鉆爆法與掘進機法在引沁入汾工程中的應用比較

(中國水利水電第八工程局有限公司，湖南 長沙 410000)

1 概 況

1.1 工程概述

臨汾市引沁入汾浮山供水工程是山西省重點工程，位于臨汾市古縣、浮山縣境內，自古縣草峪嶺隧洞出口取水，主要由進出口聯合建筑物和輸水建筑物組成，供水線路總長20.231km，其中供水總干渠18.531km，浮山干渠1.7km。供水總干渠線路上有郭店隧洞(12968m)、李家堡隧洞(2793m)、羅圈凹隧洞(2232m)3座隧洞，浮山干渠有趙家坡隧洞(1700m)1座，隧洞總長19.693km，占供水線路總長的97.34%。隧洞沿線海拔809～1102m，隧洞埋深11.59～253.65m，斷面設計為城門形斷面，采用最小施工斷面，底寬2.5m，頂拱中心角為135°，頂拱半徑1.35m，直墻高2.2m，洞高3.035m，輸水隧洞縱坡1/2500。

03標主要施工范圍為供水總干渠7+829～12+010，長4181m，其中Ⅳ類圍巖1093m占26%，Ⅴ類圍巖3088m，占73.86%。包括郭店隧洞(7+829～12+010)、4號斜井(456.9m)、5號斜井(150.6m)及臨時輔助設施等。

主要工程量為：洞(井)挖56655m3，噴混凝土4610m3，錨桿24275根，鋼筋2235t，混凝土16160m3，回填灌漿13917m2。

其中5號斜井位于河底村東南，與總干渠垂直相交于10+483.3處，地面高程875.456m，斜井設計底高程850.162m，斜井長150.6m，斜井坡度11.7°。圍巖類別為Ⅴ類，開挖后的斷面為3.44m×3.955m(寬×高)，襯砌后徑寬為2.5m。5號斜井布置見圖1。

圖1 5號斜井斷面

4號支洞斜井位于河底村，洞口高程908.672m，與主洞高差61.53m，支洞長456.67m，坡度8.08°，坡比1∶6.91，與總干渠在8+866.03處相交，洞底高程847.159m。

4號支洞設計開挖斷面尺寸為3.3m×3.735m和3.44m×3.855m，4號支洞0+12.5～0+406.67段為Ⅳ類圍巖，4號支洞0+000～0+12.5、4號支洞0+406.67～4號支洞0+456.67段為Ⅴ類圍巖，開挖后進行初期支護，支護方式包括錨桿、掛網、噴射混凝土、鋼拱架等。

1.2 開挖方法

本工程采用全斷面開挖，共有兩條施工支洞，四個工作面同時施工。4號支洞長456.9m，5號支洞長150.6m，主洞長4181m(7+829～12+010)。洞室開挖采用兩種方法施工，其中5號斜井0～0+145.6、主洞11+383.3～11+483.3、11+483.3～11+583.3段采用EBZ200型掘進機開挖，4號斜井0～0+456.9、主洞7+829～11+383.3、11+583.3～12+010段采用鉆孔爆破開挖。

2 兩種開挖方法應用情況對比分析

2.1 適應性對比分析

2.1.1 鉆孔爆破法開挖

鉆爆法開挖是隧道開挖常用的方法，開挖過程中既要保護圍巖的穩定性，以免發生塌方、涌水等災害，又要保證隧洞掘進的速度，這對開挖方法的選擇提出了考驗。常用的隧洞快速掘進施工方法有全斷面開挖、臺階法開挖以及導坑超前全斷面擴挖等方式。全斷面開挖適合于較小斷面的隧洞開挖，大斷面隧洞主要采用臺階法開挖和導坑超前全斷面擴挖。

