(中國水利水電第五工程局有限公司，成都，610066)

1 工程概況

引大濟湟工程在湟水一級支流大通河上游石頭峽建庫引水，經(jīng)調(diào)水總干渠穿越大阪山入黑泉水庫，解決湟水兩岸山區(qū)和干流資源性缺水問題。該工程分三期實施，西干渠為三期工程。本工程建設(shè)地點位于青海省西寧市湟中縣(上五莊鎮(zhèn)、攔隆口鎮(zhèn)、多巴鎮(zhèn))。起訖樁號為K75+926.78～K95+706.75，總長19.78km，本工程主要承擔隧洞8座(43#-50#隧洞)，總長8576m。

本標段隧洞工程除48#隧洞外其余7座隧洞均為城門洞型，48#隧洞為馬蹄型。洞挖以Ⅳ類、Ⅴ類圍巖為主，開挖斷面面積約10m2，隧洞圍巖類別包括：黃土、構(gòu)造碎屑巖、砂質(zhì)粘土巖、粉砂巖、砂礫巖、粘土巖、花崗閃長巖、片麻巖等。

2 地質(zhì)條件

青海省引大濟湟工程區(qū)在大地構(gòu)造上屬祁連山加里東地槽褶皺系(Ⅱ)的次級構(gòu)造單元中祁連中間隆起帶(Ⅱ3)，屬區(qū)域穩(wěn)定性較差區(qū)。根據(jù)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》，工程區(qū)50年超越概率為10%的地震動加速度為0.10g，相應的地震烈度為7度。隧洞主要工程地質(zhì)問題有隧洞的塑性變形問題、斷層破碎帶塌方、突水問題、粘土巖的膨脹性、進出口邊坡穩(wěn)定問題、凍害問題和局部段隧洞圍巖的巖爆及有害氣體問題。

3 銑挖機施工方法簡述

3.1 銑挖機簡介

銑挖機采用世界領(lǐng)先的尖端技術(shù)生產(chǎn)，可安裝在任何類型的液壓挖掘機上，高效替代挖斗、破碎錘、液壓剪等通用配置，應用于露天煤礦、隧道掘進及輪廓修正、渠道溝槽銑掘、瀝青混凝土路面銑刨、巖石凍土銑挖、樹根銑削等多個領(lǐng)域。銑挖機通過前方旋轉(zhuǎn)的銑挖頭將隧洞巖石(或土)刮落，達到隧洞掘進的效果。采用銑挖機開挖隧洞，能良好控制隧洞超欠挖，且安全性能相對較好，值得小斷面隧洞開挖的運用與推廣。

3.2 施工工藝流程

銑挖機施工工藝流程詳見圖1所示。

圖1 銑挖機開挖流程

3.3 施工方法

針對小斷面隧洞，在使用銑挖機開挖時采用一次開挖成型。先開挖頂部弧形頂拱，再開挖兩側(cè)邊墻，最后進行底部石方開挖。對于圍巖條件較差、不穩(wěn)定的洞段可采用預留核心土開挖方式，待支護完成后再進行開挖。

在使用銑挖機開挖后，配合3m3出渣車進行出渣，出渣結(jié)束后馬上進行支護結(jié)構(gòu)安裝、噴混凝土工作，然后進行下一個循環(huán)。銑挖機開挖出渣如圖2所示。

圖2 銑挖機開挖出渣示意

4 施工方案對比

4.1 銑挖機施工的優(yōu)勢

(1)目前國內(nèi)隧洞開挖主要根據(jù)“新奧法”原理，采用鉆爆法進行隧洞施工。鉆爆法對軟巖黃土隧洞開挖，進尺短，循環(huán)時間長，人力成本大。對于風化較嚴重的軟巖隧洞，采用爆破開挖對圍巖擾動較大，隧洞塌方頻繁，且超欠挖控制不佳，后期需采用大量的人工對欠挖部位進行人工開挖，超挖部位進行人工回填。因此，選擇一種針對軟巖的高效率、低能耗的開挖方式尤為重要。

(2)由于隧洞斷面小、空間小，一般只能采用爆破方式來進行掘進，施工工藝較為陳舊，機械化程度不高，當今先進設(shè)備也無法運用。

4.2 施工過程方案對比

本次研究通過對青海省引大濟湟西干渠工程44#隧洞、45#隧洞、48#隧洞、49#隧洞開挖方式進行研究，通過采用銑挖機開挖掘進的方式與常規(guī)鉆孔爆破方式進行對比，總結(jié)出以下幾點：

(1)針對隧洞Ⅳ類、Ⅴ類軟巖施工方法，采用銑挖機掘進施工相比常規(guī)爆破施工對隧洞的擾動較小，對于一些圍巖破碎、完整性差的洞段，銑挖機施工優(yōu)勢較為明顯。

(2)小斷面軟巖隧洞采用光爆效果較差，隧洞超欠挖嚴重；采用銑挖機開挖，成型隧洞超欠挖控制較好，無需再安排人員對超挖部位進行回填，對欠挖部位進行清鍬甚至補炮，大量減少了人工投入。

4.2.1 運用銑挖機的工期對比

49#隧洞在開挖初期主要采用扒渣機出渣，前期隧洞主要巖性為坡積黃土狀粉土，施工中后期遇到古近系強、弱風化粘土巖、泥質(zhì)砂巖，無法采用扒渣機開挖。然后隧洞改變掘進方式，采用常規(guī)鉆孔爆破方式向前掘進，由于隧洞斷面小，爆破后排煙時間較長，且針對軟巖爆破光爆效果極差，改變掘進方式后隧洞開挖效率依然較低。最后決定采用銑挖機對49#隧洞軟巖段進行掘進開挖，最終實際貫通時間比計劃時間大大提前。

