山岭隧道非爆开挖工法研究

张云德

（青海省交通建设管理有限公司，青海西宁 810003)

1 工程概况

1.1 工程简介

某一级公路某隧道，位于青海省尖扎县坎布拉镇境内，距离坎布拉镇约2km，位于赛什扎村西南侧，唐色村北侧，隧道进口端顶部有乡村公路，为路线穿越山岭地带而建设。隧道轴线走向方位角为280o，进、出口均位于曲线上。路线采用分离式隧道，隧道右线起讫里程桩号：YK11+280～YK14+055，长L=2775m，隧道最大埋深约300m；隧道左线起讫里程桩号：ZK11+180～ZK14+070，长L=2890m，隧道最大埋深约310m。隧道设计速度80km/ h，建筑限界(宽× 高)：10.25m× 5m。

1.2 地质条件

1.2.1 地形地貌

拟建隧道宏观上属于高中山峡谷地貌，次级地貌单元属于构造侵蚀中山地貌，隧道穿越山岭，地形起伏，坡面冲沟发育，地形破碎，海拔2180m～2540m，相对高差360m；山坡自然坡度在20～35o，局部地段可达40～50o，坡面植被覆盖差。

1.2.2 地质构造

工程区大地构造位置属亚级构造单元的祁连加里东褶皱系东南部、松潘—甘孜褶皱系，横跨青海南山冒地槽褶皱带，次一级构造单元属于扎马山隆起，主要断裂有俄家台—赛什扎断裂。俄家台—赛什扎断裂呈北西—南东向延伸，全长仅1.75km，为一断面倾向50o，倾角70o左右的逆断层；断层上盘地层自下而上有化隆群、中新统、晚更新世砂砾石层；下盘下部为中新统，上部为晚更新世砂砾石层。

1.2.3 地质岩性

钻探和地质调绘成果显示，隧址区出露地层主要有第四系全新统坡积碎石土、滑坡堆积层、上更新统冲洪积黄土状粉土、卵石土，下伏基岩为新近系上新统西宁组（N2x）砾岩、泥岩、砂岩，前震旦系尕让群下亚组（AnZgr1）片麻岩夹片岩。

1.3 不良地质

隧道通过区分布滑坡，位于李家峡水电站下游1km 处的黄河南岸、赛什扎村西南侧，拟建公路在YK11+520～YK13+000(ZK11+520～ZK13+000)段以隧道形式通过滑坡。该滑坡坡顶海拔2920m，坡底海拔2130m。原始斜坡高度790m，坡度48o，滑坡长约2000m，宽约1500m，面积3× 106m2，体积1.2× 108m3，滑动方向N40oE，滑体地层岩性以砾岩、砂砾石、黄土为主，滑坡属于岩质牵引式巨型滑坡。滑坡体上冲沟发育，规模较大的落水洞随处可见。目前滑坡体被一大冲沟分成两块，隧道主要从西块穿过，隧道从滑坡西侧的中下部进入滑坡，从滑坡的东侧穿出[1]。

滑坡体冲沟较发育，下部冲沟为季节性流水冲沟，沟壁陡立，局部发育小型崩塌，目前滑坡处于基本稳定状态。在暴雨、地震工况下均处于欠稳定状态，因此隧道修建过程中若支护不当造成顶板垮塌、冒落，开挖后洞体的变形等，将引起地表变形，对滑坡体上的岩土体进行扰动，势必会引起滑坡体再次滑动，进而引起拟建隧道变形、坍塌，危及滑坡下部村庄的安全，因此滑坡对工程有一定影响。

2 非爆开挖工法

受地质条件差，隧道需穿越滑坡体底部，洞口附近为村庄等条件影响，隧道采取非爆破开挖工法施工，根据隧道围岩地质情况主要采用了挖掘机直接开挖、挖掘机带破碎锤开挖、悬臂掘进机开挖三种非爆破开挖工法。

2.1 挖掘机直接开挖（如图1所示）

图1 挖掘机直接开挖

隧道开挖宽度为12.86m，开挖高度9.73m，洞口段设计为V 级围岩，围岩为卵石土、砾岩，泥质胶结，成岩作用较差，强风化。根据隧道断面尺寸、围岩情况，选择220 型挖掘机进行施工，挖掘机自身宽度3m，加上旋转宽度，最小宽度不小于5.5m，铲斗最大挖掘力17500kgf，最大挖掘深度6.92m，隧道开挖工法采用单侧壁导坑法时，单侧壁宽度在6m 左右，上台阶长度3～5m，能够满足挖掘机工作空间需求，隧道开挖工法还可以采用三台阶法及环形开挖预留核心土法。挖掘机开到掌子面，链轮在后侧，先采用挖斗自上而下，沿开挖轮廓线环形开挖，一次开挖深度约30cm，逐步开挖至一榀拱架间距60cm，开挖后换为鹰勾对周边局部未开挖到位的进行修整。出渣时，将渣体扒至中台阶或下台阶进行出渣。开挖时间受围岩软弱程度及挖掘机司机水平影响，开挖一个循环大约需要

