小断面软岩隧洞铣挖机快速掘进及支护技术研究

(中国水利水电第五工程局有限公司，成都，610066)

1 工程概况

引大济湟工程在湟水一级支流大通河上游石头峡建库引水，经调水总干渠穿越大阪山入黑泉水库，解决湟水两岸山区和干流资源性缺水问题。该工程分三期实施，西干渠为三期工程。本工程建设地点位于青海省西宁市湟中县(上五庄镇、拦隆口镇、多巴镇)。起讫桩号为K75+926.78～K95+706.75，总长19.78km，本工程主要承担隧洞8座(43#-50#隧洞)，总长8576m。

本标段隧洞工程除48#隧洞外其余7座隧洞均为城门洞型，48#隧洞为马蹄型。洞挖以Ⅳ类、Ⅴ类围岩为主，开挖断面面积约10m2，隧洞围岩类别包括：黄土、构造碎屑岩、砂质粘土岩、粉砂岩、砂砾岩、粘土岩、花岗闪长岩、片麻岩等。

2 地质条件

青海省引大济湟工程区在大地构造上属祁连山加里东地槽褶皱系(Ⅱ)的次级构造单元中祁连中间隆起带(Ⅱ3)，属区域稳定性较差区。根据《中国地震动参数区划图》，工程区50年超越概率为10%的地震动加速度为0.10g，相应的地震烈度为7度。隧洞主要工程地质问题有隧洞的塑性变形问题、断层破碎带塌方、突水问题、粘土岩的膨胀性、进出口边坡稳定问题、冻害问题和局部段隧洞围岩的岩爆及有害气体问题。

3 铣挖机施工方法简述

3.1 铣挖机简介

铣挖机采用世界领先的尖端技术生产，可安装在任何类型的液压挖掘机上，高效替代挖斗、破碎锤、液压剪等通用配置，应用于露天煤矿、隧道掘进及轮廓修正、渠道沟槽铣掘、沥青混凝土路面铣刨、岩石冻土铣挖、树根铣削等多个领域。铣挖机通过前方旋转的铣挖头将隧洞岩石(或土)刮落，达到隧洞掘进的效果。采用铣挖机开挖隧洞，能良好控制隧洞超欠挖，且安全性能相对较好，值得小断面隧洞开挖的运用与推广。

3.2 施工工艺流程

铣挖机施工工艺流程详见图1所示。

图1 铣挖机开挖流程

3.3 施工方法

针对小断面隧洞，在使用铣挖机开挖时采用一次开挖成型。先开挖顶部弧形顶拱，再开挖两侧边墙，最后进行底部石方开挖。对于围岩条件较差、不稳定的洞段可采用预留核心土开挖方式，待支护完成后再进行开挖。

在使用铣挖机开挖后，配合3m3出渣车进行出渣，出渣结束后马上进行支护结构安装、喷混凝土工作，然后进行下一个循环。铣挖机开挖出渣如图2所示。

图2 铣挖机开挖出渣示意

4 施工方案对比

4.1 铣挖机施工的优势

(1)目前国内隧洞开挖主要根据“新奥法”原理，采用钻爆法进行隧洞施工。钻爆法对软岩黄土隧洞开挖，进尺短，循环时间长，人力成本大。对于风化较严重的软岩隧洞，采用爆破开挖对围岩扰动较大，隧洞塌方频繁，且超欠挖控制不佳，后期需采用大量的人工对欠挖部位进行人工开挖，超挖部位进行人工回填。因此，选择一种针对软岩的高效率、低能耗的开挖方式尤为重要。

(2)由于隧洞断面小、空间小，一般只能采用爆破方式来进行掘进，施工工艺较为陈旧，机械化程度不高，当今先进设备也无法运用。

4.2 施工过程方案对比

本次研究通过对青海省引大济湟西干渠工程44#隧洞、45#隧洞、48#隧洞、49#隧洞开挖方式进行研究，通过采用铣挖机开挖掘进的方式与常规钻孔爆破方式进行对比，总结出以下几点：

(1)针对隧洞Ⅳ类、Ⅴ类软岩施工方法，采用铣挖机掘进施工相比常规爆破施工对隧洞的扰动较小，对于一些围岩破碎、完整性差的洞段，铣挖机施工优势较为明显。

(2)小断面软岩隧洞采用光爆效果较差，隧洞超欠挖严重；采用铣挖机开挖，成型隧洞超欠挖控制较好，无需再安排人员对超挖部位进行回填，对欠挖部位进行清锹甚至补炮，大量减少了人工投入。

