隧道水射流开挖技术的可行性研究与探讨

王 栋，李永生，苟红松

(中铁隧道集团有限公司技术中心，河南 洛阳 471009)

隧道水射流开挖技术的可行性研究与探讨

王 栋，李永生，苟红松

(中铁隧道集团有限公司技术中心，河南 洛阳 471009)

为研究高压水射流技术在隧道开挖过程中的可行性，节省造价和工期，改善作业环境，降低安全风险，阐述了水射流破岩机制的原理，调研了适合隧道水力开挖的关键参数和开挖方法，有针对性地对单独水射流开挖隧道、水射流配合机械开挖隧道和水射流辅助机械开挖隧道3个方案进行了技术、经济效能的分析。通过计算，验证了采用高压水射流配合机械开挖隧道的可行性，认为水射流配合机械开挖隧道更能体现隧道施工的经济性，并能满足施工进度、作业环境和工程风险等方面的要求。

隧道；高压水射流；施工方案；可行性

0 引言

随着科学技术的不断进步，隧道从最早的人工掘进施工方法发展到钻爆法开挖，直到现在的TBM(全断面隧洞掘进机)开挖，工作效率越来越高，安全性能越来越好，但也存在不少问题，如钻爆法开挖自身工序复杂，工作条件差，工人劳动强度大，超欠挖难以控制，安全性差，难以实现高速、高效、安全、文明施工等。而TBM开挖也有如下致命的缺点：1)地质适应性差，对于复杂的隧道很难适应；2)大部分TBM只能施工圆形或近似圆形的隧道，存在超挖的现象，一般占隧道所需断面积的8%左右，会造成很大的能源和材料浪费[1]；3)初始成本很高，不适合短隧道工程。高压水射流技术破碎岩石是众多新型破岩方式中最有潜力、效率最高，且易于实现的破岩方式，如果能用于隧道工程中，将大大提高工作效率，并降低施工成本，将会有很好的应用前景。

国内外学者对高压水射流破岩机制做了大量研究，也取得了一定的成果。张海涛[2]认为水射流辅助凿岩技术可以提高机器的钻孔能力，降低刀具消耗；段雄等[3]认为水射流辅助刀具切削岩石是水楔作用的过程；Dubugnon认为岩石的破碎是水射流和机械联合破碎的作用；美国Colorado矿业学院对岩石切割过程中的参数进行了分析，认为水射流的压力在 280～350 MPa、横切速度为12.5～1 000 mm/s时，破岩效果最好；袁建民等[4]通过连续射流喷射角对破岩效果影响的试验分析，得出在150 MPa条件下最优喷距时的最优喷射角度；卢义玉等[5]对水射流辅助PDC刀具切割破碎岩石进行了力学分析，认为水射流布置在刀具的后方，并偏离刀具铅垂中线面适当位置辅助刀具破岩时，刀具受力可减少30%～50%；郑品聪研究了微型隧道的开挖过程，并认为其与钻井过程相似；郑富书对隧道的开挖进行了现场试验，认为高压水射流功率对开挖岩石起决定性作用；日本学者山门宪熊等认为水射流的门限压力与岩石的坚固性系数成正比，而松木浩二等通过试验得出门限压力与岩石的抗拉强度有较好的线性关系，水射流冲击岩石时存在一个临界喷距[6-7]；之后一些学者对水射流联合机械破岩的主要配合参数进行了试验研究和数值模拟，得出了水射流辅助机械破岩的关键参数对破岩效果的影响规律[8-10]。总体而言，国内外学者从理论和试验等方面对高压水射流技术做了比较全面的阐述，认为高压水射流完全有能力破碎岩石。但是，隧道开挖是一个复杂的过程，需要从隧道的开挖方法、水射流参数和水射流技术整体方案上分析其经济性和可行性，以便能更好地推广使用。

本文以高压水射流技术的分析为出发点，对水射流的主要参数进行了简单的调研与分析，提出适合水力开挖的2种开挖方法，并有针对性地设计了单独水射流开挖方案、水射流配合机械开挖方案和水射流辅助机械开挖方案，结合实例采用统计分析的方法对方案的经济性和可行性进行了分析，以期为隧道水射流技术的应用提供参考。

