提高软岩隧洞开挖日进尺施工方法研究

张永鹏，吴建东

(1.甘肃省水务投资有限责任公司， 甘肃 兰州 730000;2. 甘肃省水利科学研究院，甘肃 兰州 730000)

1 工程简介

甘肃省引洮供水工程是是水利部27项重点工程和全国172项节水供水重大水利工程项目之一，是甘肃省有史以来单项投资规模最大、引水渠线最长、覆盖地区最广、受益群众最多的大型跨流域调水工程。该工程以城乡生活、工业供水为主，兼顾农业灌溉及生态用水，为当地群众脱贫致富及改善生态环境创造条件。引洮工程分两期实施，甘肃省引洮供水二期工程四干渠1#—2#隧洞工程主体工程施工第7标段工程施工。该段总长3627m，其中1#隧洞长1935m，2#隧洞长1650m，隧洞总长3585m。该标段于2015年10月8日开工，工期45个月，建设要求四干渠各标段施工的隧洞在2017年9月底前贯通。

2 施工进度

2.1 前期隧洞开挖进度调查分析

2.1.1 1#隧洞出口段前期开挖日进度统计分析

(1)采用挖掘机开挖日进度统计分析

1#隧洞出口段全洞为砖红色砂砾岩夹砂质泥岩，属软岩，软岩施工难度大，容易发生大变形。施工前期采用KX161-3SZ型挖掘机进行开挖。因岩石为中等风化，有一定的硬度，只得采用挖掘机带破碎锤开凿，并经风镐修边。2015年11月1日—2015年12月27日，经47d掘进机开挖进度统计，日平均进尺仅为1.31m。

(2)采用钻爆法开挖日进度统计分析

由于隧洞围岩较硬，采用挖掘机开挖风镐修边费时费力，开挖进度缓慢，无法完成建设单位的施工进度指标。为加快施工进度，提高企业信誉，项目部加大了火工品审批力度，争取早日采用钻爆法施工。于2015年12月下旬火工品审批手续完毕，12月28日进行钻爆法施工，经过13d爆破开挖，日平均进尺仅为1.52m，爆破效果不佳，开挖速度仍不理想，钻爆法有其自身的缺点。

2.1.2 2#隧洞进口段前期开挖进度

根据设计图纸，2#隧洞进口段工程洞口125m为土洞，围岩为黄土状土，实际进洞99m后见砂砾岩。土洞部分主要采用挖掘机、挖掘装载机等方法开挖。见基岩砂砾岩后，前期主要采用挖掘装载机开挖经41d统计，日平均进尺为1.96m。

2.2 不同设备开挖进度

1#隧洞出口段中等风化基岩不同开挖工艺掘进，围岩为强风化-中等风化砂砾岩、砂质泥岩。挖掘机日均掘进1.31m，钻爆法日掘进1.52m，钻爆法施工速度略比挖掘机开挖快，但不能满足开挖任务指标要求。2#隧洞进口段中等风化基岩为强风化砂砾岩、砂质泥岩，施工挖掘装载机日均掘进1.96m，但随着隧洞加深，岩石风化程度逐渐减弱，挖掘装载机开挖难度加大，此进度无法完成开挖任务指标。

1#隧洞出口段开挖总工程量1935m，于2016年1月17日，已完成115m，剩余工程量1820m，按目前钻爆法开挖日进尺1.52m推算，剩余工程量需用天数为1197d，2019年4月22日完工；按挖掘机掘进日进尺1.31m推算，2019年10月31日完工。2#隧洞进口段开挖工程量1650m，截止2016年1月17日，已完成175m，剩余工程量1475m，按挖掘装载机开挖日进尺1.96m推算，剩余工程量需用天数为753d，按此开挖进度不能按期完工。

2.3 隧洞开挖进度缓慢的主要症结

开挖包括隧洞掘进和一次支护两道工序[2- 3]。为找到引起开挖进度缓慢的主要症结，小组影响开挖日进尺的主要因素进行深入分析隧洞掘进和一次支护，超出常规时间所占的比例见表1，表中频数由以往施工的类似工程的工作效率分析统计得出。

表1 开挖进度缓慢的主要症结调查表 单位:%

引起开挖进度缓慢的主要症结是隧洞掘进时间长，如果超出常规时间所占的比例为80%。1#隧洞日进尺：1.52×(1+80%)=2.74m；2#隧洞日进尺：1.96×(1+80%)=3.53m。按照施工要求于2017年9月底前贯通，距离贯通时间仅有623d，1#隧洞出口段日平均进尺必须达到：1820÷628=2.90m，2#隧洞进口段日平均进尺必须达到：1475÷628=2.35m，两隧洞岩性相同。因此，目标值设定日进尺为2.90m，以往工程处其他项目一个工作面日进尺经常超过8m，仅施工地质条件与此项目有差异，一次性支护的工序比该项目简单而已。

2.4 设定目标值

隧洞开挖日进尺分别从1#隧洞1.52m、2#隧洞1.96m提高到2.90m。

3 影响因素确定

影响因素确认表见表2。

1#隧洞出口段剩余工程量需用天数为1820÷1.52=1197d，需在2019年4月22日完工；按挖掘机掘进日进尺1.31m推算，需在2019年10月31日完工。2#隧洞进口段开剩余工程量1475m，按目前挖掘装载机开挖日进尺1.96m推算，剩余工程量需用天数为1475÷1.96=753d，需在2018年2月2日完工。按目前开挖进度，1#隧洞出口段、2#隧洞进口段均不能按要求完成隧洞贯通，故必须改变施工工艺。对8个末端因素进行了认真调查、仔细统计分析，认为影响隧洞掘进速度的主要因素有2条：掘进工艺不合理；激励机制不完善。