4.2.1 运用铣挖机的工期对比

49#隧洞在开挖初期主要采用扒渣机出渣，前期隧洞主要岩性为坡积黄土状粉土，施工中后期遇到古近系强、弱风化粘土岩、泥质砂岩，无法采用扒渣机开挖。然后隧洞改变掘进方式，采用常规钻孔爆破方式向前掘进，由于隧洞断面小，爆破后排烟时间较长，且针对软岩爆破光爆效果极差，改变掘进方式后隧洞开挖效率依然较低。最后决定采用铣挖机对49#隧洞软岩段进行掘进开挖，最终实际贯通时间比计划时间大大提前。

图3 铣挖机施工和爆破施工循环时间对比

49#隧洞于2018年1月30日顺利贯通，总工期209d。通过单个循环的时间对比可以明显看出：爆破掘进方式>铣挖机掘进方式，铣挖机循环无需排烟、装药爆破、造孔等施工工序。

4.2.2 运用铣挖机的成本对比

图4 铣挖机施工和爆破施工人员投入对比

通过单个循环的人数对比可以明显得出：爆破方式掘进所需人员数量多于铣挖机掘进方式人员数量，铣挖机掘进方式降低了人工成本。爆破需要消耗相当数量的火工品，而且爆破过程中存在一定的安全风险，爆破施工前需要对施工人员进行安全培训，爆破后需要风机进行排烟等等，以上这些问题直接导致爆破施工在成本和管理方面的费用大大增加。

铣挖机相比爆破法可以节省火工品的支出，可以减少对现场作业人员的爆破安全培训，不会产生爆破产生的有害气体，且采用铣挖机开挖的隧洞超欠挖控制良好，无需再安排人员对超挖部位进行回填、对欠挖部位进行清锹甚至补炮，减少了大量人工投入费用。

5 可拆卸立拱机在小断面隧洞中的运用

小断面隧洞支护时钢拱架安装一般采用搭设施工平台，人工安装的方式，施工顺序为先安装拱腿再安装顶拱。小断面隧洞(断面10m2以内)顶拱工字钢重约90kg，安装过程中至少需两个工人站在搭设的施工平台上，人工抬升拱架至拱顶设计位置，再配合其他工人安装拱腿。该施工方式工艺陈旧，施工效率低，加大了施工人员的投入，增加了施工成本，且工人长时间待在裸露的拱顶下，存在很大的安全隐患。

结合现场实际情况，针对立拱架的施工难点，研究出一套适用于小断面隧洞安全、快速安装钢拱架的施工技术，并组装了一套实用的立拱架机器(详见图5-图7)。采用机械提升拱架代替人工抬升拱架，提高了拱架安装的安全性，且采用立拱机提升顶拱工字钢，操作人员只需站在已支护好的洞段，无需进入裸洞段，安全风险大大降低。

图5 立拱机平面布置

图6 立拱机纵断面

图注：1-钢拱架顶托；2-滑轮；3-卷扬机(带锁止装置)；4-支腿；5-立拱机底盘(双层镂空工字钢焊接)；6-钢管支撑；7-万向轮(带锁止装置)；8-钢丝绳

图7立拱机横断面(单位：cm)

工作原理及解析：施工前，先将已加工好的顶拱工字钢两侧焊接好钢筋网片，网片的宽度根据两榀工字钢间距而定(如：工字钢间距80cm，则在工字钢两侧各焊接45cm宽钢筋网片，以便下个循环搭接)。

将立拱机放置在即将安装钢拱架位置的安全区域(已支护完成的洞段)，人工安装钢拱架至工字钢顶托上，移动立拱机至适当位置(立拱机前端对准准备施工的钢拱架位置)。

力臂长L=3m，抬升高度H=2m，力臂超出立拱机长为L′。

力臂超出立拱机前端距离为76.4cm。

立拱机位置固定后，将万向轮锁止，以防施工过程中立拱机滑动。将两侧支腿打开支撑，以保证立拱机稳定。启动卷扬机，慢慢提升钢拱架至拱顶设计位置，然后锁止卷扬机，以防止卷扬机回转导致工字钢掉落。

顶拱工字钢定位完成后，工人进入施工区域(此时拱顶有支撑，处于相对安全的区域)，进行拱腿、连接筋及钢筋网施工。施工完成后，停止卷扬机锁止装置，启动卷扬机，慢慢放下工字钢顶托。收回立拱机两侧支腿，停止万向轮锁止装置，移动立拱机至下一榀工字钢安装位置，以此循环。

6 总结

通过对小断面软岩隧洞铣挖机开挖施工技术的研究，减少小断面隧洞针对软岩中采用光爆技术效果不佳，安全风险较大，经济效益不高等缺点。在支护过程中采用可拆卸液压立拱机可确保施工整体安全，避免可预见风险。因此，通过本次研究，以加快施工进度为目的，提高施工效率为主导，达到经济效益最大化为目标，以科技指导生产，提高小断面软岩隧洞施工效率，为其他类似工程提供借鉴，具有显著的社会效益和社会进步意义。