摘 要：針對特殊、復(fù)雜不良地質(zhì)條件下小斷面隧洞掘進問題，以張掖市甘州區(qū)酥油口下庫工程引水隧洞為例，對隧洞無爆破掘進技術(shù)展開研究。根據(jù)工程地質(zhì)條件確定支護措施，在Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類圍巖變化不確定狀態(tài)下，采用懸臂式掘進機作為施工堅硬巖層的無爆破破巖方法。研究結(jié)果表明，對于Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類圍巖，懸臂式掘進機利用率隨著圍巖類別降低，凈掘進速度明顯提高；對Ⅴ類砂卵礫石圍巖，懸臂式掘進機單循環(huán)掘進及一襯速率達到約7.0 m/d；施工效果較好。

關(guān)鍵詞：小斷面隧洞；無爆破掘進；懸臂式掘進機；圍巖；掘進技術(shù)

中圖分類號：TU941 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2024）23-0175-06

Abstract： Aiming at the problem of small cross-section tunnel excavation under special and complex adverse geological conditions， taking the diversion tunnel of ghee mouth lower reservoir project in Ganzhou District of Zhangye City as an example， the tunnel non-blasting tunneling technology is studied. The supporting measures are determined according to the engineering geological conditions. Under the uncertain state of types Ⅲ， Ⅳ and Ⅴ surrounding rock， the cantilever roadheader is used as the non-blasting rock breaking method for the construction of hard rock. The research results show that for types Ⅲ， Ⅳ and Ⅴ surrounding rock， the utilization rate of cantilever roadheader increases obviously with the decrease of surrounding rock category， and for type Ⅴ sand gravel surrounding rock， the single cycle tunneling and first lining rate of cantilever roadheader reaches about 7.0 m/d， and the construction effect is good.

Keywords： small cross-section tunnel; non-blasting tunneling; cantilever roadheader; surrounding rock; driving technique

隨著我國經(jīng)濟建設(shè)與基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的快速發(fā)展，在推動高質(zhì)量發(fā)展和中國式現(xiàn)代化建設(shè)進程中，地下空間施工不斷走向深部，如：水利水電、交通、鐵路和采礦等工程建設(shè)中，隧洞工程越來越普遍，隧洞施工過程中圍巖穩(wěn)定性問題也更加突出。塌方事故在淺埋隧洞施工過程中時有發(fā)生，已成為造成工期延誤和人們生命財產(chǎn)損失的一個重要安全隱患[1]。同時，從安全性角度考慮，國家對爆破器材的嚴格管控以及造價方面的不斷攀升，從工程建設(shè)者在提升工程質(zhì)量、進度、安全，同時降低工程造價的角度考量，選擇適合相應(yīng)隧洞工程施工的機械設(shè)備顯得至關(guān)重要。

非爆破掘進技術(shù)是一種常見的針對特殊施工環(huán)境要求的破巖掘進施工方法，具有施工震動小、無沖擊波、無飛石、不產(chǎn)生有害氣體和安全性高等優(yōu)點，已廣泛用于市政工程、道路工程、高危礦采礦、開山采石以及復(fù)雜環(huán)境下破巖工程等[2]。因此，挖掘技術(shù)及其設(shè)備先進水平直接關(guān)系到施工生產(chǎn)的能力和安全。高效機械化掘進與支護技術(shù)是保證隧洞施工實現(xiàn)高產(chǎn)、高效的必要條件，也是地下隧洞工程掘進技術(shù)的發(fā)展方向。針對掘進機施工技術(shù)，較多學(xué)者及工程技術(shù)人員開展了相關(guān)的技術(shù)研究：王喜勝等[3]通過研究懸臂式掘進機在地鐵施工中的應(yīng)用，以煤科總院太原研究院生產(chǎn)的EBJ-120TP型掘進機進行施工隧洞暗挖技術(shù)，得出了隧洞圍巖的可掘性可以從圍巖單軸抗壓強度、節(jié)理發(fā)育程度、巖石的耐磨性等指標來衡量，單從圍巖單軸抗壓強度來看，懸臂式掘進機可掘進的巖石單軸抗壓強度最高可達到120 MPa，懸臂式掘進機合理的巖石單軸抗壓強度應(yīng)在100 MPa以下，經(jīng)濟適用范圍應(yīng)為 80 MPa以下的結(jié)論，分析了影響掘進效率的主要因素，并提出了新一代掘進機設(shè)備改進方案；關(guān)則廉[4]通過研究懸臂式掘進機的構(gòu)造特點、施工方法、施工效果，由于隧洞復(fù)雜多變的地質(zhì)條件，采用傳統(tǒng)的鉆爆法施工需采取超前管棚、固結(jié)注漿等特殊施工工藝，工藝復(fù)雜，進度慢，且對周邊巖體擾動大，造價高。為了減少隧洞開挖施工對周邊巖體的擾動，確保地上建筑物的安全，掘進機施工進度由支護工序時間控制，由于開挖斷面規(guī)范，鋼拱架、網(wǎng)片拼裝快捷，噴射混凝土可節(jié)省大量時間。

