在YK11+520～YK13+000(ZK11+520～ZK13+000)段以隧道形式通過滑坡。該滑坡坡頂海拔2920m，坡底海拔2130m。原始斜坡高度790m，坡度48o，滑坡長約2000m，寬約1500m，面積3× 106m2，體積1.2× 108m3，滑動方向N40oE，滑體地層巖性以礫巖、砂礫石、黃土為主，滑坡屬于巖質(zhì)牽引式巨型滑坡?；麦w上沖溝發(fā)育，規(guī)模較大的落水洞隨處可見。目前滑坡體被一大沖溝分成兩塊，隧道主要從西塊穿過，隧道從滑坡西側(cè)的中下部進(jìn)入滑坡，從滑坡的東側(cè)穿出[1]。

滑坡體沖溝較發(fā)育，下部沖溝為季節(jié)性流水沖溝，溝壁陡立，局部發(fā)育小型崩塌，目前滑坡處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。在暴雨、地震工況下均處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，因此隧道修建過程中若支護(hù)不當(dāng)造成頂板垮塌、冒落，開挖后洞體的變形等，將引起地表變形，對滑坡體上的巖土體進(jìn)行擾動，勢必會引起滑坡體再次滑動，進(jìn)而引起擬建隧道變形、坍塌，危及滑坡下部村莊的安全，因此滑坡對工程有一定影響。

2 非爆開挖工法

受地質(zhì)條件差，隧道需穿越滑坡體底部，洞口附近為村莊等條件影響，隧道采取非爆破開挖工法施工，根據(jù)隧道圍巖地質(zhì)情況主要采用了挖掘機(jī)直接開挖、挖掘機(jī)帶破碎錘開挖、懸臂掘進(jìn)機(jī)開挖三種非爆破開挖工法。

2.1 挖掘機(jī)直接開挖（如圖1所示）

圖1 挖掘機(jī)直接開挖

隧道開挖寬度為12.86m，開挖高度9.73m，洞口段設(shè)計為V 級圍巖，圍巖為卵石土、礫巖，泥質(zhì)膠結(jié)，成巖作用較差，強(qiáng)風(fēng)化。根據(jù)隧道斷面尺寸、圍巖情況，選擇220 型挖掘機(jī)進(jìn)行施工，挖掘機(jī)自身寬度3m，加上旋轉(zhuǎn)寬度，最小寬度不小于5.5m，鏟斗最大挖掘力17500kgf，最大挖掘深度6.92m，隧道開挖工法采用單側(cè)壁導(dǎo)坑法時，單側(cè)壁寬度在6m 左右，上臺階長度3～5m，能夠滿足挖掘機(jī)工作空間需求，隧道開挖工法還可以采用三臺階法及環(huán)形開挖預(yù)留核心土法。挖掘機(jī)開到掌子面，鏈輪在后側(cè)，先采用挖斗自上而下，沿開挖輪廓線環(huán)形開挖，一次開挖深度約30cm，逐步開挖至一榀拱架間距60cm，開挖后換為鷹勾對周邊局部未開挖到位的進(jìn)行修整。出渣時，將渣體扒至中臺階或下臺階進(jìn)行出渣。開挖時間受圍巖軟弱程度及挖掘機(jī)司機(jī)水平影響，開挖一個循環(huán)大約需要

2～4h。

2.2 挖掘機(jī)帶破碎錘開挖

當(dāng)掌子面圍巖強(qiáng)度稍高，節(jié)理裂隙發(fā)育時，采用挖掘機(jī)挖斗無法直接開挖時，采用挖掘機(jī)帶破碎錘進(jìn)行破碎開挖（挖掘機(jī)帶破碎錘開挖，如圖2所示），由于側(cè)壁導(dǎo)坑法斷面較小，而破碎頭需要一定的角度，周邊無法開挖到位，因此隧道開挖工法采用三臺階法及環(huán)形開挖預(yù)留核心土法，挖掘機(jī)開到掌子面，鏈輪在后側(cè)，破碎錘與掌子面呈60～80o角，自下而上沿開挖輪廓線環(huán)形開挖，一次開挖深度約20cm，逐步開挖至一榀拱架間距60cm，開挖后換為鷹勾對周邊局部未開挖到位的進(jìn)行修整。開挖時間受圍巖軟弱程度及挖掘機(jī)司機(jī)水平影響，開挖一個循環(huán)約需5～7h。