1 高压水射流破岩技术的原理

水射流技术是近几十年来发展迅速的一项新技术，已广泛地应用于清洗、切割和破碎作业中，具有独特的优越性。水射流是以水为工作介质，通过增压设备和特定形状的喷嘴产生高速射流束，具有极高的能级密度。其工作原理是：水射流布置在机械刀具周围，当水射流冲击岩石时，岩石破碎的主要机制是冲蚀效应和微裂纹的扩展。当水射流速度达到500 m/s、冲击力为300 MPa时(超过大多数岩石的抗压强度)，岩石以压缩的形式破坏。如果在超高压水射流的作用下，岩石原有的各种微裂纹和孔隙在强大的水射流挤压力作用下被增压到岩石的临界破坏状态，使微裂纹扩展和联通，最终导致岩石破坏，从而进行岩石的破碎。水射流辅助机械破碎岩石如图1所示。

2 隧道高压水射流开挖参数的调研研究

2.1 水射流参数的计算与选取

就工程应用中最常见的连续水射流而言，人们最关心的是基本参数，即产生射流的流体静压力(简称射流压力)、射流流量、流速、功率及反冲力等动力学参数。

在高压水射流压力强度已经足够使岩石破碎的情况下，要想大幅度地提高破碎效率，就要靠水射流的流量，而非压力。在水射流压力一定的前提下，水射流流量的计算公式为：

式中：qt为射流流量，L/min；d为喷嘴直径，mm。

(a)

(b)

很显然，水射流所需流量与喷嘴直径和压力的平方根成正比，故在喷嘴直径一定的前提下，流量对破碎效率的作用比压力大得多。例如对于大理岩而言，喷嘴直径为0.5 mm时，花岗岩所需压力为150～320 MPa，对应所需的流量为6.4～9.4 L/min。

喷嘴出口的射流功率是压力和流量的函数，可表示为：

P=35.1d2p3/2。

式中：P为射流功率，W；d为喷嘴直径，mm；p为射流压力，MPa。

可以看出，喷嘴出口的射流功率是射流压力与喷嘴尺寸的函数，表明射流功率与喷嘴直径的平方、压力的3/2次幂成正比关系，即射流功率对喷嘴直径的变化比对压力的变化敏感得多。喷嘴直径增加1倍，射流功率则增加3倍；而压力增加1倍，射流功率则增加1.8倍。因此，对于水射流破碎岩石来说，通常是通过增加水射流压力和流量的方式来增强破碎效果。

2.2 水射流开挖方法的调研研究

伴随着高压水射流破岩技术的发展，压力达4 000 kg/cm2的高压水射流切割机和增压器已成批生产，且在硬岩中的钻速已达到相当高的水平。如在花岗岩中钻孔径为25.4 mm的孔，速度可达3 m/min，说明高压水射流破岩技术已经非常成熟；但对于隧道开挖而言，开挖方法则关系到水射流技术能否成功地应用于隧道施工中。

2.2.1 高压水射流开挖隧道切槽掘进法

某流体工业公司提出了一个掘进施工方案，即在掘进开始前，先用高压水沿隧道周边切槽，然后用高压水打炮眼，使切槽深与循环进尺相等，最后爆破破岩。目的是减少超挖、保护围岩、降低支护成本、增加爆破自由面以降低炸药消耗量和炮眼数量。水射流切槽掘进法如图2所示。

图2 水射流切槽掘进法示意图

为了实现这一方案，在花岗岩上进行了切槽试验，所用水压力为3 000 kg/cm2，切槽宽20 mm，水射流沿一定方向往返移动进行切槽，槽深20 mm时，切割速度可达1 m/min，每个钻头动力为25.742～29.420 kW。经测试，当隧道循环进尺1.5～2 m时，切1 m长的槽需要1.5 h。

与使用岩石掘进机开凿隧道相比，高压水射流切槽爆破掘进施工方案随然增加了爆破成本，能量消耗大，但比较灵活，可以开凿任意断面形状的隧道。

2.2.2 高压水射流辅助机械开挖隧道的同心槽法

西德矿山研究公司在对有关资料做了广泛研究之后，决定对高压水射流辅助机械刀具(滚刀)破岩进行探讨。设想的办法是用高压水射流切割出同心的槽沟，使岩石面预先变弱，接着用滚刀将残留的岩脊剪切下来，这样岩石的压碎就变为剪切破碎，从而使滚刀上的静力显著减少，各种岩石掘进机的质量也就减小。这样有利于井下作业，并在现场取得了良好的效果。水射流辅助机械切割岩石如图3所示。