以張掖市甘州區(qū)酥油口下庫工程引水隧洞施工為例，通過實際工程地質(zhì)變化情況，介紹了無爆破掘進技術(shù)在淺埋小斷面隧洞中的應(yīng)用，在復(fù)雜不良地質(zhì)、環(huán)境、施工條件下，討論了懸臂式掘進機的應(yīng)用效果，以及針對不同圍巖類型提高掘進單進進尺具有廣泛的推廣意義。

1 工程概況

1.1 工程背景

酥油口下庫工程位于張掖市甘州區(qū)安陽鄉(xiāng)境內(nèi)，是一座注入式水庫，通過一條長2 107 m的引水隧洞引入新建酥油口下庫，庫容540萬m3，引水隧洞形式為城門洞型，設(shè)計引水流量15 m3/s，設(shè)計縱坡i=1/108.78，開挖斷面寬3.54 m，高3.63 m，隧洞最大埋深約53.1 m，最小埋深約11.7 m，平均埋深約32.1 m。為適應(yīng)極差的圍巖工程地質(zhì)條件，隧洞采用城門洞型斷面設(shè)計，典型橫斷面開挖面積為12.13 m2，隧洞典型橫斷面如圖1所示。

由于引水隧洞洞軸線穿越省級文物保護區(qū)范圍內(nèi)，線路進口旁邊和上方有年代久遠的建筑物。隧洞進、出口段洞身圍巖所在的巖層為第四系上更新統(tǒng)沖洪積砂卵礫石層，屬第四系松散地層，穩(wěn)定性差的Ⅴ類圍巖，開挖隧洞時毛洞自穩(wěn)能力很差，為此隧洞施工對周邊巖體的擾動控制和圍巖級別的頻繁變化是本工程施工的關(guān)鍵。

1.2 工程地質(zhì)條件及支護措施

1）進口段：位于古河道內(nèi)，樁號0+031.78 m～0+189.1 m段長157.32 m，洞身圍巖為第四系上更新統(tǒng)沖洪積砂卵礫石層，屬散體結(jié)構(gòu)，較密實，地下水位在洞底以下，開挖隧洞時毛洞自穩(wěn)能力較差，屬穩(wěn)定性差的Ⅴ類圍巖，采取鋼拱架結(jié)合超前錨桿掛網(wǎng)錨噴砼支護。

2）洞身基巖強風(fēng)化段：樁號0+189.1 m～0+221 m段，長31.9 m，洞身圍巖為灰綠色安山玄武巖，屬堅硬巖，巖層產(chǎn)狀NW290°/SW∠62°，洞線走向與巖層走向夾角為55～57°，傾角較陡，主要節(jié)理裂隙結(jié)構(gòu)面發(fā)育，巖體破碎屬強風(fēng)化，飽和抗壓強度40.2 MPa，軟化系數(shù)0.69，物理力學(xué)性能較差。因此，屬穩(wěn)定性差的Ⅴ類圍巖。毛洞圍巖自穩(wěn)能力較差，變形破壞嚴重。因此，開挖時及時采取鋼拱架掛網(wǎng)噴錨支護。

