基于公路黄土隧道悬臂掘进机开挖与钻爆法开挖的经济对比分析

张秋露

（甘肃兴陇工程监理咨询有限公司，甘肃 兰州 730000）

1 工程概况

（1）工程概况。黑庄坪隧道位于甘肃省定西市秦祁乡境内，隧道地处黄土梁峁沟壑区，地势起伏较大，隧道线路经过高程为2 311～2 465 m。隧道定西岸进口位于黄土冲沟右侧山坡处，自然坡度为15°～25°，隧道中部山顶及山凹两侧的山坡坡度较大，为40°～60°，山体植被较少，主要为杂草，局部开垦为旱地。隧道临洮按出口位于凸性山坡坡脚，自然坡度为15°～30°，植被不发育。本隧道进出口均为分离式隧道。隧道围岩强度高，经专家评审会议通过决定采用悬臂掘进机进行开挖作业。右线里程桩号为YK35+538～YK37+060，长度为 1 640．895 m，左线里程桩号为 ZK35+510～ZK37+103，长度为1 710．221 m，最大埋深为175 m。

（2）地质概况。根据地质测绘、钻探揭露并结合室内土工试验，隧址区地层按其时代和成因分类，在勘察深度范围内上覆地层为第四系上更新统分积成因（Q3eol）新黄土；下伏新近系临夏组（N214）泥质砂岩。泥质砂岩地质特征：棕红色，泥质结构，中厚层状构造，半成岩状，遇水易软化，崩解，失水易龟裂，分布于整个隧址区。

（3）水文地质条件。地表水：隧道进出口处下方冲沟内见少量流水，水量受大气降水影响较大。

地下水：隧址属于缺水地区，周边无地表水，山坡汇水面积小，降雨时地表径流消散很快。结合水文地质边界条件分析，本隧道无地下水，降雨渗入隧道内的水极少，以点滴状或渗水出水为主，但在隧道出口右侧约50 m，黄土与泥岩交界面附近见3处下降泉，水量为0．1～0．5 L/s。不排除隧道存在地下水的情况，但在实际施工过程中，无渗水、涌水现象。

隧址区出露地层主要为新近系泥质泥岩。岩石试验成果统计见表1。

根据隧道围岩结构特征，结合室内岩土试验成果，隧道各类围岩物理力学指标见表2。

（4）基本情况。①设计围岩级别：V级。②隧道建筑限界：建筑限界净宽10．0 m，建筑限界净高5．0 m。③开挖断面面积为103．28 m2。④采用的开挖方法为上下台阶。

2 悬臂掘进机开挖和钻爆法开挖施工进度和效率情况对比

2.1 悬臂掘进机开挖施工

（1）施工方法。洞身开挖采用两台阶的施工方法，施工中首先进行上台阶分部开挖、分部修边，开挖完成后移机至下台阶，监控量测小组对上台阶进行变形量测和地质素描工作后进行初期支护作业；接下来进行下台阶开挖，监控量测小组对下台阶进行变形量测和地质素描工作后进行初期支护工作[1]。

（2）施工顺序。上台阶右侧开挖→上台阶右侧轮廓修边→掘进机移机至上台阶左侧→上台阶左侧开挖→上台阶左侧轮廓修边→下台阶开挖。

（3）施工步骤。掘进机开挖时，利用截齿上下、左右移动截割，截割出初步断面形状，当发现截割断面与实际需要断面不一致时，要进行二次修正。截割的第一步进尺不能超过钻头长度的1倍，待截割范围均截割完成后，掘进机再向前进行截割第二步截割范围。截割路线尽量利用从下而上左右移动截割的方法。根据掘进机作业的最大功效即掘进机定位截割最大范围为6．78 m×7．43 m（高×宽），施工上台阶高度确定为6．78 m，下台阶高度确定为2．407 m，以满足掘进机作业的最大功效。

