软岩地质大跨隧道铣挖与控爆联合施工技术

陈应强 黄力

摘 要：隧道掌子面施工遇到围岩好坏均有分布时，软弱围岩如煤系地层段黑色煤岩可选用铣挖机施工，较硬围岩可利用控爆手段施工，可提高施工过程中的安全性。施工时先根据软弱围岩和较硬围岩分布情况确定台阶高度。针对软弱围岩施工时利用装配式铣挖机精准开挖到位，前提是将超前支护加强加密，然后立即支护到位，再将掌子面锚喷封闭。针对较硬围岩施工时，将周边眼根据实际情况内收15—20cm，放炮后利用铣挖机进行排险和欠挖处理，再进行支护工序。在开挖支护过程中，出于安全角度的考虑，应遵循软硬岩不同时开挖的原则，降低放炮工序引起软弱围岩塌方的风险。

关键词：软弱围岩;较硬围岩;铣挖机;控爆;周边眼

1 引言

本技术以公司承建的重遵扩容项目桐梓隧道右线煤系地层段施工为例，此段落隧道设计跨度为17.7m，设计施工工法为双侧壁导坑法，但是现场实际围岩情况是两侧边墙到拱腰位置围岩较好，拱部围岩为黑色碳质泥岩，无自稳能力，如按双侧壁导坑法施工，临时支护拱顶位置（超前支护已完成）开挖出来后由于围岩自稳能力差和爆破影响，未等下步工序施工就会产生冒顶现象，再加上此施工段落穿越夜猫洞断层，施工过程中出现集中涌水，围岩遇水变泥，作业空间狭小，造成极大的施工安全隐患。项目根据现场调查研究情况因地制宜，提出隧道铣挖与控爆联合施工技术。前人已提出铣挖与控爆联合施工技术，总体思想是掌子面总体为软岩，先调节周边眼位置等进行爆破，再进行铣挖机排险及欠挖处理，没有针对掌子面软硬岩兼有的情况进行施工总结，为此本文献专门对此情况进行论述，为类似工程施工提供经验。

2 施工技术

2.1 工程概况

兰州至海口国家高速公路重庆至遵义段（贵州境）扩容工程第T8合同段位于遵义市桐梓县境内，桐梓隧道全长10491m，平均开挖断面积约165m2，为公路分离式三车道高瓦斯特长大跨隧道，是重遵扩容项目的关键控制工程，具有工期紧、难度大等综合特点。其中右洞段YK43+540—YK43+655为煤系地层段，其掌子面围岩情况见图1。

2.2 施工原理

铣挖与控爆联合施工工法遵循新奥法理念的“短进尺、快支护、勤测量、紧封闭”的原则，利用铣挖机施工精确且安全的特点对软弱围岩进行开挖并及时支护，再最大限度地控制炸药量，对坚硬围岩进行开挖施工。

爆破会降低围岩的力学性能，爆破产生的地震波会使岩体瞬间挤压而破碎，导致强度和弹性模量降低，随着地震波的传播会使围岩产生裂纹或使围岩中的原有裂纹扩展，影响围岩完整性及稳定性。研究表明当软弱围岩正常的爆破施工会造成3m左右的爆破松动圈，对于像煤系地层这样的软岩，爆破影响更大。而利用铣挖机进行开挖，只对局部围岩产生扰动，与爆破施工相比，甚至是与破碎锤开挖相比，扰动范围要小得多，利于围岩的稳定。

铣挖与控爆联合施工，铣挖机先对软弱围岩进行开挖支护，再利用爆破方法，对坚硬围岩进行开挖施工，而此时软弱围岩已经支护到位，且严格控制炸材的使用，爆破对软弱围岩的影响已经大大减少，确保了整个施工过程的安全。

2.3 施工技术流程及操作要点

根据桐梓隧道实际施工工艺，施工技术流程图如图2所示：

2.3.1 施工前准备

施工前的准备工作主要有超前地质预报、台阶高度确定、机械设备的选型、现场开挖放线等。

（1） 超前地质预报

因为隧道围岩系煤系地层，为保证现场施工的安全，现场采用超前钻孔法（加深炮孔+超前钻孔）和物探法（地质雷达）相结合的超前地质预报方法，二者相互印证，指导现场施工。

（2） 台阶高度的确定

因为铣挖与控爆联合施工工法的核心内容是将围岩软弱部位在控爆前支护完成，以保证现场施工的安全，所以开挖前必须根据现场掌子面软弱围岩位置确定台阶高度，保证铣挖机开挖范围不需要再用其他方式开挖。另外台阶高度的确定也必须考虑现场施工的可操作性，例如考虑预留核心土后施工人员的操作空间、铣挖机的操作空间等，且确定了台阶高度才能确定拱架单元长度。