3）洞身基巖弱～微風(fēng)化段：樁號0+221 m～0+303 m段長82 m，洞身圍巖仍為灰綠色安山玄武巖，屬堅硬巖，主要節(jié)理裂隙結(jié)構(gòu)面較為發(fā)育，層面和結(jié)構(gòu)面易構(gòu)成不穩(wěn)定塊體，完整性較差屬弱風(fēng)化，飽和抗壓強度52.0 MPa，軟化系數(shù)0.95。屬穩(wěn)定性較差的Ⅳ類圍巖。開挖時采取鋼拱架掛網(wǎng)噴錨支護。

4）洞身新鮮基巖段：樁號0+303.0 m～0+626.5 m段長323.5 m，洞身圍巖仍為灰綠色安山玄武巖，屬堅硬巖，巖體完整性較好，屬新鮮巖石，飽和抗壓強度65.1 MPa，軟化系數(shù)0.96。屬局部穩(wěn)定性差的Ⅲ類圍巖。開挖時采取鋼筋網(wǎng)噴錨支護的處理措施。

5）洞身砂卵礫石段：樁號0+626.5 m～2+091.8 m段長1 465.3 m，洞線進入山前沖洪積傾斜平原區(qū)，圍巖由第四系上更新統(tǒng)砂卵礫石層構(gòu)成，無地下水活動，雖結(jié)構(gòu)中密～密實，但屬第四系散體結(jié)構(gòu)，局部稍膠結(jié)，開挖隧洞時毛洞自穩(wěn)能力很差，洞頂砂卵礫石塌落現(xiàn)象較嚴重，屬穩(wěn)定性差的Ⅴ類圍巖。隧洞開挖時應(yīng)采取鋼拱架結(jié)合超前錨桿掛網(wǎng)錨噴砼支護，加強襯砌[5]。

永久性的混凝土襯砌根據(jù)開挖進度由出口向進口方向單向進行。

根據(jù)上述地質(zhì)描述，原設(shè)計樁號0+31.78 m～0+626.5 m段洞身設(shè)計為圓形斷面，內(nèi)徑為2.66 m，設(shè)計縱坡1/110.19，樁號0+626.5 m～2+091.8 m段，洞身設(shè)計為城門洞形斷面，凈寬 2.5 m，直墻高2.0 m，頂拱圓心角120°，設(shè)計縱坡1/110.19。因隧洞進口段樁號0+31.78 m～0+100 m段，出現(xiàn)年代較遠人為掏金洞形成不規(guī)則的空腔，地質(zhì)條件復(fù)雜、安全風(fēng)險高的不良地質(zhì)條件，不利于圓形斷面施工。經(jīng)研究，變更為城門洞形斷面。隧洞各類圍巖物理力學(xué)參數(shù)見表1[5]。

實際隧洞樁號0+31.78 m～0+428 m段地層巖性多，存在多處巖性分界及接觸帶，隧洞施工中不良地質(zhì)條件易造成破碎帶節(jié)理密集帶塌方、圍巖大變形等，總體地質(zhì)條件較為復(fù)雜的不良巖性，與工程設(shè)計存在一定的偏差。因此，開挖設(shè)備的選擇尤為重要，決定了隧洞能否順利、安全實現(xiàn)工期目標。隧洞各類圍巖實際變化情況見表2。

根據(jù)GB 50487—2008《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》附錄Ｎ的圍巖分類方法[6]，該隧洞以Ⅴ類圍巖為主。

2 隧洞開挖方案的確定

該隧洞工程設(shè)計中無施工支洞，且受到文物保護區(qū)范圍限制，根據(jù)地質(zhì)條件、圍巖類別、斷面尺寸、單向掘進長度和地下水發(fā)育程度等因素綜合分析，采用懸臂式掘進機開挖的施工方案，即進口段樁號0+31.78 m～ 0+428.0 m段圓形斷面采用EBZ132型懸臂式掘進機開挖，0+428.0 m～2+091.8 m段采用EBH35型懸臂式掘進機開挖，由進口段和出口段雙向掘進。

