龙泉山隧洞开挖施工工艺适应性分析

陈 波， 苏 小 明， 刘 瑞， 邓 鹏

(中国水利水电第十工程局有限公司，四川 都江堰 611830)

1 概 述

龙泉山隧洞长11 850 m，分设三条施工支洞，分别长383 m、431 m、276 m，隧洞总长为12 940 m。其中Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ类围岩长度分别为2 985 m、8 173 m、1 783 m(Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ类围岩占比分别为0.23∶0.63∶0.14)。隧洞成型断面为4.5 m×4.5 m城门洞型，隧洞纵坡为1∶3 000。Ⅲ类围岩混凝土衬厚25 cm，Ⅳ类围岩混凝土衬厚40 cm，V类围岩混凝土衬厚45 cm。龙泉山隧洞为高瓦斯隧洞，为整个毗河供水一期工程的关键线路。

2 全岩掘进机施工工艺的引进及设备选型

2.1 工艺引进

随着全岩掘进机施工工艺在煤矿领域的广泛应用，目前在水利工程长大隧洞工程中也得以逐步推广，笔者结合龙泉山隧洞施工段工程结构及地质情况，对全岩掘进机施工工艺的适应性进行了分析。

2.2 设备选型

本着满足工期要求、控制施工成本等原则，并使安全、质量得到有效保证，初步拟定分别在1#、2#、3#支洞配备一台EBZ260A型全岩掘进机。

3 掘进机施工的相关技术要求及参数

3.1 技术参数

据厂家公开资料显示， EBZ260A掘进机经济截割岩石硬度为90 MPa，最大截割岩石硬度为120 MPa，EBZ260A掘进机最大定位截割断面可达32 m2，最小定位截割断面可达10 m2。要求环境温度为0 ℃～40 ℃，最大空气相对湿度不超过9 5 %。爬坡度能力为±18°。

3.2 掘进机施工的相关技术要求

3.2.1 掘进机需配套的供电、供水和供风要求

(1)供电要求：供电电压为1 140 V，配备(3×90 mm2+1×45 mm2)电缆线。

(2)供水要求：供水压力为3 MPa，水量为30～120 L/min，如水压不足，可配备增压泵。

(3)供风要求：建议保证最小供风量不小于600 m3/min。

3.2.2 掘进机后配套运输系统

可配套可伸缩式皮带机，实现开采的洞渣连续装车运输，提高开采效率。

3.3 设备日常的主要消耗

设备日常的主要消耗情况见表1。

表1 设备日常消耗表

备注：硬岩截齿价格：360～580元/个

4 适应性技术分析

4.1 适应性分析

设计单位提供的龙泉山隧洞所属围岩岩性主要为砂岩和粉砂质泥岩不等厚互层。围岩干抗压强度最大值为73.8 MPa，满足厂家经济截割岩石硬度为90 MPa的要求。龙泉山隧洞最大开挖断面为5.4 m×5.4 m，最小开挖断面为5 m×5 m，介于最大定位截割断面32 m2、最小定位截割断面10 m2之间。龙泉山隧洞纵坡坡降为1/3 000，支洞坡比亦在1/10以内，均在设备爬坡度能力±18°(1/3)范围内。

综上所述，通过对龙泉山隧洞的岩性、断面尺寸、坡度等方面与厂家提供的参数进行对比后认为采用掘进机掘进施工是合适的。

4.2 工期对比

由于龙泉山隧洞为整个工程施工的关键线路，故施工方案必须满足工期要求。

钻爆法施工：设计单位安排龙泉山隧洞分为进口控制段、1#支洞上游和下游控制段、2#支洞上游和下游控制段、3#支洞上游和下游控制段及出口控制段，共计8个工作面进行开挖及衬砌混凝土施工。经计算，该计划能够满足工期要求。

掘进机施工：由于掘进机自重较重，行走速度仅为0.3 km/h左右，其难以确保两个工作面交替循环施工，故拟投入3台掘进机，将设计单位安排的8个工作面按图1所示的顺序依次进行开挖及衬砌跟进施工。经计算，该计划满足工期要求。