采用鉆爆法施工隧洞，一般要求隧洞大部分地段應位于堅硬的巖石地層之中。但隧洞進出口一般地質條件較差，甚至較長地段為土層，即使通過多方案比選確定的地段，也會存在一些風化槽或斷層破碎帶等不利地層。對于鉆爆法施工，由于設計施工經驗均較為成熟，可適應不同的地質條件變化。

2.1.2 懸臂式掘進機法開挖

掘進機施工法是一種利用回轉刀具開挖(同時破碎和掘進)隧洞的機械設備。采用掘進機法施工洞室對地質條件適應性較差。不適用于軟弱圍巖，對強度超過200MPa的硬巖，刀具成本將急劇增大，開挖速度也隨之降低。

2.1.3 對比分析

鉆爆法是洞室開挖的傳統方法，對地質條件適應性強。前期根據業主提供的地質資料，結合本工程實際地質條件分析，本工程可采用鉆爆法開挖。掘進機法隧洞開挖主要適用于中硬度以下圍巖，根據業主提供的地質資料分析，本工程主要為Ⅳ類、Ⅴ類圍巖，硬巖強度均在100MPa以下，根據理論分析本工程可采用掘進機法施工。通過現場實際對比分析，本工程可采用兩種施工方法同時進行施工。

2.2 施工工藝對比分析

本工程洞室開挖采用兩種方法施工，其中掘進機法施工采用EBZ200型掘進機開挖共計345.6m，其余4437.9m采用鉆孔爆破開挖，不同施工方法采用不同的施工工藝流程，具體細節如下。

2.2.1 鉆爆法開挖施工工藝流程

考慮洞室斷面尺寸較小，選擇使用全斷面開挖法進行爆破施工。洞室開挖采用氣腿式風鉆鉆眼，鉆頭用φ40一字型鉆頭。光面爆破，用非電毫秒微差導爆管一次引爆，周邊孔選用φ32×200g 型2號巖石乳化炸藥間隔不耦合裝藥；掏槽、崩落孔、底板孔采用φ32×200g型 2號巖石乳化炸藥連續耦合裝藥，毫秒延期導爆管雷管微差起爆。

結合本工程情況，周邊眼采用不耦合裝藥，藥量減小，適當加密，Ⅴ類圍巖周邊孔23個(其中底板孔7個)，崩落輔助孔16個，掏槽孔8個，共計47孔，詳見圖2；Ⅳ類圍巖周邊孔23個(其中底板孔7個)，崩落輔助孔16個，掏槽孔8個，共計47孔，詳見圖3。

圖2 Ⅴ類圍巖鉆孔示意圖 (單位：mm)

圖3 Ⅳ類圍巖鉆孔示意圖 (單位：mm)