（3） 机械设备的选型

机械设备的选型根据工法开展的需求来确定，其中常规机械按三台阶七步开挖法配置，主要是针对铣挖机进行选型。现场是采用铣挖头与挖机改装配套的装配式铣挖机，其好处是成本低、使用灵活、铣挖头安装与拆卸与破碎锤基本一致，即一台挖机配置配套的铣挖头、破碎锤，实现一机多用。

（4） 现场开挖放线

测量员需要将开挖轮廓线在考虑预留变形量的情况下标识出来，便于现场指挥人员指挥铣挖机轮廓开挖。放样时，预留变形量不得小于设计量，必要时根据围岩沉降收敛情况加大预留变形量。另外，首次放样需要将台阶高度标记出来。

2.3.2 铣挖机对上台阶开挖

上台阶开挖的前提条件是做好超前支护，且根据实际情况进行设计加强，保证铣挖机开挖后拱部围岩稳定，降低冒顶风险。开挖时，必须有专人进行过程指挥与监督，一是确保施工过程的安全，减少过程中不必要的围岩扰动;二是保证开挖轮廓的准确性，确保开挖一次性到位，减少围岩的暴露时间;三是确保工序衔接紧凑，开挖完毕后确保马上可以进行初喷作业;四是控制开挖进尺不超过设计一榀拱架间距。

2.3.3 初喷

铣挖机开挖完毕后避免围岩暴露时间过长导致的安全隐患，需要立刻对开挖出的围岩面进行初喷以及对掌子面进行喷射混凝土封闭。初喷时注意，因为围岩极差，初喷厚度最后可达20cm，喷厚过小，对围岩维稳作用效果差。如果掌子面出水量大，初喷工序结束后需要立刻对掌子面水进行引排，避免水积压在掌子面喷混后面，导致掌子面失稳。

2.3.4 上台阶支护

初喷工序结束后即进行上台阶初期支护，施工参数严格按设计参数走，必要时需要对设计加强，如加大拱架型号、扩大拱架拱脚、增设锁腰锚杆、拱顶增设临时钢支撑等。施工过程中注意一是施工工序要緊凑，及时进行喷浆作业;二是按规范埋设沉降观测点，每组量测点埋设间距不大于5m。

2.3.5 中下台阶控爆开挖与支护

考虑安全原因，上台阶支护完毕后才可进行中下台阶控爆开挖。开挖过程中注意开挖进尺不超过设计一榀拱架间距，且需要不断优化爆破方案，减少炸材使用量，减低爆破对围岩的影响。桐梓隧道控爆施工中，周边眼间距40cm，距离开挖轮廓15cm左右，若爆破效果不理想，有欠挖情况，此时因放炮影响，围岩松动，利用铣挖机即可处理。

2.3.6 其他注意事项

（1）施工中各工序的质量验收需要满足中华人民共和国交通运输部发布的中华人民共和国行业标准《公路工程质量检验评定标准》（JTG F80/1—2017）以及《公路隧道施工技术规范》（JTG F60—2009）里面的相关规定。

（2）上述施工流程是按桐梓隧道现场实际情况来确定的，在利用该工法施工时，由于软弱围岩分布不一定在拱顶范围，所以需要灵活使用。但是必须注意，施工软弱围岩段时，其余部位不得进行爆破作业，且一定要做好掌子面引排水工作。

（3）开挖是本工法的重要环节，必须坚持新奥法理念“弱爆破、短进尺、强支护、早封闭、勤量测”的原则。开挖前应对开挖轮廓进行放样，便于铣挖机或钻眼时对开挖轮廓的精确把握。

（4）项目经理部应设专职质检工程师，班组设兼职质检员，严格执行“三检”制度，施工队自检、经理部复检，合格后及时通知监理工程师检查签认，隐蔽工程必须监理工程师签认后方能进行下道工序。

