張立云,羅 利,唐開陽,龔國強

(中國五冶集團有限公司，四川成都 610066)

1 工程概況

老龍山隧道為四川省道205線綿陽繞城段改線建設(shè)工程(游仙區(qū)段)的控制性工程，位于綿陽市游仙區(qū)游仙鎮(zhèn)老龍山風景區(qū)，為一座上、下行分離的四車道一級公路長隧道，隧道左、右線分別長1 205 m，隧道進出口左右洞洞口間距離較近，距離最近處凈距為9 m，屬于小凈距隧道，出口左、右線均采用削竹式洞門。隧道最大埋深約80 m，以泥質(zhì)粉砂巖夾粉砂質(zhì)泥巖和中砂巖為主，巖體一般較完整，但強度較低，為極軟巖—軟巖，隧道洞口段圍巖級別以Ⅴ級為主，隧道中部以Ⅳ級為主，抗風化能力差，長期暴露和浸水易風化、軟化，自身穩(wěn)定性差。隧址區(qū)地下水類型主要有松散巖孔隙水、基巖風化裂隙水和基巖構(gòu)造裂隙水。隧址區(qū)抗震設(shè)防烈度為Ⅶ度，地震動峰值加速度值為0.10g，地震反應(yīng)譜特征周期0.40 s。

2 隧道洞外環(huán)境調(diào)查

老龍山隧道穿越老龍山風景區(qū)，隧道上方有大量的民居、農(nóng)家樂、食品廠以及道路、燃氣管道、魚塘、水池等設(shè)施，隧道出口位于綿陽市游仙區(qū)城區(qū)，隧道附近有精密電子廠、糧庫、住宅、廠房、高速公路等重要設(shè)施，隧道洞外建設(shè)環(huán)境非常復(fù)雜，相關(guān)設(shè)施對工程建設(shè)的要求高(圖1)。

圖1 老龍山隧道洞外環(huán)境

(1)老龍山風景區(qū)占地面積約100 ha，現(xiàn)有餐飲、娛樂、會議、住宿、釣魚、品茶、棋牌、卡拉OK、體育健身為一體的綜合性大眾休閑山莊五十余家，家禽、家畜、水產(chǎn)、養(yǎng)殖、旅游、食品生產(chǎn)企業(yè)二十余家，是綿陽城市近郊最大的生態(tài)觀光農(nóng)業(yè)開放式公園。

(2)隧道周邊1 000 m范圍內(nèi)還有城市住宅區(qū)、精密電子廠、國家儲備糧庫、高速公路以及大量工廠等。

3 風險分析及開挖方案選定

暗挖隧道的施工開挖方法主要有鉆爆法與機械法,機械法有TBM掘進機法、銑挖法以及單臂掘進機開挖法等,其中銑挖法是近年來興起的一種施工方法,應(yīng)用于隧道開挖以及修整輪廓、洞室、橫洞開挖等,特別適合不宜爆破施工的軟弱圍巖地段。

老龍山隧道洞外環(huán)境復(fù)雜，施工要求高，特別是傳統(tǒng)的鉆爆法由于爆破施工產(chǎn)生的震動可能會對對周邊建筑、廠房、科研院所等造成重大影響。同時，老龍山隧道兩端洞口屬于小凈距淺埋隧道，爆破極易引起塌方、地表沉降、先行洞襯砌開裂、剝落現(xiàn)象，具有較大施工風險。因此，綜合考慮隧道洞內(nèi)外環(huán)境、地質(zhì)條件、施工風險、工期要求、建設(shè)成本等因素，選定機械銑挖法開挖。

老龍山隧道投入四臺徐工EBZ260型掘進機進行洞身開挖。(隧道小凈距段左洞洞口Ⅴ級圍巖采用預(yù)留核心土法，右洞洞口Ⅴ級圍巖采用單側(cè)壁導(dǎo)坑法，采用挖掘機配合掘進機開挖)。EBZ260型掘進機為當時國內(nèi)使用的同類最大機型，整機重量為120 t，整機功率595 kW，掘進機為全電動機械，額定輸入電壓1 140 V，經(jīng)濟切割圍巖抗壓強度不大于100 MPa(根據(jù)實踐情況，能夠切割圍巖強度能超過100 MPa，只是耗材相對較大)，根據(jù)現(xiàn)場的情況，一般圍巖情況下生產(chǎn)率約4 m3/min。掘進機為全液壓動力，履帶行走，機型小巧靈活，可以進行任意形狀斷面的施工。掘進機主要部分為切割掘進裝置(包括切割頭，截齒，切割臂，變速箱，切割電機)，裝料出渣裝置(包括鏟板，星輪，輸送刮板)，行走裝置，噴霧吸塵降塵裝置和機身。工作時，通過切割臂擺動，強力轉(zhuǎn)動的切割頭截齒切割圍巖，完成圍巖的開挖。切割下的石渣掉落下后，掘進機前方下部的鏟板接住石渣，通過星輪收集到機器中部的輸送帶，然后輸送帶把石渣傳輸?shù)綑C器后面的出渣車輛上，從而完成開挖和裝渣工作(圖2、表1)。