（4）断面测量。悬臂掘进机每次开挖前，在隧道已完成初期支护端头安设红外线激光仪，采用全站仪调整激光射线与开挖轮廓平行，让激光射到掌子面处，用来指导悬臂掘进机开挖作业，保证隧道开挖断面的中线和高程必须符合设计要求。隧道开挖应严格控制欠挖。当围岩完整、石质坚硬时，岩石个别突出部分（每1 m2不大于0．1 m2）侵入衬砌应小于5 cm。拱脚和墙脚以上1 m内断面严禁欠挖。

（5）断面观察。洞身开挖中，应在每一次开挖后及时观察、描述开挖面地层的层理、节理、裂隙结构状况、岩体的软硬程度、出水量大小等，核对设计地质情况，判断围岩稳定性。

（6）开挖路线。悬臂掘进机截割开挖路线示意图如图1所示。

图1 掘进机截割开挖路线示意图

（7）施工进度。根据2020年施工进度统计，连续统计30 d（停工 1 d），上台阶累计进尺93．2 m（31个循环），平均每循环进尺3 m，每循环时间约20．5 h，综合分析月理论进尺（30 d）可以达到105 m。

2.2 钻爆法开挖施工

（1）炮眼布置原则。①掏槽眼布置在断面中下方，设置在中线的左侧和右侧，距底板线1．5～1．8 m。②周边眼。周边眼是直接控制开挖轮廓面平整度的主要影响因素。一般情况下，周边眼E=（12～20）d，炮眼直径d=35～45 mm。对于节理发育、层理明显的围岩地段，周边眼间距可适当减小，也可在两炮眼之间增加一个不装药的导向空眼。在本隧道施工中，炮眼间距根据围岩性质孔距取值为40～60 cm。③扩槽眼、内圈眼、底板眼。扩槽眼、内圈眼、底板眼均比掏槽眼、周边眼间距大，比掘进眼小，其间距或抵抗线一般为掘进眼间距的80%左右。内圈眼的间距是周边眼距的1．5倍左右，抵抗线是内圈眼距的0．7倍左右，二台眼、底板眼的间距或抵抗线一般为掘进眼间距的80%左右。④掘进眼。一般采用环形布置，抵抗线应小于同环的炮眼间距，常为炮眼间距的80%～100%。掘进眼间距更稀，应均匀布置，可采用线形布置或环形布置，一般情况下抵抗线为同排（或同环）炮眼间距的80%～100%。

（2）布眼顺序。掏槽眼→周边眼→底板眼→辅助眼→掘进眼。

（3）钻爆方案。周边眼间距设计为60 cm，实际施工中周边眼间距为60 cm；掌子面上台阶钻孔设计为80个，实际施工中实际钻孔为80个；周边眼深度设计为2．0～2．6 m，实际施工中周边眼深度为2．0～2．6 m；周边眼外倾角要求小于4．3°，孔端外超小于15 cm，实际施工中周边眼外倾角为3～7°，孔端外超10～25 cm；辅助眼深度为2．0～2．6 m，实际施工中辅助眼深度为 2．0～2．6 m；掏槽眼设计深度为2．3～2．9 m，实际施工中，掏槽眼设计深度为 2．3～2．9 m。

理论方案要求每循环进尺1．8～2．4 m，用药量不大于0．6 kg/m3，实际每循环进尺 1．4～2．8 m，用药量为 0．2～1．2 kg/m3（实际最大值约 0．8 kg/m3，0．8 kg 以上值包含炸材销毁）[2]。

理论进尺2．0 m，周边眼外倾角4．3°的超挖值约1．88 m3/m；实际平均进尺2．4 m，周边眼外倾角平均为4．8°，超挖值为2．30 m3/m。炮眼布置示意图如图2所示。

图2 炮眼布置示意图

根据施工量统计，连续统计20 d（停工1 d），上台阶累计进尺41 m（19个循环），平均每循环进尺2．15 m（约3榀拱架），综合分析月理论进尺（30 d）可以达到64．5 m。

3 悬臂掘进机开挖和钻爆法开挖施工成本情况对比

3.1 人员投入情况

悬臂掘进机开挖施工每班作业人员数量情况见表3。钻爆法施工每班作业人员数量情况见表4。对比表3和表4发现，钻爆法开挖施工所需工作业人员比悬臂掘进机开挖施工所需作业人员多12人。