工作面规划及施工顺序见图1。

开挖月强度指标：Ⅲ类围岩为240 m/月、Ⅳ类围岩为160 m/月、Ⅴ类围岩为125 m/月图1 掘进机法施工程序规划图

4.3 超、欠挖(质量)控制对比

由于该工程隧洞衬砌厚度较小，若超挖控制不当，将对该工程成本控制带来较大影响。

掘进机开挖与钻爆法开挖具有的本质区别：

钻爆法施工：该方法开挖质量控制不仅受钻孔人员能力和责任心控制外，还受到钻机性能、装药量、炸药性能、节理组成、岩性、爆破震动等因素影响，且与地质预报的准确性及爆破人员对现场地质情况预判的准确性有很大关系。根据以往施工经验，很难将超挖控制在规范允许的范围之内，施工超挖量相对较大。

掘进机法施工：开挖过程中对超挖的控制主要由人和设备控制，并且对围岩的扰动可以达到最小程度。若加强对操作人员的管理，将极大程度将超欠挖控制在规范允许的范围之内，理论上甚至不超挖，洞室开挖圆顺度高，隧洞成型效果好，便于初期支护。

4.4 施工安全性对比

(1)钻爆法施工：

爆破施工对洞室围岩的扰动及稳定影响均较大，尤其是Ⅳ、Ⅴ类围岩，爆破后将产生较大的塌方，岩石将重新进行应力调整，同时亦对施工人员的安全、支护过程形成较大的威胁，增加额外的安全支护工程量。另外，由于钻爆法钻孔施工过程中施工人员(5～6人)须近距离在掌子面工作，安全风险相对较高。

(2)掘进机法施工：

由于工作面采用“一次截割成形”，即截割头从工作面中间截面的底部开始截割，利用截割部的上下、左右移动以及行走功能，按截割规定的路线使截割头扫过巷道截面使其一次成形。相比钻爆法，对围岩扰动及稳定影响均达到最低，洞室开挖圆顺度高，隧洞成型效果好。掘进和出渣时间缩短，结合围岩的自稳能力，初期支护质量容易得到保证，洞室塌方机率较钻爆法小很多。另外，开挖施工过程中仅需2名操作人员，且操作人员无需近距离接近掌子面，从而减轻了工人的劳动强度，况且此时的工作环境是在已完成初期支护的围岩下面，相比之下安全风险最低。

5 成本对比分析

5.1 钻爆施工

根据招投标文件中有关龙泉山隧道地质情况简介，结合类似工程经验分析，其钻爆开挖石方成本为：

(1)人工钻孔费用：35元/m3；

(2)火工材料费用：Ⅲ类围岩：22元/m3；Ⅳ类围岩：16.75/m3；Ⅴ类围岩：17.15元/m3。

(3)通风散烟费用：拟采用两台55 kW的风机(中间接力一台乘以1.25的系数)进行通风散烟，其中设备折旧和维护费用摊入电费单价中，通风散烟费用为：Ⅲ类围岩：14.42元/m3；Ⅳ类围岩：12.6/m3；Ⅴ类围岩：13.68元/m3。

(4)施工供风：拟采用一台110 kW空压机供风，其中设备折旧和维护费用摊入电费单价中，施工供风费用为：Ⅲ类围岩：8.24元/m3；Ⅳ类围岩：7.2 /m3；Ⅴ类围岩：6.84元/m3。

(5)出渣费用：拟采取一台扒渣机装渣、配10 t小型自卸汽车出渣，费用为35元/m3，其中扒渣机上料费为15元/m3，运输费为20元/m3。

(6)炸药库建设费：根据目前的考察情况和龙泉山隧洞施工对火工产品的需要，火工产品库房建设费用保守估计约200万元，洞挖方量为33.27万m3，火工产品库房摊销为6.01元/m3。

采用钻爆方式洞挖的直接成本：Ⅲ类围岩：120.48元/m3；Ⅳ类围岩：112.56元/m3；Ⅴ类围岩：113.68元/m3。

龙泉山隧洞石方洞挖工程量为332 773 m3，其中Ⅲ类围岩64 941 m3；Ⅳ类围岩216 734 m3；Ⅴ类围岩51 098 m3，按以上单价计算总费用约为3 800万元，综合单价为114.28 /m3。

5.2 全岩掘进机的施工

EBZ260A全岩掘进机售价约580万元/台，结合龙泉山隧洞工程实际需要，根据计算，需要购买3台全岩掘进机才能满足工期要求。

设备摊销费：龙泉山隧洞石方开挖量共计为332 773 m3，设备摊销费(暂按设备原值的70%摊销)为36.6元/m3；

设备运行费：根据厂家提供的相关参数和耗材价格，结合目前的电价计算得到的设备运行费为：Ⅲ类围岩：61.93元/m3；Ⅳ类围岩：31.43元/m3；Ⅴ类围岩：14.52元/m3。