图3水射流辅助机械切割岩石示意图

Fig.3 Rock cutting by mechanical method assisted by water jet

3 隧道水射流开挖技术的经济效能及可行性分析

水射流开挖技术是一项新技术，而钻爆法是普遍采用的开挖方法。不管是水射流开挖，还是钻爆法开挖，影响隧道成本的因素有隧道施工技术水平、管理水平、施工用地和地区差异等，但上述因素无法进行定量计算，故应重点分析在开挖工序中能定量计算的爆破费、人工费、机械设备费等的差异。

3.1 钻爆法开挖方案的能耗分析

假如开挖的单线隧道断面面积为56 m2，钻爆法施工，全断面开挖，运输方式为无轨运输，采用空压机、多功能作业台架、手持风动凿岩机进行机械配备(设备配置见表1)，每月平均进尺140 m，循环进尺2～3 m。

表1凿岩设备经济技术比较
Table 1 Comparison and contrast among different rock drilling methods in terms of economy and technology

项目风钻配合台架固定空压站移动空压站液压凿岩机组配合台架总功率/kW520400132耗电量/kWh1040008000021372耗材/元365003650018000设备总值/万元46．568．395工费/万元6．66．66．6消耗总费/万元16．5515．4610．54

3.1.1 凿岩设备的计算

通过对表1钻爆法凿岩设备的经济比较，认为液压凿岩机组配合作业台架是一种比较经济实用的凿岩设备，而目前钻爆法开挖隧道普遍采用的是风钻配合台架。按电费0.8 元/kWh，经计算，月进尺140 m所产生的费用大约为103.5 万元。

3.1.2 爆破费用的计算

钻爆法施工的主要材料有炸药、起爆器、导爆索等。材料的消耗与围岩、设备、掘进进尺等因素有关。据统计，目前普遍使用的硝铵炸药、导火线、普通雷管、非电毫秒雷管及导火索的综合单价分别为10.06，1.70，4.70，4.70，2.30元。

根据常用的经验公式，按每循环2～3 m、断面面积为56 m2计算，使用硝铵炸药的炸药量为80 kg左右，采用非电毫秒雷管+导爆索并联爆破，所需导爆管400 m。经计算，月进尺140 m所需的爆破费用在5万～7万元。

3.1.3 人工费的计算

根据《秦岭隧道TBM施工工程经济分析》中建议的钻爆法施工人员配备，钻爆法所需施工人员随隧道开挖断面的增大、配套机械的增多而增加，根据每循环中各工序所占时间，安排2班/d或3班/d作业。根据单线铁路隧道人工钻孔全断面开挖劳动力组织表，大概需要工人36名，按每人工资5 000元/月，安排3班作业，经计算，人工费大约为18 万元/月。

经计算，在进行钻爆法开挖时，所需的开挖总费用约为130 万元/月。

3.2 单独水射流隧道施工方案的经济性分析

3.2.1 费用分析

水力开挖机组主要有破岩系统、输水系统和供电系统3部分组成。其机组配备人员为5～7人(水枪手3～5人，电工1人，维修人员1人)。2班工人需要人工费共计5万～8万元/月，水射流设备的费用约250万元，共计总费用约为260万元。

3.2.2 进度分析

采用手持水枪对隧道进行开挖时，采用140 MPa的水压，流量为160 L/min，岩石强度为30～70 MPa，根据现场的实际情况自行调整水射流压力和流量。当开挖深度为0.1 m时，破除效率为4～5 m2/h，考虑到隧道放线、开挖、支护、出渣所需的时间以及不可预见的因素，3 d开挖7个循环，开挖工作时间为8 h/d，每循环工作4 h，破除量为32～40 m2，每月进尺1.7～2.1 m。