2.2.1.1 掏槽方式及炮孔深度的確定

掏槽擬采用楔形掏槽方式。Ⅳ類圍巖選擇炮眼深度為2.3m，掏槽眼眼深為2.5m，Ⅴ類圍巖選擇炮眼深度為2.0m，掏槽眼眼深為2.2m。

2.2.1.2 光面爆破參數的確定

周邊輪廓線光面爆破孔孔距取40～60cm。光面爆破參數通過現場試驗確定，并隨巖性的變化而變化，調整光爆參數的原則主要有以下兩條。

a.兩孔間的巖石凸起，炮眼完整率較好，說明線性裝藥量適合，但孔間距過大或保護層過小，應減少孔間距或加大保護層厚度。

b.眼痕完整率差，巖面凹進，說明線性裝藥量過大，孔間距過小或保護層過厚，應增大孔間距或減小保護層厚度。

2.2.1.3 單孔裝藥量

Ⅳ類圍巖：掏槽眼1.6kg，崩落眼1.0kg，周邊眼0.8kg，底板眼1.0kg。

Ⅴ類圍巖：掏槽眼1.4kg，崩落眼1.0kg，周邊眼0.6kg，底板眼0.8kg。

2.2.1.4 每循環總裝藥量

Ⅳ類圍巖：1.6×8+1.0×16+0.8×16+1.0×7=48.6kg。

Ⅴ類圍巖：1.4×8+1.0×16+0.6×16+0.8×7=42.4kg。

2.2.2 懸臂式掘進機開挖施工工藝流程

洞身開挖采用全斷面開挖，利用掘進機截割頭上下、左右移動進行截割，開挖過程中利用激光指向儀進行斷面尺寸控制，并加強復測，確保開挖尺寸。掘進機截割巖石時，應先開機空載試運行，然后進行初步截割，最后修整，以達到斷面尺寸要求。一般在截割較軟巖石時，采用截割頭左右移動循環向上的方法，當截割較硬巖石時，采用橫向往復截割，截割時將截割頭調至掌子面，由掌子面下中部開口進刀，左右擺動先割出槽窩，形成自由面，然后由下向上進行截割，待截割完畢支護完好后再進行下一循環作業，見圖4。如遇有高硬度巖石時，不能勉強截割，應采取其他方法進行開挖。局部有圍巖硬度較高但較破碎的砂巖，可用掘進機將圍巖截割剝落，采用其他方式進行出渣。

圖4 掘進機截割示意 (單位：mm)

地下洞室支護施工與掘進機開挖跟進平行交叉作業，各工序間交替流水作業。隧洞支護施工程序為：施工準備→掘進施工→出渣與掘進同步→進尺4m停機→初噴混凝土(5cm左右)→錨桿施工→掛網(鋼支撐)→復噴混凝土施工→下一循環施工。

需注意支護時，掘進機必須退出掌子面，為支護提供工作面。

2.2.3 對比分析

與鉆爆法相比，采用掘進機法進行洞室開挖施工是一種集掘進、導向、支護及通風防塵為一體的開挖方法，機械化程度較高，施工工序簡單，開挖作業能連續進行，不使用火工品，不需進行爆破試驗，安全性較高，沒有像鉆孔爆破那樣大的沖擊，對圍巖的損傷小，幾乎不產生松弛、掉塊，崩塌的危險小，可減輕支護的工作量。震動、噪聲小，對周圍居民和結構物的影響小，與傳統的鉆爆法相比，掘進機法施工安全性和作業環境有了較大的改善。但是掘進機法施工也存在施工粉塵量較大的問題。

2.3 資源配置對比分析

2.3.1 鉆孔爆破開挖法主要資源配置

鉆孔爆破法開挖主要設備配置見表1，主要人工配置見表2。

表1 鉆孔爆破法施工主要設備配置

表2 鉆孔爆破法施工人員配置

續表

2.3.2 懸臂式掘進機開挖法主要資源配置

懸臂式掘進機開挖法主要資源配置設備見表3，主要人工配置見表4。

表3 懸臂式掘進機法施工主要資源配置

表4 懸臂式掘進機法施工人員配置

2.3.3 對比分析

與鉆爆法相比，采用掘進機法進行洞室開挖施工，機械簡單、型號單一、數量較少，不需要采用扒渣機、小型挖機等出渣機械，但采用掘進機法施工，機械化程度較高，成本較大，必須配置一臺礦用隔爆型移動變電站供掘進機施工。

采用鉆爆法每班需要配置人員33人，而采用掘進機法每班只需配置14人，與鉆爆法相比大大降低了人工成本。

2.4 施工功效對比分析

鉆爆法施工，其開挖功效受施工工序影響，每道施工工序都有固定的時間，理論上單個工作面從測量放線到放炮完成需3～4h，放炮到出渣完成需4～5h，每個循環鉆爆法開挖需7～9h，每循環進尺1.8～2.2m，每天完成2～3個循環，高峰期最多兩個工作面同時開挖，即高峰期每天平均進尺8～12m。結合本工程實際完成情況分析，采用鉆爆法開挖于2016年6月1—2017年12月31日，實際完成工程量4437.9m，三個工作面同時施工，有效施工時間為470天，實際施工功效為9.44m/天。

