复杂洞外环境下隧道施工技术探讨

张立云,罗 利,唐开阳,龚国强

(中国五冶集团有限公司，四川成都 610066)

1 工程概况

老龙山隧道为四川省道205线绵阳绕城段改线建设工程(游仙区段)的控制性工程，位于绵阳市游仙区游仙镇老龙山风景区，为一座上、下行分离的四车道一级公路长隧道，隧道左、右线分别长1 205 m，隧道进出口左右洞洞口间距离较近，距离最近处净距为9 m，属于小净距隧道，出口左、右线均采用削竹式洞门。隧道最大埋深约80 m，以泥质粉砂岩夹粉砂质泥岩和中砂岩为主，岩体一般较完整，但强度较低，为极软岩—软岩，隧道洞口段围岩级别以Ⅴ级为主，隧道中部以Ⅳ级为主，抗风化能力差，长期暴露和浸水易风化、软化，自身稳定性差。隧址区地下水类型主要有松散岩孔隙水、基岩风化裂隙水和基岩构造裂隙水。隧址区抗震设防烈度为Ⅶ度，地震动峰值加速度值为0.10g，地震反应谱特征周期0.40 s。

2 隧道洞外环境调查

老龙山隧道穿越老龙山风景区，隧道上方有大量的民居、农家乐、食品厂以及道路、燃气管道、鱼塘、水池等设施，隧道出口位于绵阳市游仙区城区，隧道附近有精密电子厂、粮库、住宅、厂房、高速公路等重要设施，隧道洞外建设环境非常复杂，相关设施对工程建设的要求高(图1)。

图1 老龙山隧道洞外环境

(1)老龙山风景区占地面积约100 ha，现有餐饮、娱乐、会议、住宿、钓鱼、品茶、棋牌、卡拉OK、体育健身为一体的综合性大众休闲山庄五十余家，家禽、家畜、水产、养殖、旅游、食品生产企业二十余家，是绵阳城市近郊最大的生态观光农业开放式公园。

(2)隧道周边1 000 m范围内还有城市住宅区、精密电子厂、国家储备粮库、高速公路以及大量工厂等。

3 风险分析及开挖方案选定

暗挖隧道的施工开挖方法主要有钻爆法与机械法,机械法有TBM掘进机法、铣挖法以及单臂掘进机开挖法等,其中铣挖法是近年来兴起的一种施工方法,应用于隧道开挖以及修整轮廓、洞室、横洞开挖等,特别适合不宜爆破施工的软弱围岩地段。

老龙山隧道洞外环境复杂，施工要求高，特别是传统的钻爆法由于爆破施工产生的震动可能会对对周边建筑、厂房、科研院所等造成重大影响。同时，老龙山隧道两端洞口属于小净距浅埋隧道，爆破极易引起塌方、地表沉降、先行洞衬砌开裂、剥落现象，具有较大施工风险。因此，综合考虑隧道洞内外环境、地质条件、施工风险、工期要求、建设成本等因素，选定机械铣挖法开挖。

老龙山隧道投入四台徐工EBZ260型掘进机进行洞身开挖。(隧道小净距段左洞洞口Ⅴ级围岩采用预留核心土法，右洞洞口Ⅴ级围岩采用单侧壁导坑法，采用挖掘机配合掘进机开挖)。EBZ260型掘进机为当时国内使用的同类最大机型，整机重量为120 t，整机功率595 kW，掘进机为全电动机械，额定输入电压1 140 V，经济切割围岩抗压强度不大于100 MPa(根据实践情况，能够切割围岩强度能超过100 MPa，只是耗材相对较大)，根据现场的情况，一般围岩情况下生产率约4 m3/min。掘进机为全液压动力，履带行走，机型小巧灵活，可以进行任意形状断面的施工。掘进机主要部分为切割掘进装置(包括切割头，截齿，切割臂，变速箱，切割电机)，装料出渣装置(包括铲板，星轮，输送刮板)，行走装置，喷雾吸尘降尘装置和机身。工作时，通过切割臂摆动，强力转动的切割头截齿切割围岩，完成围岩的开挖。切割下的石渣掉落下后，掘进机前方下部的铲板接住石渣，通过星轮收集到机器中部的输送带，然后输送带把石渣传输到机器后面的出渣车辆上，从而完成开挖和装渣工作(图2、表1)。