设备维修费摊销：目前了解到的情况和厂家提供的资料均无法计算设备后期维修费，故暂按10元/m3计算。

通风散烟费用：拟采用两台55 kW的风机(中间接力一台乘以1.25的系数)进行通风散烟，其中设备折旧和维护费用摊入电费单价中，通风散烟费用为：Ⅲ类围岩：6.87元/m3；Ⅳ类围岩：5.14元/m3；Ⅴ类围岩：3.42元/m3。

运渣费用：全岩掘进机配备有自带的上料皮带机，只需采用自卸汽车运输即可，费用为20元/m3。

采用全岩掘进机方式洞挖的直接成本：Ⅲ类围岩：135.4元/m3；Ⅳ类围岩：103.17元/m3；Ⅴ类围岩：84.54元/m3。按以上单价计算总费用为3 550万元，综合单价为106.6 /m3。

5.3 钻爆法与全岩掘进机的优劣分析

5.3.1 常规钻爆法施工

龙泉山隧洞工程以钻爆的方式施工，其石方洞挖实际成本约为114.28元/m3，总费用约3 800万元，开挖工期为26个月。

优点：钻爆工艺非常成熟，且有成简快速通道等工程作为参考，工程施工易于控制，前期资金和设备投入小，人员易于组织和管理。

缺点：龙泉山隧洞属于高瓦斯隧洞，爆破施工安全风险高，超欠挖不易控制、通风散烟压力大、炸药库建设费用高，火工产品管理难度大，洞口周围民房及建筑物较多，对当地居民的影响大，施工面临较大干扰。

5.3.2 全岩掘进机法施工

使用EBZ260H全岩掘进机进行石方洞挖其实际成本约为106.6 /m3，总费用约3 550万元，开挖工期为26个月。

优点：相对于钻爆方式，石方洞挖实际成本每m3减少了7.68元。对岩层扰动较小，施工安全更有保障，降低了通风散烟的压力并消除了火工产品的管理难度，全岩掘进机施工对周边居民影响较小，可大大减小施工干扰风险。最主要的是：采用全岩掘进机方式施工可以更好地控制洞挖过程中出现的超挖、超填工程量，降低施工成本。

缺点：前期设备费用投入大，且目前对全岩掘进机的性能和运行费用主要是通过咨询厂家和其他施工单位，缺乏第一手资料，存在一定风险。当掘进过程中出现岩石强度增高而导致施工成本成倍增加、对工期的影响，对维修及运行成本超过目前了解的情况而导致成本超过钻爆成本时仍需采用钻爆工艺施工；另外，需单独架设1 140 V的高压供电系统。

5.3.3 综合比较

综上所述，经对目前考察和掌握的情况进行分析得知，使用钻爆方式和全岩掘进机方式施工，龙泉山隧洞的开挖总工期均为26个月。全岩掘进机方式洞挖比钻爆方式洞挖综合单价少7.68元/m3，可节省费用250万元。但因设备前期需投入1 740万元，按2 a、年利率8%计算资金的时间成本为289万元，从经济上分析，两种施工方式的成本基本一致。

由于钻爆和全岩掘进机施工在工期和经济上基本一致，但使用全岩掘进机可以减小施工附加量、减小对当地村民的施工干扰、降低火工产品管理的难度和费用、改善洞内施工环境、降低安全风险，因此，使用全岩掘进机方式相比钻爆方式仍具有一定的优势，还可以根据总工期安排与调节，对其他隧洞进行施工。

6 结 语

综上所述，根据设计单位提供的地质情况，结合工作面的划分和全岩掘进机对围岩的理论适应性，最终分别在龙泉山隧洞1#、2#、3#检修交通洞控制工作面各配置了一台EBZ260A全岩掘进机。笔者对全岩掘进机施工工艺从结构、工期、安全及质量控制等方面进行了全面的分析论证，其结果均能满足该工程要求，尤其在施工安全及质量上明显优于钻爆法施工，并且经济可行。

通过从技术、经济、质量、进度及安全角度分析后得出以下结论：采用全岩掘进机施工工艺在龙泉山隧洞工程中进行开挖施工可行，解决了水利工程中上覆岩体较薄、人口较为集中、岩石破碎的隧洞不能采取常规钻爆法施工的开挖难题，亦为其它隧洞工程施工工艺的选择提供了一定的借鉴，对于新工艺的推广起到了一定的示范效应。但需注意必须下大力气解决粉尘治理问题。