圖2 徐工EBZ260型掘進機

表1 掘進機技術(shù)參數(shù)

4 掘進機銑挖施工技術(shù)的優(yōu)缺點

4.1 掘進機銑挖施工的優(yōu)點

(1)減小了對圍巖的擾動，避免由于爆破振動而造成的巖石強度降低，巖石結(jié)構(gòu)松動，巖石結(jié)構(gòu)局部破裂等不利情況。

(2)減少施工機械設(shè)備和勞動力的投入，有效防止意外事件造成群死群傷事故。

(3)最大限度減小對圍巖自穩(wěn)能力的破壞，不易造成大面積變形及局部塌方。

(4)便于控制超欠挖，實現(xiàn)隧道輪廓的精確成型，節(jié)約由于超挖而浪費，初噴質(zhì)量有保證。

(5)開挖對周邊巖體和建筑物振動小，不使用炸藥。

(6)可選擇的銑挖機快速換裝系統(tǒng)，可在 30 s之內(nèi)實現(xiàn)挖斗與銑挖機的更換，突破以鉆孔爆破的循環(huán)施工方式，實現(xiàn)連續(xù)作業(yè)。

4.2 掘進機銑挖施工的缺點

(1)對于圍巖強度較高的隧道，開挖效率低或無法開挖。

(2)電力驅(qū)動的掘進機采用高壓供電，需全力做好用電安全。

(3)開挖過程中粉塵較多。

5 機械掘進過程中的高壓用電管理

本工程所用的掘進機采用的是全電動動力裝置，需用1 140 V的電源，需要使用特種變壓器為其供電，而且進洞電纜為1 140 V的 高壓電，針對此情況有以下保障措施：

(1)作為掘進機本身有多重的漏電保護裝置，防止機械運行過程中由于漏電發(fā)生意外。

(2)洞口設(shè)置安全保護裝置(漏電保護裝置)，漏電后能自動跳閘斷電。

(3)雙鎧甲膠皮電纜，防止機械意外碰撞、擦掛損壞漏電。

(4)電纜掛設(shè)在洞內(nèi)邊墻適當位置，掛設(shè)支架按相關(guān)電力安裝規(guī)范要求進行，電纜線每3 m外貼反光標識，洞內(nèi)在燈光照射下能夠反光，明顯醒目。

(5)安排專職電工每天三次對電纜進行巡視檢查，及時發(fā)現(xiàn)問題，解決問題，消除隱患。

(6)進洞的機械設(shè)備車輛，安排專人進行指揮，車輛掉頭倒車前后觀察指揮，防止車輛碰撞到設(shè)備電纜。

(7)進洞人員勞動防護配備橡膠絕緣筒靴，防止漏電，非專職電工和專職設(shè)備操作人員不得觸摸高壓電纜和高壓設(shè)備。

6 基于銑挖法掘進的降塵控制措施

隧道銑挖法掘進時，機械將巖體進行破碎切割，產(chǎn)生大量粉塵，作業(yè)環(huán)境極其惡劣，如果及時處理，對隧道作業(yè)人員和施工機械均有較大傷害，同時存在一定安全隱患，既不滿足對文明施工的要求，也不符合對作業(yè)人員的職業(yè)健康保護。

常見隧道降塵方式一般通過對隧道機械通風來降低粉塵濃度。通風機降塵存在的不足：

(1)雖然掌子面粉塵濃度有所降低，但整個隧道都將充滿粉塵，能見度低，文明施工差，存在安全隱患。

(2)工作效率低，能耗高，隨著隧道掘進長度增加除塵效果越來越差，導(dǎo)致粉塵落在鄰近的隧道段或者其他施工設(shè)備上面，影響運輸、襯砌等設(shè)備操作，易產(chǎn)生二次污染，造成除塵不徹底，施工現(xiàn)場混亂等。

針對銑挖法開挖產(chǎn)生的粉塵都集中在掌子面位置的特點，研究的降塵裝置通過將隧道內(nèi)的粉塵通過風機抽排至防塵箱內(nèi)，在箱體內(nèi)通過水霧多次捕捉空氣中的粉塵，達到粉塵的高捕獲率，并通過在箱體頂部設(shè)置多層防塵網(wǎng)，大大改善了掌子面的施工環(huán)境，減少了粉塵在捕捉過程中對大氣的污染，便攜高效的解決了隧道銑挖除塵的問題。