采用水射流破碎机对连续梁顶板塌陷区进行破除，塌陷区纵向6 m、横向4 m、厚度为0.5 m，需1～2 h，破除效率为12～24 m2/h。若按同样的效率开挖隧道，考虑隧道放线、开挖、支护、出渣所需的时间以及不可预见的因素，3 d开挖7个循环，开挖时间为8 h/d，每循环4 h，破除量为96～192 m2，则日进尺0.85～1.7 m，月进尺25.5～51.5 m。

对钻爆法开挖与单独的手持水枪及水射流破碎机进行了简单的效率分析，见表2。

表2 单独水射流破碎岩石效率分析表Table 2 Efficiency of rock breaking by water jet

从表2可以看出，采用单独的手持水枪或者水射流破碎机进行岩石的开挖，效率很低，且费用高、局限性大。水射流对岩石强度有一定的适应性，根据岩石切割的实际效果，认为在50～150 MPa的压力下，水射流能有效地完成岩石的切割；当压力大于150 MPa时效果会更好，不过比能不会减少很多。总之，对于隧道岩石的开挖来说，认为采用单独的水射流或者水射流破碎机进行隧道的开挖，其效果不如钻爆法经济。

3.3 水射流配合机械施工方案的经济性分析

3.3.1 隧道水射流开挖施工方案

根据调研情况，设计了一套水射流配合机械施工的方法，如图4所示。

图4隧道水射流配合机械施工
Fig.4 Tunnel excavation by mechanical method cooperated by water jet

1)用水射流切割机或水射流钻机沿着隧道周边及工作面钻凿连续的开缝或钻孔，将工作面分割成格子状或打一定数量的钻孔，形成很多自由面。

2)在自由面的分区块内用劈裂机或破碎机在裂缝或者钻孔内破碎岩石(一次破碎)，分裂完成后，用设备将石头拨开、搬走，从而制造出一个临空面，临空面制造得越好，分裂岩石的效率就越高。

3)根据破碎的效果进行出渣，即由自由面的形成、水射流割缝或打孔、分裂与破碎岩石3种作业组成，形成自由面的高压水射流割缝或打孔、劈裂机割岩和破岩装置是水射流配合机械开挖岩石的主要装置。

3.3.2 水射流配合机械破碎岩石的经济性分析

采用水射流设备对隧道进行钻孔或割缝时，不考虑其他因素，采用140～280 MPa的水压，在岩石上钻直径为40 mm的孔，速度可达2～3 m/min。隧道断面为56 m2，根据调研的劈裂机的现场效果，钻孔间距在60～70 cm时，破碎效果更好，更有利于运输。经计算，约需布孔50个，需时间约2 h，考虑不可预见的因素、现场设备、场地的布置及劈裂机的工作时间，保证每循环开挖工作时间为3～4 h(钻爆法开挖每循环在4～5 h)，每循环比钻爆法正常开挖至少能节省1 h，每月至少可节省60 h，可增加15个循环，开挖进尺可增加45～60 m，月开挖进度可达200 m，进度可提高30%左右。

对钻爆法和水射流设备配合割缝或钻孔进行了简单的效率分析，如表3所示。

表3 水射流配合机械破碎岩石效率分析表Table 3 Efficiency of rock breaking by mechanical method cooperated by water jet

从表3可以看出：采用水射流设备配合机械开挖隧道，根据试验和现场应用情况，认为该方案对岩石的适应性较强，能有效地完成对岩石的割缝和钻孔，仅仅在开挖环节，每月可节省开挖时间45～60 h，每月进度可提高30%左右。但是，当采用水射流切割设备对岩石进行切割时，前期设备投入太大，而采用水射流钻孔配合劈裂机开挖时的投入与钻爆法每延米开挖费用相差不大；同时，劈裂机使用方便、维修简单、价格便宜，认为水射流钻孔配合劈裂机进行隧道岩石的开挖，效率高、费用合理，但对安全性要求较高，在隧道中进行岩石的开挖其技术是可行的。

3.4 高压水射流辅助掘进机施工方案的经济性分析

高压水射流辅助刀具破岩的现场试验在斯克科密斯山的花岗岩采石场进行，岩石为花岗岩，抗压强度为1 730～2 247 kg/cm2。经过一系列现场试验，证实高压水射流辅助掘进机刀具破岩是成功的，掘进速度平均可提高50%～60%，机器所需的扭矩亦可降低25%。为了确定掘进速度提高后的经济效益，亦进行了技术经济分析与比较。