采用懸臂式掘進機開挖，實現了隧洞施工的機械化，使施工工序大大簡化，本工程采用掘進機開挖于2015年11月20日進場，2016年5月26日退場，春節期間正常施工，有效施工時間150天，實際完成開挖工程量345.6m，實際施工功效為2.3m/天。

綜上對比分析，理論上采用掘進機法施工實際施工完成情況未達到要求，究其主要原因為掘進機法施工局限性較大，受巖石強度以及地質因素影響較大。施工時洞內粉塵較大，施工環境差，對工人健康影響較大，洞內有滲水，與粉塵相遇后形成淤泥，提高了出渣難度，且隧洞斷面小，掘進設備大，對后續施工有干擾，導致實際施工效率降低。

2.5 施工費用對比分析

2.5.1 鉆爆法開挖

鉆爆法開挖按照一個工作面計算，折合一月投入費用見表5、表6。

表5 鉆爆法開挖設備投入費用

表6 鉆爆法開挖人工投入費用

2.5.2 掘進機法開挖

掘進機法按照一個工作面計算，折合一月投入費用見表7、表8。

表7 掘進機法開挖設備投入費用

續表

表8 掘進機開挖人工投入費用

就人工及設備投入費用而言，掘進機法開挖一月投入比鉆爆法開挖高90765元。

2.6 質量安全對比分析

2.6.1 鉆爆法開挖

a.質量方面。不容易控制開挖及爆破參數，且受地質及滲水條件影響較大，平整度及超欠挖不容易控制，成型較掘進機法差。

b.安全方面。采用火工品施工，且鉆爆法施工時對周圍圍巖影響較大，作業時施工人員靠近掌子面，安全風險較大。

2.6.2 掘進機法開挖

a.質量方面。掘進機法采用機械化施工，掘進時對周圍圍巖及參數控制標準化，超欠挖控制良好。

b.安全方面。采用掘進機法最主要的安全隱患就是洞內粉塵較大，作業人員職業健康安全影響較鉆爆法施工大。

2.7 兩種施工工藝優缺點分析

通過兩種施工方法在本工程的應用情況對比分析可知，兩種方法各有優缺點。

2.7.1 掘進機法施工優缺點

相對于傳統鉆爆法，掘進機法施工安全性較好，施工對周圍環境影響較小，機械化程度較高，施工質量控制簡單，初期支護減少而且較鉆爆法簡單，節省人力及降低勞動強度，集中控制實現遠距離操作，最主要的是掘進機法施工洞室超欠挖控制良好，洞室成型較好。

但掘進機法對圍巖適應性較差，對于強度較高的砂巖，截割效率大幅度降低，截齒消耗增加，增加了炮頭的損耗率，5號斜井開挖150.6m，更換了一次炮頭，開挖成本提高；水系統降塵效果較差，洞內視野差，嚴重影響出渣效率，在斜井內出渣安全性系數較大，環保性較差；一次性投資大，施工過程中出現設備大件故障時，由于重量大、坡度陡、洞室空間小等特點導致設備維修困難。同時機器制造周期長，刀具的消耗和維修費用高昂。

2.7.2 鉆爆法施工優缺點

與掘進機法相比，鉆爆法施工比較靈活，可快速開始施工，適應各種形狀、尺寸、大小的地下洞室開挖，圍巖適應性強，開挖設備成本低，使用簡單。

3 結 語

綜上所述，兩種施工方案各有利弊，各有側重點，結合工程的實際地質條件可以采用不同的施工方法，條件允許，可以同時采用兩種施工方法施工。本文通過對本工程開挖中鉆爆法與掘進機法施工進行對比分析，對兩種工藝的適應性、施工工藝、資源、功效、資金投入、質量、安全、優缺點等方面進行分析，找出各自的特點，可為類似工程施工及選擇提供依據。