铣挖法在引洮二期工程软岩隧洞中的应用

孙章平

（甘肃省水利水电勘测设计研究院有限责任公司，甘肃 兰州 730000）

1 工程概况

引洮供水工程主要是解决甘肃省中部干旱地区11个国家扶贫重点县城镇及工业用水、农村人畜饮水、生态环境用水问题，同时兼有灌溉、发电、防洪等综合利用功能的大型跨流域调水工程，引洮二期供水范围为定西市安定区、陇西县、通渭县，白银市会宁县，天水市武山县、甘谷县、秦安县及平凉市静宁县4市8个县区97个乡镇1692个行政村，供水县城4个（通渭、会宁、秦安、静宁）。受水区主要分布在陇西黄土高原西部，总体属黄土低中山梁峁地貌区，海拔1400 m～2626 m，相对高差一般小于300 m。

引洮二期工程建筑物以隧洞为主。总干渠线路全长95091.45 m，其中隧洞20座，长度90580.43 m，约占渠线总长的95%；Ⅴ类围岩主要由新近系粉砂质泥岩、泥质粉砂岩、砂砾岩和古近系砂岩夹砂砾岩以及前震旦系片麻岩古风化壳、断层破碎带及影响带构成。Ⅴ类围岩和第四系黄土类土隧洞其长度约占总长度的85%以上。

Ⅴ类围岩粉砂质泥岩洞段主要性质为岩性软弱，属极软岩，遇水易软化崩解，失水干缩，易风化，围岩极不稳定，洞顶易坍塌掉块。黄土状土隧洞主要性质为结构中密～密实，含水量较高，土体呈可塑状，地下水位于洞身附近时，围岩不能自稳。

2 隧洞设计和开挖原则

对粉砂质泥岩、泥质粉砂岩、砂砾岩、砾岩等Ⅳ、Ⅴ类围岩、极软岩及黄土隧洞，岩石单轴原状抗压强度一般为0.2 MPa～4.9 MPa，黄土状土干密度一般为1.23 g/cm3～1.62 g/cm3。因力学强度低，遇水易软化崩解，自稳能力差，自稳时间短，隧洞设计采用能较好适应围岩变形和山岩压力的三心圆拱型断面[1]。三心圆拱衬砌断面的轮廓尺寸根据衬砌轴线与外力作用下的压力曲线相吻合的原则拟定。受地质条件、供水规模、供水对象等因素限制，引洮二期总干渠隧洞断面尺寸相对较小。如总干渠某隧洞面尺寸为4 m×3.8 m左右，上川输水渠开挖断面尺寸为2.4 m×2.6 m左右，断面尺寸只满足施工条件要求。软岩隧洞断面开挖见图1。

图1 软岩隧洞开挖断面

本次隧洞支护、衬砌结构设计参考以往类似工程设计经验，采用复合式的支护衬砌结构联合体系，一次支护采用新奥法设计、二次衬砌采用结构力学方法进行计算以确保隧洞设计、施工安全。新奥法设计原则是最大限度利用围岩自承能力，合理确定二次衬砌厚度配筋等参数，使工程做到经济合理。隧洞支护方法为隧洞开挖完后及时对围岩进行喷锚一次支护，减少围岩扰动。通过“勤观测”，分析围岩收敛、变形数据规律，判断断面稳定性，及时调整支护参数，通过围岩观测数据判断围岩收敛性，合理确定二次衬砌时间。

3 隧洞开挖方案比选

目前，隧洞开挖主要采用的施工方法有钻爆法、机械开挖法，其中机械开挖法又包括盾构机，掘进机，铣挖机等施工方法。引洮二期饮水隧洞断面比较小，不适用掘进机、盾构机等大型机械施工，且盾构机、挖掘机造价高。因此引洮二期隧洞开挖方案主要考虑钻爆法和铣挖法。

3.1 铣挖法施工

铣挖法以铣挖机为核心，可配合其他机械，以控制爆破，静力破碎等方式进行隧洞开挖的非爆破开挖方法[2]。铣挖机主要有铣挖刀头、铣挖头、铣挖机身、传输带组成。铣挖机头可安装在任何类型的液压挖掘机上，广泛应用于隧洞开挖、渠道铣掘、沥青混凝土路面铣刨、岩石冻土铣挖等多个领域。铣挖机的应用为隧道开挖提供了一种新的施工方法，特别适用于中低强度、完整性较好岩石。铣挖机具有掘进、开挖、出渣一体化的功能，铣挖机见图2。

图2 铣挖机图片

铣挖法施工主要特点为：

1）施工效率高：铣挖机集掘进、开挖、出渣一体化功能，可连续作业，施工效率高。根据引洮二期隧洞施工经验，引洮二期工程软岩单轴原状抗压强度为0.2 MPa～4.9 MPa，在软岩洞段开挖强度可达到14 m3/h～20 m3/h左右,在黄土洞段可达到18 m3/h～30 m3/h左右。

2）开挖精度高：引洮二期软岩隧洞采用三心圆断面，开挖尺寸控制比较困难。铣挖机可精确按照设计断面开挖，严格控制超挖，欠挖，降低施工过程中“宁超勿欠”所引起的材料浪费[3]，确保二衬砼厚度，节约成本。