圖3 銑挖機施工和爆破施工循環(huán)時間對比

49#隧洞于2018年1月30日順利貫通，總工期209d。通過單個循環(huán)的時間對比可以明顯看出：爆破掘進方式>銑挖機掘進方式，銑挖機循環(huán)無需排煙、裝藥爆破、造孔等施工工序。

4.2.2 運用銑挖機的成本對比

圖4 銑挖機施工和爆破施工人員投入對比

通過單個循環(huán)的人數(shù)對比可以明顯得出：爆破方式掘進所需人員數(shù)量多于銑挖機掘進方式人員數(shù)量，銑挖機掘進方式降低了人工成本。爆破需要消耗相當數(shù)量的火工品，而且爆破過程中存在一定的安全風險，爆破施工前需要對施工人員進行安全培訓，爆破后需要風機進行排煙等等，以上這些問題直接導致爆破施工在成本和管理方面的費用大大增加。

銑挖機相比爆破法可以節(jié)省火工品的支出，可以減少對現(xiàn)場作業(yè)人員的爆破安全培訓，不會產(chǎn)生爆破產(chǎn)生的有害氣體，且采用銑挖機開挖的隧洞超欠挖控制良好，無需再安排人員對超挖部位進行回填、對欠挖部位進行清鍬甚至補炮，減少了大量人工投入費用。

5 可拆卸立拱機在小斷面隧洞中的運用

小斷面隧洞支護時鋼拱架安裝一般采用搭設(shè)施工平臺，人工安裝的方式，施工順序為先安裝拱腿再安裝頂拱。小斷面隧洞(斷面10m2以內(nèi))頂拱工字鋼重約90kg，安裝過程中至少需兩個工人站在搭設(shè)的施工平臺上，人工抬升拱架至拱頂設(shè)計位置，再配合其他工人安裝拱腿。該施工方式工藝陳舊，施工效率低，加大了施工人員的投入，增加了施工成本，且工人長時間待在裸露的拱頂下，存在很大的安全隱患。

結(jié)合現(xiàn)場實際情況，針對立拱架的施工難點，研究出一套適用于小斷面隧洞安全、快速安裝鋼拱架的施工技術(shù)，并組裝了一套實用的立拱架機器(詳見圖5-圖7)。采用機械提升拱架代替人工抬升拱架，提高了拱架安裝的安全性，且采用立拱機提升頂拱工字鋼，操作人員只需站在已支護好的洞段，無需進入裸洞段，安全風險大大降低。

圖5 立拱機平面布置

圖6 立拱機縱斷面

圖注：1-鋼拱架頂托；2-滑輪；3-卷揚機(帶鎖止裝置)；4-支腿；5-立拱機底盤(雙層鏤空工字鋼焊接)；6-鋼管支撐；7-萬向輪(帶鎖止裝置)；8-鋼絲繩

圖7立拱機橫斷面(單位：cm)

工作原理及解析：施工前，先將已加工好的頂拱工字鋼兩側(cè)焊接好鋼筋網(wǎng)片，網(wǎng)片的寬度根據(jù)兩榀工字鋼間距而定(如：工字鋼間距80cm，則在工字鋼兩側(cè)各焊接45cm寬鋼筋網(wǎng)片，以便下個循環(huán)搭接)。

將立拱機放置在即將安裝鋼拱架位置的安全區(qū)域(已支護完成的洞段)，人工安裝鋼拱架至工字鋼頂托上，移動立拱機至適當位置(立拱機前端對準準備施工的鋼拱架位置)。

力臂長L=3m，抬升高度H=2m，力臂超出立拱機長為L′。

力臂超出立拱機前端距離為76.4cm。

立拱機位置固定后，將萬向輪鎖止，以防施工過程中立拱機滑動。將兩側(cè)支腿打開支撐，以保證立拱機穩(wěn)定。啟動卷揚機，慢慢提升鋼拱架至拱頂設(shè)計位置，然后鎖止卷揚機，以防止卷揚機回轉(zhuǎn)導致工字鋼掉落。

頂拱工字鋼定位完成后，工人進入施工區(qū)域(此時拱頂有支撐，處于相對安全的區(qū)域)，進行拱腿、連接筋及鋼筋網(wǎng)施工。施工完成后，停止卷揚機鎖止裝置，啟動卷揚機，慢慢放下工字鋼頂托。收回立拱機兩側(cè)支腿，停止萬向輪鎖止裝置，移動立拱機至下一榀工字鋼安裝位置，以此循環(huán)。

6 總結(jié)

通過對小斷面軟巖隧洞銑挖機開挖施工技術(shù)的研究，減少小斷面隧洞針對軟巖中采用光爆技術(shù)效果不佳，安全風險較大，經(jīng)濟效益不高等缺點。在支護過程中采用可拆卸液壓立拱機可確保施工整體安全，避免可預見風險。因此，通過本次研究，以加快施工進度為目的，提高施工效率為主導，達到經(jīng)濟效益最大化為目標，以科技指導生產(chǎn)，提高小斷面軟巖隧洞施工效率，為其他類似工程提供借鑒，具有顯著的社會效益和社會進步意義。