软岩隧洞开挖方法研究与分析

王玉和

(甘肃省水务投资有限责任公司，甘肃 兰州 730000)

1 概述

随着大型跨流域调水工程的建设，在软岩体中修建隧洞工程是近些年来遇到的常见问题。软岩体中开挖隧洞最主要的问题是要解决施工过程中的安全问题，保证施工过程中的围岩稳定，控制好超欠挖，避免人员伤亡和设备损失，使人民的生命和财产安全得到有效的保障[1- 2]。

隧洞的开挖方法主要有钻爆法、铣挖法、液压破碎锤法等[3- 6]。每种开挖方法都存在一定的优缺点。①钻爆法施工比较灵活，可以快速施工，并能够实施各种形状、尺寸、大小的地下洞室，还可采用比较简单便宜的施工设备，也可采用先进、高效、比较贵的设备，适用性上可以适应坚硬完整的围岩，也可以适应较为软弱破碎的围岩；缺点：安全管理难度大，人员及材料投入费用大，不利于成本控制；对于软岩隧洞易造成超挖和坍塌，影响开挖质量；爆破会产生有害气体造成环境污染，且不利于施工作人员的健康。②液压破碎锤法优点：施工设备简单，可以快速施工，能够适应坚硬完整的围岩，也可适应较为软弱破碎的围岩；缺点：超欠挖控制不均衡，用破碎锤对欠挖部分进行修整会造成局部超挖较大，超挖不易控制；破碎锤采用燃油驱动进行掘进，隧洞内施工产生大量尾气造成施工环境空气质量差。③铣挖法优点：软岩隧洞施工中铣挖机成为较为适用的设备，其具有结构简单、集岩石开挖和装渣一体、适应隧洞开挖断面能力强、施工速度快、减少安全管理难度、一次性断面开挖成形、对围岩的扰动较小、超欠挖控制比较精准、经济效果显著；缺点：在高强度岩石中作业效率低。本文通过现场试验、进行对比分析，力求找到一种适用于软岩隧道的开挖方法，以便为类似工程的提供施工依据。

2 工程背景

引洮供水二期工程从已建的一期工程总干渠工程15#隧洞引水至会宁县，工程受益区涉及甘肃省定西市安定区、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。该工程以城乡生活和工业供水为主兼顾农业灌溉，是为当地群众脱贫致富及改善生态环境创造条件的利民工程。该工程自2015年8月开工，工程主要以隧洞施工为主，但由于工程隧洞围岩类别多为极不稳定的Ⅴ级围岩，隧洞开挖时易发生掉块和局部坍塌，超挖现象难以控制。同时由于该隧洞多以小断面为主，出渣、通风、排烟难以采用大型设备，掘进效率低，制约着工程进度。

3 开挖方法

引洮供水二期工程地质情况复杂，隧洞洞身根据岩性分为基岩洞和土洞，其中基岩洞围岩为新近系砂质泥岩，属软岩，泥质结构，致密，遇水易泥化、崩解，失水干裂，干湿效应明显。引洮二期工程八干渠一分干渠4#隧洞为Ⅴ类围岩，开挖断面尺寸为2400mm×2623mm，隧洞围岩多为马兰黄土状土和洪积黄土状土，设计开挖断面较小，项目实施单位根据施工区岩性特点，提出了钻爆法开挖、液压破碎锤开挖和铣挖法开挖法，并通过在隧洞的掌子面进行3种开挖方法的对比试验。

3.1 钻爆法开挖

钻爆法隧洞开挖是传统的隧洞施工工法，通过风钻在岩体上钻凿出一定孔径和深度的炮眼，并装上炸药进行爆破，从而达到开挖掘进的目的。

3.2 液压破碎锤开挖

液压破碎锤隧洞开挖主要依靠挖掘机液压系统为动力，驱动活塞往复运动，活塞冲程高速撞击钎杆，由钎杆冲击破碎岩体进行隧洞开挖。

3.3 铣挖法开挖

铣挖法开挖主要利用隧洞铣挖机为主要设备，按照隧洞尺寸进行定做，主要由STX- 120扒渣机配备铣挖头组成，由行走系统、工作系统、传送系统构成，在掘进过程中随着行走系统向前推进，收集料斗将渣土收集，通过皮带输送机将渣土直接装到出渣车辆上。