4 实施对策

经过信息收集、分析认为本标段隧洞围岩为软岩，掘进机、铣挖机可能能解决该项目隧洞的掘进工艺。对施工现场进行考察，结合本标段隧洞围岩特性，了解掘进机、铣挖机的适用性。掘进机主要用于煤巷或半煤岩巷以及软岩的巷道掘进，主要功能不是采煤，是给采煤机“开路”，本标段隧洞围岩属软岩类可以采用掘进机作隧洞掘进施工的尝试；铣挖机主要应用于露天煤矿，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；掘进机、铣挖机均设有自动出渣系统，可减少出渣设备。掘进机开挖对隧洞的围岩扰动较小、其开挖主要以磨岩为主，因此容易控制超挖。相比钻爆法开挖施工效率高、开挖经济效益显著。

表2 影响因素确认表

4.1 调整隧洞掘进工艺

(1)确定隧洞掘进工艺

经实地考察、调研，认为采用掘进机掘进作为项目部首选的隧洞开挖施工设备，以掘进机掘进取代挖掘机和常规的钻爆法施工工艺。将考察情况及该项目今后隧洞开挖施工方案报公司领导决策，经专家组分析研究，决定使用1台掘进机用于本标段隧洞开挖施工。

(2)掘进机应用效果

2016年2月16日，新购掘进机达到施工现场，先在2#隧洞试运行，3月份月掘进进尺达到114.0m，最高月进尺为172m；于3月26日调入1#隧洞掘进，2016年5月4日，又购置第二台掘进机用于2#隧洞施工，创造了引洮二期工程月进尺184m的最高纪录，见表3。

采用掘进机掘进后1#隧洞月进尺为月施工进尺为112.5～184m，自4月1日—12月31日计275d共掘进1392.5m，平均日进尺为5.06m；2#隧洞月进尺为107.5～172m，自3月1日—12月31日计245d共掘进1210m，平均日进尺为4.94m。实现了对策目标。

4.2 核定定额，超额奖励

为激发施工人员积极性，小组成员建议项目部建立激励机制。而后，项目部于2016年3月下旬制订了《引洮二期供水工程7标项目部激励机制实施办法》，于2016年4月份起实施。办法规定：每月工资由基础工资+绩效工资组成，其中绩效工资与施工进度挂钩，核定基数，超额奖励。该办法出台后，施工人员积极性大大提高，大部分月份超额完成掘进基数，月收入大幅提升。

5 效果检查

5.1 目标检查

5.1.1目标值检查

在进行调整隧洞掘进工艺和施工人员的奖励后，隧洞掘进施工进度明显加快，1#隧洞在3月末进行掘进机掘进取代挖掘机和常规钻爆法施工工艺，2#隧洞在5月使用初掘进机掘进取代挖掘机施工工艺后日均掘进进度加快。

表3 采用掘进机掘进开挖日进尺统计表

对采取改变掘进工艺和人员奖励后的开挖日进尺进行了统计，通过实施两种措施，1#隧洞出口段开挖日进尺从原来的1.52m提高到4.29m，2#隧洞进口段开挖日进尺从原来的1.96m提高到4.17m，实现了开挖日进尺2.90m的目标。

5.1.2隧洞提前贯通

1#隧洞出口段长1935m，隧洞开挖计划工期908d，于2015年10月31进洞施工，已于2017年4月17日贯通，实际开挖用时535d，比投标计划提前373d完工；比业主确定的2017年9月提前贯通时间提早了166d。2#隧洞进口段长1650m，隧洞开挖计划工期974d，于2015年10月28进洞施工，已于2017年1月4日贯通，实际开挖用时435d，提前539d，比业主确定的2017年9月提前贯通时间提早了269d。

5.2 取得的效果

5.2.1积累了施工经验

该标段为引洮供水二期施工标段中首次选用掘进机开挖隧洞的项目；掘进机用于隧洞开挖，在我公司及黄土高原地区的隧洞项目施工中尚属首次尝试，它的成功应用为今后类似隧洞工程开挖起了抛砖引玉的作用。采用掘进机掘进隧洞，施工进度快，大大缩短了工期；掘进机为掘进、出渣一体化施工，减少了出渣设备的资金投入；能有效控制超欠挖现象，确保开挖施工质量；开挖掌子面无需施工人员，能大大降低安全风险。

5.2.2取得较好的经济效益

(1)直接经济效益

降低掘进成本272万元。每立方米降低掘进成本72.5元，两隧洞工程量37480m3，节约成本271.73万元，经济效益明显。

(2)潜在经济效益

掘进机的成功应用，公司品牌得到较大的提升，并为后继30、35标段项目的承接起到一定的助推作用。

6 结语

在甘肃省引洮供水二期工程四干渠1#-2#隧洞围岩为中等风化软岩，实际掘进中发现使用传统以挖掘机和钻爆法为主的施工工艺掘进隧洞速度慢。因此调整隧洞掘进工艺，使用掘进机掘进开挖隧洞，同时还实施了施工人员超额奖励机制。实施两种措施后，隧洞掘进成本降低且隧洞掘进提前完成，形成了较好的经济效益，同时该掘进方法对软岩掘进积累了宝贵的施工经验，对类似工程具有借鉴作用。隧洞掘进需立足于工程地质情况，结合已有工程经验，努力完善和发展新的施工工艺，对降低工程成本意义重大。