表3 悬臂掘进机开挖施工每班作业人员数量表

表4 钻爆法开挖施工每班作业人员数量表

3.2 主要成本因素分析对比

3.2.1 悬臂掘进机开挖施工

根据2020年4月份施工进尺统计，4月上台阶累计进尺93．2 m，下台阶累计进尺88 m。

（1）悬臂掘进机月租金为30万元（包含悬臂掘进机租金、变压器租金、掘进机操作人员工资）。

（2）用电消耗情况：据统计，上台阶累计进尺207．2 m，下台阶进尺201．75 m，共计用电16 633 kW·h，单价为 0．8 元 /kW·h。总电费 =16 633×0．8=13 306．4元。综合分析每延米电费价格约 13 306．4/207．2（成洞米）=64．22元，共完成挖方 21 174．47m3，每立方耗电约0．79 kW·h，计 0．63 元。

（3）截齿消耗：截齿消耗25个（上台阶完成207．2 m，下台阶完成201．75 m），综合摊销每立方米为0．41元（截齿单价为350元/个），预计每施工100 m隧道消耗12个截齿，计4 200元。

3.2.2 钻爆法开挖施工

据2020年4月施工进尺统计，月上台阶累计进尺39 m，下台阶累计进尺11 m。

（1）爆破基础费用：炸药费用为8．8元/kg；导爆管雷管费用为6．2元/枚（含5 m线）；爆破服务费为27 523/月；服务人员费用共计15 000/月；服务车辆费用为550/次（每天一次）。

（2）代号服务费：共运输18次，乳化炸药共1 722 kg；毫秒雷管为2 340枚（每枚含5 m线），总费用为20．2万元，含服务费和人员工资（钻眼配备10人，工资为12 000元/月·人）。民爆公司服务费摊销平均到每方开挖量的费用为54．8元，炸材消耗每开挖1立方米的费用为9．4元。综合分析每进尺寸100 m消耗炸材9．7万元，爆破服务费为56．6万元（该费用因月进度改变变动较大，按月进度60 m计算服务费约29．9万元）。

（3）耗电量情况：钻眼用电量应在2．5～3．5元/m3。

3.3 开挖对后续施工喷射混凝土成本的影响

（1）每延米设计喷射混凝土用量。S-Va、S-Vb、S-Vc围岩结构衬砌类型设计喷射混凝土用量为6．55 m3/m，不含仰拱初支[3]。

（2）悬臂掘进机开挖施工。喷射混凝土：根据统计，上台阶累计进尺93．2 m，下台阶累计进尺88 m，累计消耗喷射混凝土1 296 m3，设计用量计算为610．46 m3，含超挖及回弹计算应耗量为1 047．23 m3（按平均允许超挖计入喷射混凝土量和回弹超耗允许量），超过设计理论用量112．3%，超过应耗量 23．76%。

（3）钻爆法开挖施工情况。据统计，月上台阶累计进尺39 m，下台阶累计进尺11 m，累计消耗喷射混凝土486 m3，设计用量为212 m3，含超挖+回弹应耗量359 m3，超过设计理论用量129%，超过应耗量35%。

由此分析，悬臂掘进机开挖断面超挖值远远小于爆破钻爆法开挖的超挖值，从而大大节省了喷射混凝土用量，降低了施工成本。

4 综合分析结果

以某隧道施工为例，每完成1 km相同断面的隧道开挖施工的成本对比见表5。

表5 悬臂掘进机开挖施工与钻爆法开挖施工每公里作业成本对比表

5 结论

由以上对比分析发现，在黄土隧道开挖工序中采用悬臂掘进机开挖施工，对围岩扰动小，开挖断面圆顺，提高了初期支护和喷射混凝土的质量；掘进与装运同时进行可实现连续作业，能够加快施工进度，在施工效率上远远超过钻爆法施工；在成本控制方面，臂掘进机开挖施工较钻爆法开挖施工也有着不小的优势。因此，在黄土隧道施工中采用悬臂掘进机进行开挖作业，可以更好地提升企业施工效率，降低企业施工成本和施工安全风险，还能提升企业形象和市场影响力。