4 试验结果及分析

4.1 掘进效率分析

传统的钻爆法施工工序为机械造孔、装药、通风排烟、机械出渣，每个开挖循环因围岩特性进尺为1.5～2m，日掘进进尺约为3～4m，月平均掘进进尺为90～120m；液压破碎锤开挖工序为挖掘机液压系统驱动钎杆破碎岩石，装载机出渣，日掘进进尺约为3～5m，月平均掘进进尺为90～150m；铣挖机开挖对围岩扰动小且掘进与出渣同步，每个开挖循环控制在4～6m，月平均掘进进尺可达到120～180m，在提高施工效率方面效果明显。

经过分析，在引洮二期工程八干渠一分干渠施工中，铣挖机开挖掘进进度是液压破碎锤的1.2～1.3倍，是钻爆法施工的1.3～1.5倍。故铣挖机开挖在效率方面明显优于其他2种方案，具体见表1。

表1 不同方案下掘进效率分析表

4.2 施工质量控制分析

隧洞开挖主要的施工质量为超欠挖，故经分析，因研究区地质结构为软岩，隧洞采用爆破对围岩扰动大，超挖现象较严重且易宜掉快或坍塌，平均超挖大于15cm以上，存在较大质量、安全隐患；破碎锤开挖时开挖面凸凹不平，超欠挖控制不均衡，用破碎锤对欠挖部分进行修整会造成局部超挖较大，超挖现象仍不易控制，经量测主要超挖部位为拱顶与边墙部位，平均超挖大于10cm；铣挖法开挖轮廓线较圆顺，欠挖宜修整，超挖控制较好，经量测主要超挖部位也是在拱顶与边墙，平均欠挖可控制在5cm左右。另外根据铣挖机特性在隧洞开挖施工中，可以高效、精确铣挖沟槽，在不良地质洞段可在开挖面周边铣挖沟槽，预留核心岩体，待完成支护后再进行核心部分的开挖。

经对以上3种方案的施工质量控制分析，铣挖机开挖的施工质量控制优于其他2种方案。

4.3 安全管理分析

隧洞施工中安全管理主要包括2方面的内容，一是实施过程中的安全；二是设备材料保存中的安全。经过分析，钻爆法施工首先需在施工区内选择合适的地方修建炸药库，用于存放火工材料；其次要成立爆破施工安全管理机构并配置安全管理人员，制定严格的安全管理制度，爆破员要到专业机构进行培训后持证上岗；最后在具体的施工过程中火工品的运输、现场装药、起爆、排险等环节相关工作人员必须遵照行业规范和程序一丝不差地完成相应工作。采用爆破施工时还会产生大量的CO、NO、CO2等废气和粉尘，掌子面通风排烟用时较长且不能完全排除，现场安全管理风险大；液压爆破法施工安全管理工作主要为施工现场用电和设备维护管理，安全管理人员需做好各工作面供、配电设施的安全检查，及时要求专业电工消除用电隐患。但破碎锤开挖，破碎锤及装载机均为油动设备，在小断面隧洞开挖超过200m后设备产生的有害气体排除困难，存在安全风险；铣挖机开挖的安全管理工作和液压爆破法施工相同，但采用电力驱动且配置了喷雾降尘装置后，开挖时产生的烟尘会明显变少，铣挖机工作时为开挖斗齿对岩体进行削切产生的噪音低，风险较小。