2～4h。

2.2 挖掘机带破碎锤开挖

当掌子面围岩强度稍高，节理裂隙发育时，采用挖掘机挖斗无法直接开挖时，采用挖掘机带破碎锤进行破碎开挖（挖掘机带破碎锤开挖，如图2所示），由于侧壁导坑法断面较小，而破碎头需要一定的角度，周边无法开挖到位，因此隧道开挖工法采用三台阶法及环形开挖预留核心土法，挖掘机开到掌子面，链轮在后侧，破碎锤与掌子面呈60～80o角，自下而上沿开挖轮廓线环形开挖，一次开挖深度约20cm，逐步开挖至一榀拱架间距60cm，开挖后换为鹰勾对周边局部未开挖到位的进行修整。开挖时间受围岩软弱程度及挖掘机司机水平影响，开挖一个循环约需5～7h。

图2 挖掘机带破碎锤开挖

2.3 悬臂掘进机开挖

当掌子面为强中风化砾岩、泥质粉砂岩围岩，强度高、节理裂隙较发育或不发育，整体稳定性好时，采用悬臂式隧道掘进机开挖（悬臂掘进机开挖，如图3所示），选用徐工XTR6/ 320 悬臂式隧道掘进机。为适应掘进机施工，开挖工法调整为上下台阶法进行开挖，根据隧道断面大小、围岩情况，结合掘进机外形（长度17m，宽度3.8m，高度3.7m）、装载机(高度3.8m)、湿喷机(高度3.6m)、混凝土罐车(进料口高度4.0m)(喷射混凝土采用湿喷工艺)尺寸及支护作业空间，因此上台阶开挖高度宜为6.2m。

图3 悬臂掘进机开挖

隧道掘进机截割头长度为1.2m，故每循环进尺宜控制在1.8～2.4m，每循环开挖需预留1.0m 作为下一开挖循环截割头安全作业空间，作业空间太小不利于上循环拱架成品保护。

为能更好控制超欠挖，测量组将开挖轮廓线在掌子面画出。悬臂掘进机的切割方式是从扫底开始切割，再按S 形或Z 形左右循环切割路线逐级切割以上部分。悬臂掘进机就位后，先从掌子面底部水平切削出一条槽，向前移动掘进机再一次就位，就位后切割头高速采取自上而下，左右循环切削。在切削的同时，铲板支撑固定整机，铲板上的星盘将渣土刮至出渣系统，由出渣系统将渣土运至掘进机尾部，由侧翻式装载机装至自卸车箱内，再由自卸车运至洞外弃渣场。从底部开挖到拱部完成后，再用低速进行第二次修整到准确设计断面，从而控制超欠挖。

2.4 悬臂掘进机施工特点

2.4.1 高适应性

设备最大截割岩石单向抗压强度≤60MPa，采用大功率截割电机，最大限度满足各种地质结构施工，可一次性开挖8m× 7m 尺寸断面，能够适应4500m 以下高原地区的隧道施工作业。

2.4.2 高稳定性

整机重量125t，通过整机稳定性分析软件，对整机参数评估、合理布置部件位置，调整部件质量分布以获得高硬度岩石截割工况下的最优整机稳定性。

2.4.3 高效率、低消耗

通过数字化的截割头设计软件，设计的大直径、多截齿截割头，具备高效、少尘、低磨损、低功耗等特点，对比同类截割头，截割效率提高20%、截割消耗大大降低。

2.4.4 高可靠性

针对不同隧道施工特点，整机采用国内先进的电气系统及液压系统，最大限度提升设备隧道施工的可靠性，其中液压系统采用水冷却设计，单独的自冷却系统，满足设备长时间连续截割作业。

2.4.5 高效除尘

掘进机截割头后部设有环形喷雾装置，集中覆盖产尘点。

2.4.6 缺点

一是掘进机二运输送带高度不能调节，出渣时二运输送带不能直接伸至出渣车箱内，还需由装载机配合进行装渣；二是因悬臂式掘进机自身重量高达125t，仰拱栈桥无法承受掘进机重量，导致掘进机无法退出至洞口。

3 各种开挖工法适用的条件分析

经过现场实践，各种开挖工法适用条件如表1。

表1 开挖工法适用条件

从以上开挖工法及对比表可以看出，挖掘机直接开挖适用土质或围岩强度低的地质，对开挖工法适应性相对多，挖掘机带破碎锤开挖适用于强度较低的围岩，但受作业空间限制，不能采用侧壁导坑法施工，悬臂掘进机适用于围岩强度在60MPa 以下整体稳定性较好的地质，但是工法需要采用上下台阶法[2]。

4 各种非爆开挖工法工效分析

在各自的适用地质条件下，各种非爆开挖工效为：

第一，挖掘机直接开挖每循环进尺按0.6m 计算，开挖时间：侧壁导坑法时在2h 内，环形开挖预留核心土法在3h 内。

第二，挖掘机带破碎锤开挖每循环进尺按0.6m计算，根据围岩硬度和结构不同，围岩硬度低、结构相对松散时，开挖时间：环形开挖预留核心土法在5h内，随着围岩硬度的增加，结构紧密度增加而开挖时间增加。

第三，悬臂掘进机开挖每循环进尺在1.8m，围岩硬度低于20MPa 时，开挖时间在6h 内；20～30MPa时，开挖时间在10h 内；30～40MPa 时，开挖时间在16h 内[3]。

5 成本分析

220 型挖掘机满负荷工作情况下耗油在30L/ h 左右，设备维护费用较低。徐工XTR6/ 320 悬臂掘进机装机总功率550kW，截割电机功率320/ 240kW，设备租赁费用较高，截齿损耗率随围岩强度提高而增加。

6 结语

当地形、地质条件要求隧道采用非爆开挖工法时，应根据围岩情况，在保证安全的前提下，进行对比分析，选择合适的开挖工法，提高效率，降低成本。