钻爆法与掘进机法在引沁入汾工程中的应用比较

(中国水利水电第八工程局有限公司，湖南 长沙 410000)

1 概 况

1.1 工程概述

临汾市引沁入汾浮山供水工程是山西省重点工程，位于临汾市古县、浮山县境内，自古县草峪岭隧洞出口取水，主要由进出口联合建筑物和输水建筑物组成，供水线路总长20.231km，其中供水总干渠18.531km，浮山干渠1.7km。供水总干渠线路上有郭店隧洞(12968m)、李家堡隧洞(2793m)、罗圈凹隧洞(2232m)3座隧洞，浮山干渠有赵家坡隧洞(1700m)1座，隧洞总长19.693km，占供水线路总长的97.34%。隧洞沿线海拔809～1102m，隧洞埋深11.59～253.65m，断面设计为城门形断面，采用最小施工断面，底宽2.5m，顶拱中心角为135°，顶拱半径1.35m，直墙高2.2m，洞高3.035m，输水隧洞纵坡1/2500。

03标主要施工范围为供水总干渠7+829～12+010，长4181m，其中Ⅳ类围岩1093m占26%，Ⅴ类围岩3088m，占73.86%。包括郭店隧洞(7+829～12+010)、4号斜井(456.9m)、5号斜井(150.6m)及临时辅助设施等。

主要工程量为：洞(井)挖56655m3，喷混凝土4610m3，锚杆24275根，钢筋2235t，混凝土16160m3，回填灌浆13917m2。

其中5号斜井位于河底村东南，与总干渠垂直相交于10+483.3处，地面高程875.456m，斜井设计底高程850.162m，斜井长150.6m，斜井坡度11.7°。围岩类别为Ⅴ类，开挖后的断面为3.44m×3.955m(宽×高)，衬砌后径宽为2.5m。5号斜井布置见图1。

图1 5号斜井断面

4号支洞斜井位于河底村，洞口高程908.672m，与主洞高差61.53m，支洞长456.67m，坡度8.08°，坡比1∶6.91，与总干渠在8+866.03处相交，洞底高程847.159m。

4号支洞设计开挖断面尺寸为3.3m×3.735m和3.44m×3.855m，4号支洞0+12.5～0+406.67段为Ⅳ类围岩，4号支洞0+000～0+12.5、4号支洞0+406.67～4号支洞0+456.67段为Ⅴ类围岩，开挖后进行初期支护，支护方式包括锚杆、挂网、喷射混凝土、钢拱架等。

1.2 开挖方法

本工程采用全断面开挖，共有两条施工支洞，四个工作面同时施工。4号支洞长456.9m，5号支洞长150.6m，主洞长4181m(7+829～12+010)。洞室开挖采用两种方法施工，其中5号斜井0～0+145.6、主洞11+383.3～11+483.3、11+483.3～11+583.3段采用EBZ200型掘进机开挖，4号斜井0～0+456.9、主洞7+829～11+383.3、11+583.3～12+010段采用钻孔爆破开挖。

2 两种开挖方法应用情况对比分析

2.1 适应性对比分析

2.1.1 钻孔爆破法开挖

钻爆法开挖是隧道开挖常用的方法，开挖过程中既要保护围岩的稳定性，以免发生塌方、涌水等灾害，又要保证隧洞掘进的速度，这对开挖方法的选择提出了考验。常用的隧洞快速掘进施工方法有全断面开挖、台阶法开挖以及导坑超前全断面扩挖等方式。全断面开挖适合于较小断面的隧洞开挖，大断面隧洞主要采用台阶法开挖和导坑超前全断面扩挖。

采用钻爆法施工隧洞，一般要求隧洞大部分地段应位于坚硬的岩石地层之中。但隧洞进出口一般地质条件较差，甚至较长地段为土层，即使通过多方案比选确定的地段，也会存在一些风化槽或断层破碎带等不利地层。对于钻爆法施工，由于设计施工经验均较为成熟，可适应不同的地质条件变化。

2.1.2 悬臂式掘进机法开挖

掘进机施工法是一种利用回转刀具开挖(同时破碎和掘进)隧洞的机械设备。采用掘进机法施工洞室对地质条件适应性较差。不适用于软弱围岩，对强度超过200MPa的硬岩，刀具成本将急剧增大，开挖速度也随之降低。

2.1.3 对比分析

钻爆法是洞室开挖的传统方法，对地质条件适应性强。前期根据业主提供的地质资料，结合本工程实际地质条件分析，本工程可采用钻爆法开挖。掘进机法隧洞开挖主要适用于中硬度以下围岩，根据业主提供的地质资料分析，本工程主要为Ⅳ类、Ⅴ类围岩，硬岩强度均在100MPa以下，根据理论分析本工程可采用掘进机法施工。通过现场实际对比分析，本工程可采用两种施工方法同时进行施工。

2.2 施工工艺对比分析

本工程洞室开挖采用两种方法施工，其中掘进机法施工采用EBZ200型掘进机开挖共计345.6m，其余4437.9m采用钻孔爆破开挖，不同施工方法采用不同的施工工艺流程，具体细节如下。