（5）支护完成后应该及时布设量测点，按5m一组布置，必要时加密量测点，并根据监控量测数据指导后续施工。

2.4 施工技术效果

因桐梓隧道WS-Va型衬砌结构（共115m）设计采用双侧壁导坑法施工，所以本施工技术与双侧壁导坑法做经济效益比较。

2.4.1 工期效果

桐梓隧道煤系地层段施工任务共计115m，设计拱架间距50cm，双层网片，系统锚桿为φ42*4钢管（长度4m），超前为φ50*4钢管（长度4m，每榀拱架施作），采用铣挖和控爆联合施工工法施工，较设计双侧壁导坑法相比，工期明显缩短。按双侧壁导坑法施工从开始施工到临时支护拆除，大概需要259天，而实际采用铣挖和控爆联合施工工法施工，施工时间约187天。从施工过程中围岩揭露情况来看，采用双侧壁导坑法施工会造成冒顶现象以及冒顶产生的瓦斯突出等风险，处理这些突发情况造成的工期延误不可估量。

综上所述，采用铣挖和控爆联合施工工法施工工期上至少节省72天时间。

2.4.2 经济效果

（1）铣挖与控爆联合施工工法没有临时支护，而双侧壁导坑法施工有，即临时支护材料为节省下来的材料，以及节省临时支护的分包费用，材料费用见表1，费用按本文献创作时候的合同价格计算，包括材料费用、加工和安装费用。

（2）铣挖和控爆联合施工需要铣挖机和人工配合施工，而采用双侧壁导坑法，考虑到此时围岩差，开挖时也可机械（一般隧道采用挖机+破碎锤）+控爆联合开挖，也是机械与人工配合施工，两种工法进尺均为一榀拱架距离，所以考虑开挖费用相差主要在机械上，调查AF-20RW铣挖头费用在23万元左右，而破碎锤价格在6万元左右，且铣挖头上的铣刨齿为易耗品，费用为110元/个，平均每米损耗3个，即铣挖头损耗330元/m。

则使用铣挖头的费用为-23+6-0.033*115=-20.795万元。

（3）铣挖和控爆联合施工时支护人员配置按三台阶七步开挖法配置即可，双侧壁导坑法施工时两个导坑掌子面错开一定距离后可同时掘进同时支护，两个工法支护时人员成本见表2。

（4）桐梓隧道因掌子面软硬围岩的特殊分布，采用铣挖和控爆联合施工较双侧壁导坑法施工更为安全，因此会节省下安全措施费用。再者铣挖和控爆联合施工较双侧壁导坑法施工空间大，在采用机械手湿喷工艺，空间大小对机械手操作影响很大，实践经验可知空间大有利于机械臂操作，因此采用铣挖和控爆联合施工法相对会节省喷射混凝土用量。上述费用因双侧壁导坑法施工实际未发生，无法定量分析。

综上所述铣挖和控爆联合法施工较双侧壁导坑法施工费用至少节省128.69+（-20.795）+（190.44-102.66）=195.675万元。

2.4.3 监控量测情况

桐梓隧道煤系地层段预留变形量15cm，实际预留变形25cm。测量班组按照规范要求对拱顶沉降及围岩收敛进行了量测，其中拱顶沉降最大累计值为74.5mm，然后所有点数据已趋于稳定。

3 结论

（1）本施工技术适用于隧道穿越煤系地层或者洞身围岩整体较差，但局部围岩需要爆破开挖的情况，且从开挖面来看软岩范围较大，满足一个台阶的施工空间。

（2）上述情况是针对桐梓隧道围岩情况来说的，是按此工法施工难度及安全风险较大的情况，如遇其它软硬岩分布情况，调整铣挖机与爆破开挖部位即可，但是应坚持软硬岩不同时开挖的原则。

（3）铣挖与控爆联合施工技术与设计的双侧壁导坑法相比，从工期方面讲至少缩短72天;从经济方面讲，从材料、机械、人工综合考虑下相比至少节约195.675万元。

（4）由于铣挖机的使用具有局限性，对于较硬围岩的功效很低，因此后续应对铣挖机适用的围岩情况做详细研究，进而使铣挖与控爆联合施工技术的应用在工期、安全、成本等方面效果更为突出。

参考文献：

（1）李永.铣挖法在软岩隧道施工中的应用[J]. 建筑机械，2014（08）：33-35

（2）易德军.隧道式铣挖机开挖软岩隧洞经济效果分析[J].农业科技与信息，2018（13）：112-113