圖2 挖掘機(jī)帶破碎錘開挖

2.3 懸臂掘進(jìn)機(jī)開挖

當(dāng)掌子面為強(qiáng)中風(fēng)化礫巖、泥質(zhì)粉砂巖圍巖，強(qiáng)度高、節(jié)理裂隙較發(fā)育或不發(fā)育，整體穩(wěn)定性好時，采用懸臂式隧道掘進(jìn)機(jī)開挖（懸臂掘進(jìn)機(jī)開挖，如圖3所示），選用徐工XTR6/ 320 懸臂式隧道掘進(jìn)機(jī)。為適應(yīng)掘進(jìn)機(jī)施工，開挖工法調(diào)整為上下臺階法進(jìn)行開挖，根據(jù)隧道斷面大小、圍巖情況，結(jié)合掘進(jìn)機(jī)外形（長度17m，寬度3.8m，高度3.7m）、裝載機(jī)(高度3.8m)、濕噴機(jī)(高度3.6m)、混凝土罐車(進(jìn)料口高度4.0m)(噴射混凝土采用濕噴工藝)尺寸及支護(hù)作業(yè)空間，因此上臺階開挖高度宜為6.2m。

圖3 懸臂掘進(jìn)機(jī)開挖

隧道掘進(jìn)機(jī)截割頭長度為1.2m，故每循環(huán)進(jìn)尺宜控制在1.8～2.4m，每循環(huán)開挖需預(yù)留1.0m 作為下一開挖循環(huán)截割頭安全作業(yè)空間，作業(yè)空間太小不利于上循環(huán)拱架成品保護(hù)。

為能更好控制超欠挖，測量組將開挖輪廓線在掌子面畫出。懸臂掘進(jìn)機(jī)的切割方式是從掃底開始切割，再按S 形或Z 形左右循環(huán)切割路線逐級切割以上部分。懸臂掘進(jìn)機(jī)就位后，先從掌子面底部水平切削出一條槽，向前移動掘進(jìn)機(jī)再一次就位，就位后切割頭高速采取自上而下，左右循環(huán)切削。在切削的同時，鏟板支撐固定整機(jī)，鏟板上的星盤將渣土刮至出渣系統(tǒng)，由出渣系統(tǒng)將渣土運至掘進(jìn)機(jī)尾部，由側(cè)翻式裝載機(jī)裝至自卸車箱內(nèi)，再由自卸車運至洞外棄渣場。從底部開挖到拱部完成后，再用低速進(jìn)行第二次修整到準(zhǔn)確設(shè)計斷面，從而控制超欠挖。

2.4 懸臂掘進(jìn)機(jī)施工特點

2.4.1 高適應(yīng)性

設(shè)備最大截割巖石單向抗壓強(qiáng)度≤60MPa，采用大功率截割電機(jī)，最大限度滿足各種地質(zhì)結(jié)構(gòu)施工，可一次性開挖8m× 7m 尺寸斷面，能夠適應(yīng)4500m 以下高原地區(qū)的隧道施工作業(yè)。

2.4.2 高穩(wěn)定性

整機(jī)重量125t，通過整機(jī)穩(wěn)定性分析軟件，對整機(jī)參數(shù)評估、合理布置部件位置，調(diào)整部件質(zhì)量分布以獲得高硬度巖石截割工況下的最優(yōu)整機(jī)穩(wěn)定性。

