龍泉山隧洞開挖施工工藝適應性分析

陳 波， 蘇 小 明， 劉 瑞， 鄧 鵬

(中國水利水電第十工程局有限公司，四川 都江堰 611830)

1 概 述

龍泉山隧洞長11 850 m，分設三條施工支洞，分別長383 m、431 m、276 m，隧洞總長為12 940 m。其中Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類圍巖長度分別為2 985 m、8 173 m、1 783 m(Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類圍巖占比分別為0.23∶0.63∶0.14)。隧洞成型斷面為4.5 m×4.5 m城門洞型，隧洞縱坡為1∶3 000。Ⅲ類圍巖混凝土襯厚25 cm，Ⅳ類圍巖混凝土襯厚40 cm，V類圍巖混凝土襯厚45 cm。龍泉山隧洞為高瓦斯隧洞，為整個毗河供水一期工程的關鍵線路。

2 全巖掘進機施工工藝的引進及設備選型

2.1 工藝引進

隨著全巖掘進機施工工藝在煤礦領域的廣泛應用，目前在水利工程長大隧洞工程中也得以逐步推廣，筆者結合龍泉山隧洞施工段工程結構及地質情況，對全巖掘進機施工工藝的適應性進行了分析。

2.2 設備選型

本著滿足工期要求、控制施工成本等原則，并使安全、質量得到有效保證，初步擬定分別在1#、2#、3#支洞配備一臺EBZ260A型全巖掘進機。

3 掘進機施工的相關技術要求及參數(shù)

3.1 技術參數(shù)

據廠家公開資料顯示， EBZ260A掘進機經濟截割巖石硬度為90 MPa，最大截割巖石硬度為120 MPa，EBZ260A掘進機最大定位截割斷面可達32 m2，最小定位截割斷面可達10 m2。要求環(huán)境溫度為0 ℃～40 ℃，最大空氣相對濕度不超過9 5 %。爬坡度能力為±18°。

3.2 掘進機施工的相關技術要求

3.2.1 掘進機需配套的供電、供水和供風要求

(1)供電要求：供電電壓為1 140 V，配備(3×90 mm2+1×45 mm2)電纜線。

(2)供水要求：供水壓力為3 MPa，水量為30～120 L/min，如水壓不足，可配備增壓泵。

(3)供風要求：建議保證最小供風量不小于600 m3/min。

3.2.2 掘進機后配套運輸系統(tǒng)

可配套可伸縮式皮帶機，實現(xiàn)開采的洞渣連續(xù)裝車運輸，提高開采效率。

3.3 設備日常的主要消耗

設備日常的主要消耗情況見表1。

表1 設備日常消耗表

備注：硬巖截齒價格：360～580元/個

4 適應性技術分析

4.1 適應性分析

設計單位提供的龍泉山隧洞所屬圍巖巖性主要為砂巖和粉砂質泥巖不等厚互層。圍巖干抗壓強度最大值為73.8 MPa，滿足廠家經濟截割巖石硬度為90 MPa的要求。龍泉山隧洞最大開挖斷面為5.4 m×5.4 m，最小開挖斷面為5 m×5 m，介于最大定位截割斷面32 m2、最小定位截割斷面10 m2之間。龍泉山隧洞縱坡坡降為1/3 000，支洞坡比亦在1/10以內，均在設備爬坡度能力±18°(1/3)范圍內。

綜上所述，通過對龍泉山隧洞的巖性、斷面尺寸、坡度等方面與廠家提供的參數(shù)進行對比后認為采用掘進機掘進施工是合適的。

4.2 工期對比

由于龍泉山隧洞為整個工程施工的關鍵線路，故施工方案必須滿足工期要求。

鉆爆法施工：設計單位安排龍泉山隧洞分為進口控制段、1#支洞上游和下游控制段、2#支洞上游和下游控制段、3#支洞上游和下游控制段及出口控制段，共計8個工作面進行開挖及襯砌混凝土施工。經計算，該計劃能夠滿足工期要求。

掘進機施工：由于掘進機自重較重，行走速度僅為0.3 km/h左右，其難以確保兩個工作面交替循環(huán)施工，故擬投入3臺掘進機，將設計單位安排的8個工作面按圖1所示的順序依次進行開挖及襯砌跟進施工。經計算，該計劃滿足工期要求。