2.2.1 钻爆法开挖施工工艺流程

考虑洞室断面尺寸较小，选择使用全断面开挖法进行爆破施工。洞室开挖采用气腿式风钻钻眼，钻头用φ40一字型钻头。光面爆破，用非电毫秒微差导爆管一次引爆，周边孔选用φ32×200g 型2号岩石乳化炸药间隔不耦合装药；掏槽、崩落孔、底板孔采用φ32×200g型 2号岩石乳化炸药连续耦合装药，毫秒延期导爆管雷管微差起爆。

结合本工程情况，周边眼采用不耦合装药，药量减小，适当加密，Ⅴ类围岩周边孔23个(其中底板孔7个)，崩落辅助孔16个，掏槽孔8个，共计47孔，详见图2；Ⅳ类围岩周边孔23个(其中底板孔7个)，崩落辅助孔16个，掏槽孔8个，共计47孔，详见图3。

图2 Ⅴ类围岩钻孔示意图 (单位：mm)

图3 Ⅳ类围岩钻孔示意图 (单位：mm)

2.2.1.1 掏槽方式及炮孔深度的确定

掏槽拟采用楔形掏槽方式。Ⅳ类围岩选择炮眼深度为2.3m，掏槽眼眼深为2.5m，Ⅴ类围岩选择炮眼深度为2.0m，掏槽眼眼深为2.2m。

2.2.1.2 光面爆破参数的确定

周边轮廓线光面爆破孔孔距取40～60cm。光面爆破参数通过现场试验确定，并随岩性的变化而变化，调整光爆参数的原则主要有以下两条。

a.两孔间的岩石凸起，炮眼完整率较好，说明线性装药量适合，但孔间距过大或保护层过小，应减少孔间距或加大保护层厚度。

b.眼痕完整率差，岩面凹进，说明线性装药量过大，孔间距过小或保护层过厚，应增大孔间距或减小保护层厚度。

2.2.1.3 单孔装药量

Ⅳ类围岩：掏槽眼1.6kg，崩落眼1.0kg，周边眼0.8kg，底板眼1.0kg。

Ⅴ类围岩：掏槽眼1.4kg，崩落眼1.0kg，周边眼0.6kg，底板眼0.8kg。

2.2.1.4 每循环总装药量

Ⅳ类围岩：1.6×8+1.0×16+0.8×16+1.0×7=48.6kg。

Ⅴ类围岩：1.4×8+1.0×16+0.6×16+0.8×7=42.4kg。

2.2.2 悬臂式掘进机开挖施工工艺流程

洞身开挖采用全断面开挖，利用掘进机截割头上下、左右移动进行截割，开挖过程中利用激光指向仪进行断面尺寸控制，并加强复测，确保开挖尺寸。掘进机截割岩石时，应先开机空载试运行，然后进行初步截割，最后修整，以达到断面尺寸要求。一般在截割较软岩石时，采用截割头左右移动循环向上的方法，当截割较硬岩石时，采用横向往复截割，截割时将截割头调至掌子面，由掌子面下中部开口进刀，左右摆动先割出槽窝，形成自由面，然后由下向上进行截割，待截割完毕支护完好后再进行下一循环作业，见图4。如遇有高硬度岩石时，不能勉强截割，应采取其他方法进行开挖。局部有围岩硬度较高但较破碎的砂岩，可用掘进机将围岩截割剥落，采用其他方式进行出渣。

图4 掘进机截割示意 (单位：mm)

地下洞室支护施工与掘进机开挖跟进平行交叉作业，各工序间交替流水作业。隧洞支护施工程序为：施工准备→掘进施工→出渣与掘进同步→进尺4m停机→初喷混凝土(5cm左右)→锚杆施工→挂网(钢支撑)→复喷混凝土施工→下一循环施工。

需注意支护时，掘进机必须退出掌子面，为支护提供工作面。

2.2.3 对比分析

与钻爆法相比，采用掘进机法进行洞室开挖施工是一种集掘进、导向、支护及通风防尘为一体的开挖方法，机械化程度较高，施工工序简单，开挖作业能连续进行，不使用火工品，不需进行爆破试验，安全性较高，没有像钻孔爆破那样大的冲击，对围岩的损伤小，几乎不产生松弛、掉块，崩塌的危险小，可减轻支护的工作量。震动、噪声小，对周围居民和结构物的影响小，与传统的钻爆法相比，掘进机法施工安全性和作业环境有了较大的改善。但是掘进机法施工也存在施工粉尘量较大的问题。