2.4.3 高效率、低消耗

通過數(shù)字化的截割頭設(shè)計軟件，設(shè)計的大直徑、多截齒截割頭，具備高效、少塵、低磨損、低功耗等特點，對比同類截割頭，截割效率提高20%、截割消耗大大降低。

2.4.4 高可靠性

針對不同隧道施工特點，整機(jī)采用國內(nèi)先進(jìn)的電氣系統(tǒng)及液壓系統(tǒng)，最大限度提升設(shè)備隧道施工的可靠性，其中液壓系統(tǒng)采用水冷卻設(shè)計，單獨的自冷卻系統(tǒng)，滿足設(shè)備長時間連續(xù)截割作業(yè)。

2.4.5 高效除塵

掘進(jìn)機(jī)截割頭后部設(shè)有環(huán)形噴霧裝置，集中覆蓋產(chǎn)塵點。

2.4.6 缺點

一是掘進(jìn)機(jī)二運輸送帶高度不能調(diào)節(jié)，出渣時二運輸送帶不能直接伸至出渣車箱內(nèi)，還需由裝載機(jī)配合進(jìn)行裝渣；二是因懸臂式掘進(jìn)機(jī)自身重量高達(dá)125t，仰拱棧橋無法承受掘進(jìn)機(jī)重量，導(dǎo)致掘進(jìn)機(jī)無法退出至洞口。

3 各種開挖工法適用的條件分析

經(jīng)過現(xiàn)場實踐，各種開挖工法適用條件如表1。

表1 開挖工法適用條件

從以上開挖工法及對比表可以看出，挖掘機(jī)直接開挖適用土質(zhì)或圍巖強(qiáng)度低的地質(zhì)，對開挖工法適應(yīng)性相對多，挖掘機(jī)帶破碎錘開挖適用于強(qiáng)度較低的圍巖，但受作業(yè)空間限制，不能采用側(cè)壁導(dǎo)坑法施工，懸臂掘進(jìn)機(jī)適用于圍巖強(qiáng)度在60MPa 以下整體穩(wěn)定性較好的地質(zhì)，但是工法需要采用上下臺階法[2]。

4 各種非爆開挖工法工效分析

在各自的適用地質(zhì)條件下，各種非爆開挖工效為：

第一，挖掘機(jī)直接開挖每循環(huán)進(jìn)尺按0.6m 計算，開挖時間：側(cè)壁導(dǎo)坑法時在2h 內(nèi)，環(huán)形開挖預(yù)留核心土法在3h 內(nèi)。

第二，挖掘機(jī)帶破碎錘開挖每循環(huán)進(jìn)尺按0.6m計算，根據(jù)圍巖硬度和結(jié)構(gòu)不同，圍巖硬度低、結(jié)構(gòu)相對松散時，開挖時間：環(huán)形開挖預(yù)留核心土法在5h內(nèi)，隨著圍巖硬度的增加，結(jié)構(gòu)緊密度增加而開挖時間增加。

第三，懸臂掘進(jìn)機(jī)開挖每循環(huán)進(jìn)尺在1.8m，圍巖硬度低于20MPa 時，開挖時間在6h 內(nèi)；20～30MPa時，開挖時間在10h 內(nèi)；30～40MPa 時，開挖時間在16h 內(nèi)[3]。

5 成本分析

220 型挖掘機(jī)滿負(fù)荷工作情況下耗油在30L/ h 左右，設(shè)備維護(hù)費用較低。徐工XTR6/ 320 懸臂掘進(jìn)機(jī)裝機(jī)總功率550kW，截割電機(jī)功率320/ 240kW，設(shè)備租賃費用較高，截齒損耗率隨圍巖強(qiáng)度提高而增加。

6 結(jié)語

當(dāng)?shù)匦?、地質(zhì)條件要求隧道采用非爆開挖工法時，應(yīng)根據(jù)圍巖情況，在保證安全的前提下，進(jìn)行對比分析，選擇合適的開挖工法，提高效率，降低成本。