3 掘進機的選定

在隧洞工程施工中，地質(zhì)是基礎(chǔ)，設(shè)備是關(guān)鍵，人員是根本。就是說施工機械選型和地質(zhì)情況的匹配是項目能否順利完成的基礎(chǔ)，應(yīng)高度重視施工機械的選型[7]。根據(jù)SL 378—2007《水工建筑物地下工程開挖施工規(guī)范》地下洞室規(guī)?？筛鶕?jù)地下洞室開挖尺寸和斷面大小劃分規(guī)定，設(shè)計開挖面積為10～30 m2或跨度為3～5.5 m為小斷面[8]。該引水隧洞工程，屬于淺埋小斷面隧洞，地質(zhì)條件復(fù)雜，變化頻繁，巖性差，受構(gòu)造影響比較嚴重，而且隧洞頂部覆蓋厚度比較薄弱，易發(fā)生坍塌、冒頂現(xiàn)象，特別是在隧洞進口段樁號0+31.78 m～0+100 m段出現(xiàn)年代較遠的掏金洞，分布在隧洞設(shè)計開挖斷面拱頂兩側(cè)及上部0.5～1.0 m，形成一定的空腔，不規(guī)則且存在大量的孤石，對施工造成了一定的難度及安全隱患，如圖2所示。

由于隧洞地質(zhì)情況復(fù)雜，變化無規(guī)律，不確定因素較多，若采用傳統(tǒng)的鉆爆法施工需采取超前管棚、 固結(jié)注漿等特殊施工工藝，工藝復(fù)雜，進度慢，且對周邊巖體擾動大。經(jīng)研究，為了減少隧洞開挖施工對周邊巖體的擾動，確保文物安全、地面建筑物的安全，本工程引進了在采煤業(yè)地下巷道開挖普遍運用的EBZ132型懸臂式掘進機進行本工程隧洞進口段樁號0+31.78 m～0+428 m段進行開挖，該設(shè)備適用于巖石單軸抗壓強度低于70 MPa的圍巖及砂卵礫石圍巖；樁號0+428 m～2+107 m段Ⅴ類砂卵礫石圍巖選用EBH35型懸臂式掘進機進行開挖，該設(shè)備適用于巖石單軸抗壓強度低于50 MPa的圍巖及砂卵礫石圍巖。2種掘進機均在施工區(qū)域居民較多、環(huán)保要求高、橫斷面面積為10～30 m2小斷面隧洞開挖施工，隧洞長度大于1 000 m 時優(yōu)越性能尤為顯著。

3.1 圍巖施工掘進機械選型

針對掘進機的選擇必須充分考慮圍巖巖性硬度、可鉆性、鉆進空間、節(jié)理裂隙發(fā)育情況、地層壓力、水文地質(zhì)、地下水對設(shè)備的腐蝕程度以及隧洞開挖斷面尺寸，選擇比開挖斷面小的機型[9]等。本隧洞工程樁號0+31.78 m～0+428 m段主要采用三一重工EBZ132型懸臂式掘進機施工，技術(shù)指標見表3。

洞身圍巖為灰綠色安山玄武巖，屬堅硬巖，受構(gòu)造影響嚴重，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體完整性較差，屬弱風(fēng)化，飽和抗壓強度65.1 MPa，屬局部穩(wěn)定性差的Ⅲ類圍巖。根據(jù)1.2工程地質(zhì)條件資料顯示，隧洞工程圍巖類別中Ⅲ類圍巖占比5%，Ⅳ類圍巖占比8%，Ⅴ類圍巖占比6%，Ⅴ類砂卵礫石圍巖占比81%，掘進機額定最大截割硬度為70 MPa，可鉆性較好，巖層節(jié)理裂隙發(fā)育，含水率低，不存在地下水腐蝕，軟巖隧洞開挖后成型效果良好，因此，引進掘進機進行隧洞開挖施工。開挖前做好隧洞測量工作，每個洞口布設(shè)經(jīng)復(fù)核滿足施工規(guī)范要求的三角導(dǎo)線控制網(wǎng)點。洞身開挖采用全斷面開挖，掘進機采用橫向往復(fù)式截割，截割時將截割頭調(diào)至隧洞中部，由隧洞中下部開口進刀，左右擺動先割出槽窩，然后按照S型或Z型左右循環(huán)向上的截割路線逐級截割以上部分，通過掘進機行走系統(tǒng)和截割頭的伸縮控制鑿進深度，鑿進深度不超過截割頭長度，以0.6～0.8 m為宜，根據(jù)隧洞圍巖性質(zhì)確定每個循環(huán)的鑿進次數(shù)、進尺長度[10]。開挖過程中利用激光指向儀進行斷面尺寸控制，并加強測量，確保開挖斷面尺寸。掘進機截割巖石時，應(yīng)先進行初步截割，然后進行修整，以達到設(shè)計斷面尺寸的精度要求，避免了超、欠挖問題的發(fā)生。EBZ132型懸臂式掘進機開挖施工方法示意圖與懸臂式掘進機開挖截割路線示意圖如圖3和圖4[10]所示。