工作面規(guī)劃及施工順序見圖1。

開挖月強度指標：Ⅲ類圍巖為240 m/月、Ⅳ類圍巖為160 m/月、Ⅴ類圍巖為125 m/月圖1 掘進機法施工程序規(guī)劃圖

4.3 超、欠挖(質量)控制對比

由于該工程隧洞襯砌厚度較小，若超挖控制不當，將對該工程成本控制帶來較大影響。

掘進機開挖與鉆爆法開挖具有的本質區(qū)別：

鉆爆法施工：該方法開挖質量控制不僅受鉆孔人員能力和責任心控制外，還受到鉆機性能、裝藥量、炸藥性能、節(jié)理組成、巖性、爆破震動等因素影響，且與地質預報的準確性及爆破人員對現(xiàn)場地質情況預判的準確性有很大關系。根據以往施工經驗，很難將超挖控制在規(guī)范允許的范圍之內，施工超挖量相對較大。

掘進機法施工：開挖過程中對超挖的控制主要由人和設備控制，并且對圍巖的擾動可以達到最小程度。若加強對操作人員的管理，將極大程度將超欠挖控制在規(guī)范允許的范圍之內，理論上甚至不超挖，洞室開挖圓順度高，隧洞成型效果好，便于初期支護。

4.4 施工安全性對比

(1)鉆爆法施工：

爆破施工對洞室圍巖的擾動及穩(wěn)定影響均較大，尤其是Ⅳ、Ⅴ類圍巖，爆破后將產生較大的塌方，巖石將重新進行應力調整，同時亦對施工人員的安全、支護過程形成較大的威脅，增加額外的安全支護工程量。另外，由于鉆爆法鉆孔施工過程中施工人員(5～6人)須近距離在掌子面工作，安全風險相對較高。

(2)掘進機法施工：

由于工作面采用“一次截割成形”，即截割頭從工作面中間截面的底部開始截割，利用截割部的上下、左右移動以及行走功能，按截割規(guī)定的路線使截割頭掃過巷道截面使其一次成形。相比鉆爆法，對圍巖擾動及穩(wěn)定影響均達到最低，洞室開挖圓順度高，隧洞成型效果好。掘進和出渣時間縮短，結合圍巖的自穩(wěn)能力，初期支護質量容易得到保證，洞室塌方機率較鉆爆法小很多。另外，開挖施工過程中僅需2名操作人員，且操作人員無需近距離接近掌子面，從而減輕了工人的勞動強度，況且此時的工作環(huán)境是在已完成初期支護的圍巖下面，相比之下安全風險最低。

5 成本對比分析

5.1 鉆爆施工

根據招投標文件中有關龍泉山隧道地質情況簡介，結合類似工程經驗分析，其鉆爆開挖石方成本為：

(1)人工鉆孔費用：35元/m3；

(2)火工材料費用：Ⅲ類圍巖：22元/m3；Ⅳ類圍巖：16.75/m3；Ⅴ類圍巖：17.15元/m3。

(3)通風散煙費用：擬采用兩臺55 kW的風機(中間接力一臺乘以1.25的系數(shù))進行通風散煙，其中設備折舊和維護費用攤入電費單價中，通風散煙費用為：Ⅲ類圍巖：14.42元/m3；Ⅳ類圍巖：12.6/m3；Ⅴ類圍巖：13.68元/m3。

(4)施工供風：擬采用一臺110 kW空壓機供風，其中設備折舊和維護費用攤入電費單價中，施工供風費用為：Ⅲ類圍巖：8.24元/m3；Ⅳ類圍巖：7.2 /m3；Ⅴ類圍巖：6.84元/m3。

(5)出渣費用：擬采取一臺扒渣機裝渣、配10 t小型自卸汽車出渣，費用為35元/m3，其中扒渣機上料費為15元/m3，運輸費為20元/m3。

(6)炸藥庫建設費：根據目前的考察情況和龍泉山隧洞施工對火工產品的需要，火工產品庫房建設費用保守估計約200萬元，洞挖方量為33.27萬m3，火工產品庫房攤銷為6.01元/m3。

采用鉆爆方式洞挖的直接成本：Ⅲ類圍巖：120.48元/m3；Ⅳ類圍巖：112.56元/m3；Ⅴ類圍巖：113.68元/m3。

龍泉山隧洞石方洞挖工程量為332 773 m3，其中Ⅲ類圍巖64 941 m3；Ⅳ類圍巖216 734 m3；Ⅴ類圍巖51 098 m3，按以上單價計算總費用約為3 800萬元，綜合單價為114.28 /m3。