3）对围岩扰动小：铣挖机利用铣挖刀头，平缓开挖断面，岩体受扰动小，不引起围岩及已支护断面动力响应。

4）环境污染小：铣挖机施工过程中产生少量灰尘，通过合理的排风措施，减少对人体危害。

5）施工安全：隧洞开挖支护采用“短进尺，强支护，勤量测”原则。铣挖机前臂可连续进尺2 m～3 m，铣挖机操作人员可在已喷锚支护断面下进行，减少隧洞开挖过程中掉块、塌方等造成人员伤亡。

6）机械化程度高：隧洞开挖断面一般只需要一个铣挖机操作员，然后利用小型柴油三轮车在运输带后面将洞渣运至洞外，机械化程度高。

7）节约成本：根据引洮二期所在地火工品单价分析,以引洮二期某软岩隧洞开挖单价比较,铣挖机开挖较钻爆法施工约低680元/m。

8）适用范围受限：对于强度小于等于15 MPa软岩开挖效率高，但对于15 MPa～30 MPa软岩效率偏低，开挖缓慢。开挖过程中遇到局部围岩强度为30 MPa左右，开挖1.5 m进尺，开挖时间约15 h，且铣挖机刀片磨损严重。

3.2 钻爆法施工

引洮二期工程隧洞岩性主要为砂质泥岩、泥质粉砂岩、砂砾岩、砾岩等软岩和极软岩，为避免开挖过程中围岩受扰动严重，造成中～大塌方，确保开挖安全。隧洞采用光面爆破开挖。通过严格控制周边爆眼方向、间距、装药量以及起爆顺序，严格按技术条款要求控制周边残孔率，控制超挖、欠挖量，减少周边及已衬砌围岩扰动，达到光面爆破效果。爆眼可采用气腿式凿岩机或手持式凿岩机打孔，也可采用煤电钻打孔。对极软岩洞段黄土洞段不宜采用全断面一次开挖。注重开挖方法的选择，宜采用上下台阶法、预留核心土法及先行导洞法等施工方法，以保证一次支护的及时施工。

钻爆法施工主要特点:

1）适用范围广：钻爆法适用于硬岩、软岩，对不同强度的岩石均可使用。

2）对围岩扰动大：据相关研究爆炸能以不同的形式释放，一部分以动能的形式诱发围岩振动，其间岩体应变能也会在开挖面通过近区和远区相互做功的形式诱发振动，即围岩振动是由爆炸能和岩体应变能共同引起[4]。钻爆法对围岩及已支护断面扰动大。

3）施工效率低：光面爆破法施工，掌子面需要各工种人员多，实施繁琐。

4）爆破、开挖施工过程中危险性因素较多。

5）污染大：爆破过程中产生浓烟比较多，排烟时间较长。

6）断面尺寸较难控制：引洮二期软岩隧洞采用三心圆断面，特别是软岩隧洞，岩石胶结力弱，自稳能力差，轮廓断面较难控制，采用钻爆法容易造成围岩松动，导致隧洞掉块、塌方。

3.3 方案比选

引洮二期隧洞施工具有以下特点：隧洞断面小，距离长，工期要求紧张，软岩或黄土洞段所占比例大。通过对两种施工方案综合分析，在软岩隧洞中采用铣挖法施工，技术先进，施工安全，效率高，施工进度大大提高。铣挖法与钻爆法主要优缺点对比见表1。

表1 两种方案对比

3.4 铣挖法在施工中遇到的问题及解决方法

（1）围岩中有地下水时，施工比较困难。主要原因为围岩渗水，铣挖机刀头开挖时，粘结成泥糊状；底板泥化，铣挖机陷入泥中，行走困难。施工中解决办法：在遇水洞段，采用集水井，加强排水；在渗水集中的位置集中饮水，防止地下水漫排。并在底板泥化洞段，采用干硬性砼硬化底板。

（2）开挖过程中遇岩石破碎段及黄土洞段，特别是粉砂岩，遇水崩解，有掉块及顶部坍塌现象，有砸中开挖机操作人员现象，造成人员受伤。施工中解决办法：对黄土洞段及围岩极软或破碎以及富含地下水的特殊洞段采用超前支护管棚和施工注浆等辅助方法。超前支护一般采用φ42超前管棚（环向间距300 mm，L=3000 mm），搭接长度1 m～1.5 m，必要时采用φ108超前钢管管棚（环向间距350 mm，L=10000 mm），管棚搭接长度2 m～3 m；开挖时采用上下台阶法、预留核心土法等施工方法[2]。开挖过程中采用短进尺，一般为一个循环，进尺一般为1.0 m～1.5 m，及时喷锚支护，然后进行下一循环。这样可保证开挖人员在已支护稳定洞段施工。

（3）铣挖机液压采用风冷式系统，工作时间长时，铣挖机刀头温度升高，油温上升，造成液压管道爆破，铣挖机头额定功率下降等现象，施工中合理安排工序，避免连续工作导致机器损坏。

（4）引洮二期隧洞断面普遍偏小，一般采用自卸式柴油农用三轮车运输，加上开挖过程中的粉尘，当隧洞较长时，洞内污染严重，能见度低，施工条件差。施工过程中加强通风、排烟能力，尽可能保持良好的施工环境。

4 结语

根据引洮二期工程实践证明，铣挖法在软岩（特别是围岩强度≤15 MPa）和黄土洞段，具有机械化成度高，隧洞断面开挖精度高，对围岩扰动小、污染小、施工安全等明显优势。铣挖法的运用可大大提高施工效率，缩短工期，为工程按时通水提供有利保障。铣挖法在引洮二期工程的应用，可供类似隧洞设计与施工参考借鉴。