故相比较钻爆法和破碎锤开挖施工，铣挖机安全管理难度较低，风险在可控范围内。

4.4 投资控制分析

4.4.1临时设施投资分析

八干渠一分干渠4#隧洞长1102m，在隧洞开挖中临时工程投资主要为避车道的开挖、回填费用，每设置1处避车道的综合费用为2.1万元左右。如采用钻爆法和破碎锤开挖，出渣采用小型装载机装车、农用车运输，结合开挖、装车设备及运输车辆，隧洞内每200m需设置1处避车道，共设置5处避车道；如采用铣挖机开挖，仅需考虑运输车辆，可每300m设置1处避车道，只需设置3处避车道，具体见表2。

表2 不同方案下临时设施费用分析计算表

4.4.2人工投资分析

(1)传统光面钻爆法。在围岩稳定的情况下，每一开挖循环可控制在2m左右，开挖耗时在4h左右，每循环人工消耗约2.75工日(管理人员1人0.5工日，钻孔作业2人、爆破作业1人共0.75工日，装、出渣作业人员3人需1.5工日)，按不同工种月工资标准(管理人员9000元/月、爆破工10000元/月、钻工8000元/月、扒渣机操作工、出渣车司机6000元/月)，人工日平均工资约为252元/工日(月工资总额53000元/月/7人)，每循环人工工资为693元(人工日平均工资252元×每循环人工消耗约2.75工日)，每米人工费用为346.5元(每循环人工工资为693元/每循环掘进米数2m)。

(2)液压破碎锤法。在围岩稳定的情况下，每一开挖循环可控制在2.5m左右，开挖耗时在4h左右，每个循环投入的人工为管理人员1人0.5工日、破碎锤操作工1人0.5工日、装载机司机1人0.5工日，出渣车司机2人1.0工日；按不同工种月工资标准(管理人员9000元/月、破碎锤操作工9000元/月、装载机操作工、出渣车司机6000元/月)计算的日平均工资约为240元/工日，每循环人工工资为600元，每米人工工资为240元。

(3)铣挖法开挖。在围岩稳定的情况下，每一开挖循环可控制在2.5m左右，开挖耗时在4h左右，每个循环投入的人工为管理人员1人0.5工日、铣挖机操作工1人0.5工日、出渣车司机2人1.0工日；按不同工种月工资标准(管理人员9000元/月、铣挖机操作工9000元/月、出渣车司机6000元/月)计算的日平均工资约为250元/工日，每循环人工工资为500元，每米人工工资为200元，具体见表3。

表3 不同方案下人工费用分析计算表

4.4.3材料投资分析

(1)钻爆法开挖需要消耗的主要材料为炸药和雷管等，其费用为：炸药5.3m3/m×1.6kg/m3(炸药单耗)×11元/kg(炸药价格)=93.28元/m；雷管5.3m3/m×2.7发/m3(雷管单耗)×4.5元/发(非电毫秒雷管价格)=64.4元/m，共计157.68元/m。

(2)液压破碎锤消耗的主要材料为破碎锤钎杆及钎杆前、后导向套、蓄能器隔膜等易损件，根据现场实际情况易损件约2月左右(掘进进尺300m)需更换一次，费用约为3500元，由此每延米钻头消耗的费用约11.6元。

(3)铣挖机开挖消耗的主要材料为铣挖机钻头，其费用为:铣挖机头共设置46个钻头(STX- 100型为例)，每掘进约150m须更换一次，每个钻头65元；由此每延米钻头消耗的费用约20元，具体见表4。

表4 不同方案下材料费用分析计算表 单位：元/m

4.4.4机械投资分析

(1)钻爆法开挖主要机械使用费为风钻及扒渣机械台时费，开挖断面为每延米5.3m3，依据定额计算消耗的风钻台时为0.295台时/m3(57.28元/台时)，消耗的扒渣机台时为0.04台时(73.51元/台时)，每延米机械费用为：5.3m3×0.295台时/m3×57.28元/台时+5.3m3×0.04台时/m3×73.51元/台时=105元/m。