3.2 施工效果

通過對隧洞工程樁號0+31.78 m～0+428 m段掘進過程的分析，對隧洞斷面（標準開挖斷面跨度3.4 m、高3.67 m，總長396.2 m）進行掘進施工，施工初期，由于洞口及進入洞身段68.2 m內(nèi)出現(xiàn)掏金洞形成不規(guī)則的空腔，地質(zhì)條件差、安全風(fēng)險高，斷面較大，隧洞初期支護采用“工字鋼＋鎖腳錨桿＋鋼筋網(wǎng)＋噴射混凝土”的處理方式，遵循“先治水、短進尺、緊跟支護、穩(wěn)步前進”的原則，并通過洞內(nèi)進行預(yù)處理，如圖5所示。

采用邊開挖邊進行鋼拱架加密支護并錨噴加固穩(wěn)定后，循序漸進，同時，機械操作熟練程度的配合、出渣系統(tǒng)不完善等原因，純掘進日進尺僅為1～2 m。隨著掘進施工的不斷深入，地質(zhì)條件逐步趨于穩(wěn)定規(guī)則后，工人的操作熟練程度不斷提高，機械故障逐步減少，平均日進尺有所提高，后期施工機械的掘進速度迅速提高。因此，針對復(fù)雜不良地質(zhì)條件下隧洞施工，必須科學(xué)、合理地確定開挖方案，多方考察選擇符合本工程實際的開挖機械設(shè)備，能保證工程施工的順利進行[11]。

EBH35型是一款小型多功能掘進機，該機采用模塊式設(shè)計，體積小，重量輕，拆裝方便，易于運輸、安裝，采用德國進口的橫軸式截割頭，截齒布置合理，受力均勻，切割時震動小，作業(yè)平穩(wěn)，截齒使用壽命長等特點。因此，隧洞樁號0+428 m～2+107 m段Ⅴ類砂卵礫石圍巖，采用EBH35型懸臂式橫軸掘進機進行開挖，EBH35型懸臂式掘進機主要技術(shù)指標見表4。

統(tǒng)計不同地質(zhì)條件下掘進效率，見表5。

表5中，純掘進時間指正常工作掘進時間?？梢钥闯龅刭|(zhì)條件對掘進機效率影響程度較大。對于Ⅲ類、Ⅳ類、Ⅴ類圍巖，掘進機掘進效率隨著圍巖類別的降低而提高，純掘進日進尺增加，純掘進時間逐漸縮短。正常情況下，每天1個循環(huán)，掘進Ⅲ類圍巖循環(huán)時間600～720 min，日進尺1～3 m；IV類圍巖循環(huán)時間480～720 min，日進尺3～4 m；V類圍巖循環(huán)時間360～480 min，日進尺4～6 m。根據(jù)選定的掘進機，針對Ⅲ類圍巖效率最低，Ⅳ類、Ⅴ類圍巖逐步提高。主要原因有：①由于圍巖類別越高，其圍巖完整性和單軸飽和抗壓強度也就越高，懸臂式掘進機截割圍巖單向抗壓強度要求就越高，在長時間高負荷條件下工作，設(shè)備故障率就會明顯升高，比如，縱軸出現(xiàn)發(fā)熱現(xiàn)象效率降低、截割頭磨損頻率增加，需要停機更換等，隨著圍巖類別的降低，設(shè)備故障率會明顯下降；②圍巖類別越高，截割頭損耗越大，截割頭更換及維修所占用的時間就會越多，從而純掘進時間就越少。對于V類灰綠色安山玄武巖，掘進機效率提高明顯，截割頭損耗明顯降低、設(shè)備故障明顯下降。可以看出，圍巖強度對截割頭損耗影響較大，單軸飽和抗壓強度高的圍巖對截割頭的損耗明顯高于單軸飽和抗壓強度低的圍巖。