3.4.1 实例1

地铁隧道工程的隧道直径为6.1 m、岩石强度为1 758 kg/cm2、掘进速度为1.22 m/h，掘进机价格为250万美元。其中，水射流设备需要量按使用刀具间射流所需的功率来估算，工程的机械利用率、劳动力总数和直接劳动力费用则各异。

1台刀具的平均切割间距为76.2 mm，直径为6.1 m的岩巷掘进机总共需要60股射流。假定用0.25～0.3 mm的喷嘴，压力为3 515 kg/cm2时每股射流需要14.7～22.05 kW，总共不到1 470 kW，水射流设备费用大约为40万美元。

为了了解掘进机的节约费用情况，计算了掘进速度提高10%，25%，50%，100%，150%，200%时的费用节约百分比，见表4。

表4 掘进速度提高后的费用节约百分比(纽约地铁隧道工程)Table 4 Economic efficiency due to accelerated tunnel excavation rate (case of tunnel of New York Metro) 美元/m

从表4可以看出，掘进速度分别提高50%，100%，150%，200%时，费用节约百分比超过26%，37%，63%，对于一项隧道掘进工程来说，这些节约百分比是相当可观的。

3.4.2 实例2

内华达州西南河山隧道直径为3.8 m，需要的水射流设备按735 kW的装置来估算，假定用刀具间喷嘴，平均刀具间距为63.5 mm，0.3 mm喷嘴共30个，压力为3 515 kg/cm2，分析结果见图5和图6。

图5 费用节约百分比与掘进速度提高百分比的关系曲线Fig.5 Economic efficiency Vs acceleration of tunnel excavation rate

总投资1 100万美元，掘进费用为1 820美元/m。(a)机械掘进

掘进速度提高50%，总投资950万美元，掘进费用为1 558美元/m。
(b)水射流辅助机械掘进

图6费用分配图

Fig.6 Composition of construction cost

从图5和图6中可以看出：水射流辅助掘进可节约费用14.4%，直接劳动力费用有所下降，但设备费用增加，掘进费用从1 820美元/m降至1 558美元/m，总费用从1 100万美元降至950万美元；费用节约百分比随掘进速度提高百分比的增大而增大，掘进速度提高50%时，可节约费用14%。

通过对2个案例的分析比较可以看出：1)用水射流辅助机械掘进，费用节约很多，掘进速度分别提高50%，100%，150%时，可节约费用12%，25%，30%以上；2)水射流辅助掘进带来的收益是否抵得上安装水射流装置的支出，主要取决于掘进速度提高的百分比。掘进速度提高10%，便可抵消水射流系统的费用，但是没有比较设备和掘进机设计的最佳化，若掘进速度比样机试验时更高，则费用也相应进一步节省。

4 结论与展望

1)水射流流量和射流压力是决定切割效果的关键参数，但是流量对破碎效率的作用比压力大得多。岩石的强度是决定岩石开挖技术适用范围的决定性因素，认为Ⅱ级和Ⅲ级围岩单轴抗压强度在60～150 MPa时最适合采用隧道水力开挖技术，而对于不同的岩石，存在着一个最佳的水射流工况参数匹配。

2)对单独的水射流开挖来说，能量消耗大，且效率低、费用高；而采用水射流钻孔配合劈裂机开挖时，消耗成本相对较低，对岩石适应性较强，每月开挖时间可节省45～60 h，每月进尺可提高30%左右，认为在隧道中进行岩石的开挖是可行的。

3)采用水射流辅助机械开挖时，影响隧道开挖效率的决定性因素是掘进速度，同时，刀盘承受的切削能力可降低30%。当掘进速度提高10%时，刚好能弥补水射流设备的投入费用，随着掘进速度的提高，节省的费用也越多。但是也存在一些问题，譬如水射流喷嘴位置的布置等参数，为了使这项破岩技术尽快地付诸使用，还得继续进行一系列相关的试验室和现场试验，产生适合这类破岩技术的最佳设计参数，提高水射流系统的可靠性和经济性。