图2 徐工EBZ260型掘进机

表1 掘进机技术参数

4 掘进机铣挖施工技术的优缺点

4.1 掘进机铣挖施工的优点

(1)减小了对围岩的扰动，避免由于爆破振动而造成的岩石强度降低，岩石结构松动，岩石结构局部破裂等不利情况。

(2)减少施工机械设备和劳动力的投入，有效防止意外事件造成群死群伤事故。

(3)最大限度减小对围岩自稳能力的破坏，不易造成大面积变形及局部塌方。

(4)便于控制超欠挖，实现隧道轮廓的精确成型，节约由于超挖而浪费，初喷质量有保证。

(5)开挖对周边岩体和建筑物振动小，不使用炸药。

(6)可选择的铣挖机快速换装系统，可在 30 s之内实现挖斗与铣挖机的更换，突破以钻孔爆破的循环施工方式，实现连续作业。

4.2 掘进机铣挖施工的缺点

(1)对于围岩强度较高的隧道，开挖效率低或无法开挖。

(2)电力驱动的掘进机采用高压供电，需全力做好用电安全。

(3)开挖过程中粉尘较多。

5 机械掘进过程中的高压用电管理

本工程所用的掘进机采用的是全电动动力装置，需用1 140 V的电源，需要使用特种变压器为其供电，而且进洞电缆为1 140 V的 高压电，针对此情况有以下保障措施：

(1)作为掘进机本身有多重的漏电保护装置，防止机械运行过程中由于漏电发生意外。

(2)洞口设置安全保护装置(漏电保护装置)，漏电后能自动跳闸断电。

(3)双铠甲胶皮电缆，防止机械意外碰撞、擦挂损坏漏电。

(4)电缆挂设在洞内边墙适当位置，挂设支架按相关电力安装规范要求进行，电缆线每3 m外贴反光标识，洞内在灯光照射下能够反光，明显醒目。

(5)安排专职电工每天三次对电缆进行巡视检查，及时发现问题，解决问题，消除隐患。

(6)进洞的机械设备车辆，安排专人进行指挥，车辆掉头倒车前后观察指挥，防止车辆碰撞到设备电缆。

(7)进洞人员劳动防护配备橡胶绝缘筒靴，防止漏电，非专职电工和专职设备操作人员不得触摸高压电缆和高压设备。

6 基于铣挖法掘进的降尘控制措施

隧道铣挖法掘进时，机械将岩体进行破碎切割，产生大量粉尘，作业环境极其恶劣，如果及时处理，对隧道作业人员和施工机械均有较大伤害，同时存在一定安全隐患，既不满足对文明施工的要求，也不符合对作业人员的职业健康保护。

常见隧道降尘方式一般通过对隧道机械通风来降低粉尘浓度。通风机降尘存在的不足：

(1)虽然掌子面粉尘浓度有所降低，但整个隧道都将充满粉尘，能见度低，文明施工差，存在安全隐患。

(2)工作效率低，能耗高，随着隧道掘进长度增加除尘效果越来越差，导致粉尘落在邻近的隧道段或者其他施工设备上面，影响运输、衬砌等设备操作，易产生二次污染，造成除尘不彻底，施工现场混乱等。

针对铣挖法开挖产生的粉尘都集中在掌子面位置的特点，研究的降尘装置通过将隧道内的粉尘通过风机抽排至防尘箱内，在箱体内通过水雾多次捕捉空气中的粉尘，达到粉尘的高捕获率，并通过在箱体顶部设置多层防尘网，大大改善了掌子面的施工环境，减少了粉尘在捕捉过程中对大气的污染，便携高效的解决了隧道铣挖除尘的问题。