箱式隧道水幕降塵裝置，包括降塵箱和抽風機，所述降塵箱和抽風機之間通過風管連接，抽風機可將含塵空氣通過風管送入到降塵箱內(nèi)；降塵箱內(nèi)設(shè)置有噴頭，通過噴水捕獲含塵空氣中粉塵。

箱式隧道水幕降塵裝置工作時，抽風機置于隧道掌子面，降塵箱位于隧道口外或位于掌子面后的隧道段內(nèi)。抽風機和降塵箱之間的距離超過20 m。降塵箱為封閉式結(jié)構(gòu)，并設(shè)置有進風口和出風口，降塵箱的內(nèi)壁四周間隔的設(shè)置有若干水霧噴頭。進風口和出風口分別位于相對的兩端板上，水霧噴頭沿著降塵箱的內(nèi)壁設(shè)置有2層以上。箱式隧道水幕降塵裝置降塵箱的進風口設(shè)置在端板的下部，并位于底層水霧噴頭之下；出風口位于對側(cè)端板的頂部。箱式隧道水幕降塵裝置降塵箱還包括排水管，所述排水管的進口位于降塵箱泥位之上，并位于進氣口的底部之下。降塵箱的底板設(shè)有從進氣端朝向出氣端的斜度，在進氣端的端板底部設(shè)置有一排朝向出氣端的清除污泥用的清污噴頭；底板的出氣端設(shè)置有排污管，用于排除沉淀污泥。兩側(cè)板交錯的設(shè)置有隔板，使得空氣從進氣端到出去端形成迂回的氣道，隔板的底端與降塵箱的底板之間設(shè)有間隙。風管為柔性風管，并間隔的通過固定件固定在隧道壁上(圖3、圖4)。

圖3 降塵裝置使用狀態(tài)示意

圖4 降塵裝置現(xiàn)場應(yīng)用

采用箱式隧道水幕降塵裝置，具有結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定可靠，可操作性強，處理方法簡單、快捷等優(yōu)點；可直接從源頭控制粉塵，徹底避免了整個隧道的揚塵問題。

7 經(jīng)濟效益和社會效益

老龍山隧道作為省道205線綿陽繞城段改線建設(shè)工程(游仙區(qū)段)中重要的節(jié)點工程，雙向四車道，分離式隧道，單洞長度為1 205 m，總長2 410 m。傳統(tǒng)爆破法與機械銑挖法施工成本區(qū)別主要體現(xiàn)在因超欠挖控制精度而引起的土石開挖和初期支護工程量。

傳統(tǒng)鉆爆法成本費用： C25噴射混凝土：2410 m(總長)×8.5 m3(平均線性超挖10cm)×1075 元/m3=2202.14萬元；土石開挖量：2410 m(總長)×102.8 m2(斷面面積)×133 元/m3=3295.05萬元；機械銑挖法成本費用： C25噴射混凝土：2410 m(總長)×3.9 m3(平均超挖量，線性超挖2cm)×1075 元/m3=1010.39萬元；土石開挖量：2410 m(總長)×99.2 m2(斷面面積)×187元/m3=4470.65萬元。經(jīng)濟效益：(2202.14+3295.05)-(1010.39+4470.65)=16.15萬元。

采用兩種開挖方法其經(jīng)濟成本相當，機械銑挖法在減少爆破振動和炸藥管理、保護巖體自穩(wěn)能力、減少地表沉降和塌方概率、保證初期支護質(zhì)量、降低噪音以及工期保障等方面顯現(xiàn)出了較大優(yōu)勢。

8 結(jié)論

近年來，隨著城市開發(fā)和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的加快推進，城市周邊的暗挖隧道工程越來越多，洞外環(huán)境的復(fù)雜性和對工程施工要求也越來越高。本文結(jié)合老龍山隧道的施工過程，在實踐中總結(jié)了洞外復(fù)雜環(huán)境下隧道施工過程中的環(huán)境調(diào)查、風險分析、應(yīng)對方案和實施效果。根據(jù)本文的成果，得出以下結(jié)論：

(1)隧道施工前需對周邊環(huán)境進行認真的調(diào)查分析，充分識別工程施工可能對周邊環(huán)境及設(shè)施造成的影響風險，避免造成嚴重后果以及引起不必要的糾紛。

(2)全電動動力驅(qū)動的高壓掘金機械應(yīng)充分做好電力保護保障措施，避免發(fā)生安全事故。

(3)對于軟弱圍巖隧道開挖，采用機械銑挖施工在保障施工安全和工程質(zhì)量、加快工程進度、環(huán)境保護、降低周邊建筑物影響方面具有很大優(yōu)勢。

(4)工程建設(shè)應(yīng)牢牢樹立“以人為本”的觀念，認真對待“環(huán)?！边@個大問題，高度重視參建人員的身心健康，做好環(huán)保不一定要花大代價，一個小小的發(fā)明運用可能就會解決問題。