2.3 资源配置对比分析

2.3.1 钻孔爆破开挖法主要资源配置

钻孔爆破法开挖主要设备配置见表1，主要人工配置见表2。

表1 钻孔爆破法施工主要设备配置

表2 钻孔爆破法施工人员配置

续表

2.3.2 悬臂式掘进机开挖法主要资源配置

悬臂式掘进机开挖法主要资源配置设备见表3，主要人工配置见表4。

表3 悬臂式掘进机法施工主要资源配置

表4 悬臂式掘进机法施工人员配置

2.3.3 对比分析

与钻爆法相比，采用掘进机法进行洞室开挖施工，机械简单、型号单一、数量较少，不需要采用扒渣机、小型挖机等出渣机械，但采用掘进机法施工，机械化程度较高，成本较大，必须配置一台矿用隔爆型移动变电站供掘进机施工。

采用钻爆法每班需要配置人员33人，而采用掘进机法每班只需配置14人，与钻爆法相比大大降低了人工成本。

2.4 施工功效对比分析

钻爆法施工，其开挖功效受施工工序影响，每道施工工序都有固定的时间，理论上单个工作面从测量放线到放炮完成需3～4h，放炮到出渣完成需4～5h，每个循环钻爆法开挖需7～9h，每循环进尺1.8～2.2m，每天完成2～3个循环，高峰期最多两个工作面同时开挖，即高峰期每天平均进尺8～12m。结合本工程实际完成情况分析，采用钻爆法开挖于2016年6月1—2017年12月31日，实际完成工程量4437.9m，三个工作面同时施工，有效施工时间为470天，实际施工功效为9.44m/天。

采用悬臂式掘进机开挖，实现了隧洞施工的机械化，使施工工序大大简化，本工程采用掘进机开挖于2015年11月20日进场，2016年5月26日退场，春节期间正常施工，有效施工时间150天，实际完成开挖工程量345.6m，实际施工功效为2.3m/天。

综上对比分析，理论上采用掘进机法施工实际施工完成情况未达到要求，究其主要原因为掘进机法施工局限性较大，受岩石强度以及地质因素影响较大。施工时洞内粉尘较大，施工环境差，对工人健康影响较大，洞内有渗水，与粉尘相遇后形成淤泥，提高了出渣难度，且隧洞断面小，掘进设备大，对后续施工有干扰，导致实际施工效率降低。

2.5 施工费用对比分析

2.5.1 钻爆法开挖

钻爆法开挖按照一个工作面计算，折合一月投入费用见表5、表6。

表5 钻爆法开挖设备投入费用

表6 钻爆法开挖人工投入费用

2.5.2 掘进机法开挖

掘进机法按照一个工作面计算，折合一月投入费用见表7、表8。

表7 掘进机法开挖设备投入费用

续表

表8 掘进机开挖人工投入费用

就人工及设备投入费用而言，掘进机法开挖一月投入比钻爆法开挖高90765元。

2.6 质量安全对比分析

2.6.1 钻爆法开挖

a.质量方面。不容易控制开挖及爆破参数，且受地质及渗水条件影响较大，平整度及超欠挖不容易控制，成型较掘进机法差。

b.安全方面。采用火工品施工，且钻爆法施工时对周围围岩影响较大，作业时施工人员靠近掌子面，安全风险较大。

2.6.2 掘进机法开挖

a.质量方面。掘进机法采用机械化施工，掘进时对周围围岩及参数控制标准化，超欠挖控制良好。

b.安全方面。采用掘进机法最主要的安全隐患就是洞内粉尘较大，作业人员职业健康安全影响较钻爆法施工大。

2.7 两种施工工艺优缺点分析

通过两种施工方法在本工程的应用情况对比分析可知，两种方法各有优缺点。

2.7.1 掘进机法施工优缺点

相对于传统钻爆法，掘进机法施工安全性较好，施工对周围环境影响较小，机械化程度较高，施工质量控制简单，初期支护减少而且较钻爆法简单，节省人力及降低劳动强度，集中控制实现远距离操作，最主要的是掘进机法施工洞室超欠挖控制良好，洞室成型较好。

但掘进机法对围岩适应性较差，对于强度较高的砂岩，截割效率大幅度降低，截齿消耗增加，增加了炮头的损耗率，5号斜井开挖150.6m，更换了一次炮头，开挖成本提高；水系统降尘效果较差，洞内视野差，严重影响出渣效率，在斜井内出渣安全性系数较大，环保性较差；一次性投资大，施工过程中出现设备大件故障时，由于重量大、坡度陡、洞室空间小等特点导致设备维修困难。同时机器制造周期长，刀具的消耗和维修费用高昂。

2.7.2 钻爆法施工优缺点

与掘进机法相比，钻爆法施工比较灵活，可快速开始施工，适应各种形状、尺寸、大小的地下洞室开挖，围岩适应性强，开挖设备成本低，使用简单。

3 结 语

综上所述，两种施工方案各有利弊，各有侧重点，结合工程的实际地质条件可以采用不同的施工方法，条件允许，可以同时采用两种施工方法施工。本文通过对本工程开挖中钻爆法与掘进机法施工进行对比分析，对两种工艺的适应性、施工工艺、资源、功效、资金投入、质量、安全、优缺点等方面进行分析，找出各自的特点，可为类似工程施工及选择提供依据。