箱式隧道水幕降尘装置，包括降尘箱和抽风机，所述降尘箱和抽风机之间通过风管连接，抽风机可将含尘空气通过风管送入到降尘箱内；降尘箱内设置有喷头，通过喷水捕获含尘空气中粉尘。

箱式隧道水幕降尘装置工作时，抽风机置于隧道掌子面，降尘箱位于隧道口外或位于掌子面后的隧道段内。抽风机和降尘箱之间的距离超过20 m。降尘箱为封闭式结构，并设置有进风口和出风口，降尘箱的内壁四周间隔的设置有若干水雾喷头。进风口和出风口分别位于相对的两端板上，水雾喷头沿着降尘箱的内壁设置有2层以上。箱式隧道水幕降尘装置降尘箱的进风口设置在端板的下部，并位于底层水雾喷头之下；出风口位于对侧端板的顶部。箱式隧道水幕降尘装置降尘箱还包括排水管，所述排水管的进口位于降尘箱泥位之上，并位于进气口的底部之下。降尘箱的底板设有从进气端朝向出气端的斜度，在进气端的端板底部设置有一排朝向出气端的清除污泥用的清污喷头；底板的出气端设置有排污管，用于排除沉淀污泥。两侧板交错的设置有隔板，使得空气从进气端到出去端形成迂回的气道，隔板的底端与降尘箱的底板之间设有间隙。风管为柔性风管，并间隔的通过固定件固定在隧道壁上(图3、图4)。

图3 降尘装置使用状态示意

图4 降尘装置现场应用

采用箱式隧道水幕降尘装置，具有结构简单，稳定可靠，可操作性强，处理方法简单、快捷等优点；可直接从源头控制粉尘，彻底避免了整个隧道的扬尘问题。

7 经济效益和社会效益

老龙山隧道作为省道205线绵阳绕城段改线建设工程(游仙区段)中重要的节点工程，双向四车道，分离式隧道，单洞长度为1 205 m，总长2 410 m。传统爆破法与机械铣挖法施工成本区别主要体现在因超欠挖控制精度而引起的土石开挖和初期支护工程量。

传统钻爆法成本费用： C25喷射混凝土：2410 m(总长)×8.5 m3(平均线性超挖10cm)×1075 元/m3=2202.14万元；土石开挖量：2410 m(总长)×102.8 m2(断面面积)×133 元/m3=3295.05万元；机械铣挖法成本费用： C25喷射混凝土：2410 m(总长)×3.9 m3(平均超挖量，线性超挖2cm)×1075 元/m3=1010.39万元；土石开挖量：2410 m(总长)×99.2 m2(断面面积)×187元/m3=4470.65万元。经济效益：(2202.14+3295.05)-(1010.39+4470.65)=16.15万元。

采用两种开挖方法其经济成本相当，机械铣挖法在减少爆破振动和炸药管理、保护岩体自稳能力、减少地表沉降和塌方概率、保证初期支护质量、降低噪音以及工期保障等方面显现出了较大优势。

8 结论

近年来，随着城市开发和基础设施建设的加快推进，城市周边的暗挖隧道工程越来越多，洞外环境的复杂性和对工程施工要求也越来越高。本文结合老龙山隧道的施工过程，在实践中总结了洞外复杂环境下隧道施工过程中的环境调查、风险分析、应对方案和实施效果。根据本文的成果，得出以下结论：

(1)隧道施工前需对周边环境进行认真的调查分析，充分识别工程施工可能对周边环境及设施造成的影响风险，避免造成严重后果以及引起不必要的纠纷。

(2)全电动动力驱动的高压掘金机械应充分做好电力保护保障措施，避免发生安全事故。

(3)对于软弱围岩隧道开挖，采用机械铣挖施工在保障施工安全和工程质量、加快工程进度、环境保护、降低周边建筑物影响方面具有很大优势。

(4)工程建设应牢牢树立“以人为本”的观念，认真对待“环保”这个大问题，高度重视参建人员的身心健康，做好环保不一定要花大代价，一个小小的发明运用可能就会解决问题。