針對V類砂卵礫石圍巖，不論是采用EBZ132型懸臂式縱軸掘進機施工，還是EBH35型懸臂式橫軸掘進機施工效率明顯提高。正常情況下，每天1個循環(huán)，日進尺6～8 m，出渣運距500 m內(nèi)，掘進循環(huán)時間360～480 min；出渣運距500～1 000 m，掘進循環(huán)時間480～600 min；出渣距離1000～1 400 m，掘進循環(huán)時間600～720 min。經(jīng)統(tǒng)計，此工程隧洞單循環(huán)開挖綜合平均日進尺7 m，最大月進尺225 m。采用懸臂式掘進機開挖，大大提高了機械化施工水平，有效地降低了施工安全風(fēng)險，對隧洞成型斷面的控制具有很好的效果，有效地控制了超欠挖現(xiàn)象，一次性開挖成形效果好；掘進機施工工藝簡單、操作靈活、施工速度快，正常情況下施工進度穩(wěn)定，效率高。

4 結(jié)論

針對復(fù)雜地質(zhì)條件下隧洞無爆破掘進技術(shù)展開研究?？紤]工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件、開挖斷面、支護方式與支護強度、掘進機截割巖石單向抗壓強度以及工程進度與工期等方面的因素，進行懸臂式掘進機的選型。懸臂式掘進機在小斷面、不良地質(zhì)條件下的引水隧洞工程中的應(yīng)用效果較好，施工工藝簡單、施工速度快，效率高。但針對灰綠色安山玄武巖Ⅲ類圍巖時，由于掘進機截割巖石單向抗壓強度與圍巖的抗壓強度較接近，導(dǎo)致掘進機出現(xiàn)發(fā)熱、停機現(xiàn)象。因此在今后的應(yīng)用中，可根據(jù)圍巖性質(zhì)來選擇截割強度高、大功率的重型掘進機，以期提高掘進速度。

參考文獻：

[1] 張小寶，王鵬.某隧洞超前導(dǎo)洞開挖對圍巖穩(wěn)定及襯砌安全影響分析[J].水利規(guī)劃與設(shè)計，2022（1）：128-132，138.

[2] 李永彪，程樺，曹廣勇，等.頂管施工堅硬巖層非爆破破巖掘進技術(shù)應(yīng)用[J].水利水電技術(shù)，2020，51（6）：84-92.

[3] 王喜勝，王學(xué)成.懸臂式掘進機在地鐵施工中的應(yīng)用[J].煤炭工程，2007（10）：42-45.

[4] 關(guān)則廉.懸臂式掘進機在地鐵工程暗挖隧道施工中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2009，46（5）：73-75，81.

[5] 徐平德，王轉(zhuǎn)周，等.張掖市甘州區(qū)酥油口下庫工程初步設(shè)計報告[R].張掖：甘肅省張掖市甘蘭水利水電建筑設(shè)計院，2020.

[6] 楊繼華，閆長斌.復(fù)雜地質(zhì)條件下雙護盾TBM掘進性能研究[J].人民黃河，2022，44（10）：133-138.

[7] 郭信君，閔凡路，鐘小春，等.南京長江隧道工程難點分析及關(guān)鍵技術(shù)總結(jié)[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2012，31（10）：2154-2160.

[8] 中華人民共和國水利部.水工建筑物地下工程開挖施工規(guī)范：SL 378—2007[S].北京：中國水利水電出版社，2007.

[9] 陳歡.懸臂式掘進機在水庫輸水工程軟巖隧洞開挖中的應(yīng)用[J].黑龍江水利科技，2019，47（8）：187-189.

[10] 鞠林林，黑旭豪，廖兆勇.小斷面、長隧洞懸臂式縱軸掘進機開挖工法[J].水利建設(shè)與管理，2017，37（5）：78-82.

[11] 劉杰.輸水隧洞穿越節(jié)理破碎巖洞段大變形控制方案比選研究[J].水利技術(shù)監(jiān)督，2022（4）：166-168.

第一作者簡介：張建斌（1974-），男，高級工程師，副主任。研究方向為水利水電工程施工監(jiān)理、建設(shè)管理。