水射流破岩技术是一项新的、发展前景广阔的技术，但是由于原材料质量不过关、喷嘴堵塞及高压原件的锈蚀和密封等问题，不论破碎硬岩还是软岩，所需要的射流功率都很大。因此，到目前为止，投入生产使用的水射流辅助破碎岩石机械很少，基于此，以后应加强对水射流机械器件的研发，并研究最佳配合参数。

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我国2项工程荣膺“菲迪克工程项目优秀奖”

国际咨询工程师联合会(International Federation of Consulting Engineers-FIDIC，菲迪克)是全球工程咨询行业权威性的国际非政府组织。2014年9月28日至10月1日，菲迪克在巴西里约热内卢举行2014年年会，年会以“创新的基础设施建设解决方案“为主题，关注工程咨询业的发展，同时颁发了”菲迪克2014年工程项目杰出奖和优秀奖”。其中，“石太高速铁路太行山超长隧道群工程”和“京广高铁郑州黄河公铁两用桥工程”获得了菲迪克工程项目优秀奖。

石太高速铁路连接石家庄和太原，在太行山地区采用首尾相连的超长隧道群穿越。石太高速铁路太行山超长隧道群工程是全线关键工程，由3座隧道组成，整个隧道群长度为47.5 km，其中最重要的是长度为27.839 km的太行山隧道，由2条平行的单线隧道构成，其长度居国内运营铁路隧道之首。在隧道建设过程中，施工单位构建了高速铁路隧道技术标准，形成了在膏溶角砾岩中隧道修建技术，首创了超大断面隧道单洞变双洞过渡段建造技术。

太行山隧道要通过长达6.8 km的膏溶角砾岩，这是一种工程性质很差的“软岩硬土”，存在膨胀性、遇水崩解软化等诸多问题，工程风险极高。经过专项研究和试验，提出了膏溶角砾岩的围岩分级标准和工程措施，保障了结构施工及运营安全。

在高铁隧道群中，发生列车灾害事故后人员的快速逃生极其重要。通过数值计算、模型试验及灾害现场情景模拟等，专家建立了列车在隧道内发生火灾事故后人员安全疏散技术标准，填补了该领域的技术空白。

环境友好理念贯穿于项目的工程咨询与建设全过程。采用技术措施，避免了对地表水系的影响。对于隧道群超过700万m3的弃渣，在本项目或当地充分利用，剩余弃渣集中堆放，恢复植被。隧道洞门采用缓冲结构，缓解了空气波动对周围环境的影响。

另一个获得2014年菲迪克奖项的项目是京广高铁郑州黄河公铁两用桥工程，这是京广高速铁路与郑州至新乡一级公路跨越黄河的特大型共用桥梁，该桥公铁合建段长9.177 km，是目前世界上最长的公铁两用合建桥梁。

(摘自 隧道网 http://www.stec.net/sites/suidao/ConPg.aspx?InfId=3a1e3d98-9dab-4380-b784-1533793a5a41&CtgId=142f6ac5-a07a-44b6-8d17-42710c37e548 2014-11-04)

FeasibilityStudyandDiscussiononTunnelExcavationbyWaterJetTechnology

WANG Dong,LI Yongsheng,GOU Hongsong

(TechnologyCenterofChinaRailwayTunnelGroupCo.,Ltd.,Luoyang471009,Henan,China)

The principle of rock cutting by means of water jet is presented,key parameters and methods for tunnel excavation by means of water jet are investigated,comparison and contrast is made among 3 water-jet-based tunnel excavation schemes,i.e.,tunnel excavation by means of only water jet,tunnel excavation by mechanical method cooperated by water jet and tunnel excavation by mechanical method assisted by water jet,in terms of technology and economic efficiency.The calculation made verifies the feasibility of tunnel excavation by mechanical method cooperated by water jet.Conclusion is drawn that excavation by mechanical method cooperated by water jet can meet the requirements of the economic efficiency,advance rate,operation environment and risks of tunneling.

tunnel; high pressure water jet; construction scheme; feasibility

2014-09-23;

2014-10-10

王栋(1985—)，男，河南新安人，2011年毕业于河南理工大学，矿业工程专业，硕士，工程师，现从事隧道及地下工程施工和科研工作。

10.3973/j.issn.1672-741X.2014.11.005

U 455.3+2

A

1672-741X(2014)11-1042-07