(2)破碎锤开挖主要机械使用成本为破碎锤驱动液压挖机，台时为1.6台时(机械费131.5元/台时)、装载机出渣台时为0.4台时(机械费101.07元/台时)，合计每延米的机械费用约为：1.6台时×131.5元/台时+0.4台时×101.07元/台时=250.8元/m。

(3)铣挖机开挖主要机械使用成本为铣挖机电费、折旧费、维修费、保养费等，铣挖机电动机功率为45kW，每延米开挖约消耗电费72元、折旧费49元、维修保养费30元，合计每延米的机械费用约为151元/m，具体见表5。

表5 不同方案下材料费用分析计算表

4.4.5其他投资方面

其他费用主要为方案实施过程中产生的特种费用和开挖过程中由于质量控制产生的额外费用，3种方案均需对超挖部分进行回填处理，其中爆破法因使用炸药、雷管，还需按要求建设火工材料库房，其他2种不需建设。具体费用如下：

爆破法开挖所用炸药、雷管为危险爆炸物品，对炸药和雷管库房的安全标准要求较高，超出了临建工程中一般库房建设的范畴；目前一个储藏量为5t的标准火工材料库房造价约30万元，八干一分干渠隧道总长20149m，其中4#隧洞长1102m，计算采用分干渠总长，经计算每延米摊销费用为：300000元/20149m=14.8元/m。

超挖回填砼材料费用，采用钻爆法开挖时对围岩的扰动较大，容易产生掉块及塌方，超欠挖很难控制，平均超挖约在15cm左右；采用破碎锤开挖，由于其工作原理易形成局部超挖，平均超挖约在10cm左右；铣挖机开挖对围岩的扰动很小，洞顶及侧墙掉块较少，平均超挖5cm左右。超挖需要采用洞身同标号砼回填，C25混凝土单价按合同单价210元/m3(C25混凝土价格)计算，具体见表6。

表6 不同方案下其他费用分析计算表

4.4.6投资总体分析

综上，按照引洮二期八干渠一分干渠隧洞地质条件，参考3种方案，结合临时设施、人工、材料、机械等方面综合分析，钻爆法施工投资约927.2元/m，液压破碎锤法投资约734.2元/m，铣挖法施工投资约475.4元/m。故铣挖法施工在投资方面是钻爆法的1/2，是液压破碎锤法的2/3，明显优于2种方案，具体详见表7。

表7 不同方案下投资总体分析计算表 单位：元/m

4.5 开挖方案对比分析

经对3种方案的掘进效率、施工质量控制、安全管理以及投资分析，在掘进效率方面，铣挖机开挖掘进进度是液压破碎锤的1.2～1.3倍，是钻爆法施工的1.3～1.5倍；在施工质量控制方面，铣挖机开挖的施工质量控制优于其他2种方案；在安全管理方面，液压破碎锤法和铣挖机安全管理难度较低；在投资控制方面，铣挖法施工是钻爆法的1/2，是液压破碎锤法的2/3，明显优于2种方案。故最终确定引洮二期八干渠一分干渠隧洞开挖选用铣挖法开挖施工。该工程于2020年11月2日完成开挖并完成初步支护顺利贯通，历时6个月，月平均掘进进尺约183m。该隧洞开挖工程共分为23个单元工程，其中20个被评为优良工程，优良率为87%，测算施工期间的人工、机械等投资约53万元，每米隧洞开挖成本费用约为481元/m。

5 结语

本文以引洮供水二期工程建设为背景。在隧洞的掌子面进行了3种开挖方法的对比试验，就施工进度、质量、安全、投资等方面进行了实验与分析。结果表明，铣挖法开挖在软岩隧洞施工中效果显著，其具有结构简单、集岩石开挖和装渣一体，适应隧洞开挖断面能力强、施工速度快、减少安全管理难度、一次性断面开挖成形、对围岩的扰动较小、超欠挖控制比较精准、经济效果显著等优势，这对今后的类似工程必将会起到良好的指导和借鉴作用。