5.2 全巖掘進機的施工

EBZ260A全巖掘進機售價約580萬元/臺，結合龍泉山隧洞工程實際需要，根據計算，需要購買3臺全巖掘進機才能滿足工期要求。

設備攤銷費：龍泉山隧洞石方開挖量共計為332 773 m3，設備攤銷費(暫按設備原值的70%攤銷)為36.6元/m3；

設備運行費：根據廠家提供的相關參數(shù)和耗材價格，結合目前的電價計算得到的設備運行費為：Ⅲ類圍巖：61.93元/m3；Ⅳ類圍巖：31.43元/m3；Ⅴ類圍巖：14.52元/m3。

設備維修費攤銷：目前了解到的情況和廠家提供的資料均無法計算設備后期維修費，故暫按10元/m3計算。

通風散煙費用：擬采用兩臺55 kW的風機(中間接力一臺乘以1.25的系數(shù))進行通風散煙，其中設備折舊和維護費用攤入電費單價中，通風散煙費用為：Ⅲ類圍巖：6.87元/m3；Ⅳ類圍巖：5.14元/m3；Ⅴ類圍巖：3.42元/m3。

運渣費用：全巖掘進機配備有自帶的上料皮帶機，只需采用自卸汽車運輸即可，費用為20元/m3。

采用全巖掘進機方式洞挖的直接成本：Ⅲ類圍巖：135.4元/m3；Ⅳ類圍巖：103.17元/m3；Ⅴ類圍巖：84.54元/m3。按以上單價計算總費用為3 550萬元，綜合單價為106.6 /m3。

5.3 鉆爆法與全巖掘進機的優(yōu)劣分析

5.3.1 常規(guī)鉆爆法施工

龍泉山隧洞工程以鉆爆的方式施工，其石方洞挖實際成本約為114.28元/m3，總費用約3 800萬元，開挖工期為26個月。

優(yōu)點：鉆爆工藝非常成熟，且有成簡快速通道等工程作為參考，工程施工易于控制，前期資金和設備投入小，人員易于組織和管理。

缺點：龍泉山隧洞屬于高瓦斯隧洞，爆破施工安全風險高，超欠挖不易控制、通風散煙壓力大、炸藥庫建設費用高，火工產品管理難度大，洞口周圍民房及建筑物較多，對當?shù)鼐用竦挠绊懘螅┕っ媾R較大干擾。

5.3.2 全巖掘進機法施工

使用EBZ260H全巖掘進機進行石方洞挖其實際成本約為106.6 /m3，總費用約3 550萬元，開挖工期為26個月。

優(yōu)點：相對于鉆爆方式，石方洞挖實際成本每m3減少了7.68元。對巖層擾動較小，施工安全更有保障，降低了通風散煙的壓力并消除了火工產品的管理難度，全巖掘進機施工對周邊居民影響較小，可大大減小施工干擾風險。最主要的是：采用全巖掘進機方式施工可以更好地控制洞挖過程中出現(xiàn)的超挖、超填工程量，降低施工成本。

缺點：前期設備費用投入大，且目前對全巖掘進機的性能和運行費用主要是通過咨詢廠家和其他施工單位，缺乏第一手資料，存在一定風險。當掘進過程中出現(xiàn)巖石強度增高而導致施工成本成倍增加、對工期的影響，對維修及運行成本超過目前了解的情況而導致成本超過鉆爆成本時仍需采用鉆爆工藝施工；另外，需單獨架設1 140 V的高壓供電系統(tǒng)。

5.3.3 綜合比較

綜上所述，經對目前考察和掌握的情況進行分析得知，使用鉆爆方式和全巖掘進機方式施工，龍泉山隧洞的開挖總工期均為26個月。全巖掘進機方式洞挖比鉆爆方式洞挖綜合單價少7.68元/m3，可節(jié)省費用250萬元。但因設備前期需投入1 740萬元，按2 a、年利率8%計算資金的時間成本為289萬元，從經濟上分析，兩種施工方式的成本基本一致。

由于鉆爆和全巖掘進機施工在工期和經濟上基本一致，但使用全巖掘進機可以減小施工附加量、減小對當?shù)卮迕竦氖┕じ蓴_、降低火工產品管理的難度和費用、改善洞內施工環(huán)境、降低安全風險，因此，使用全巖掘進機方式相比鉆爆方式仍具有一定的優(yōu)勢，還可以根據總工期安排與調節(jié)，對其他隧洞進行施工。

6 結 語

綜上所述，根據設計單位提供的地質情況，結合工作面的劃分和全巖掘進機對圍巖的理論適應性，最終分別在龍泉山隧洞1#、2#、3#檢修交通洞控制工作面各配置了一臺EBZ260A全巖掘進機。筆者對全巖掘進機施工工藝從結構、工期、安全及質量控制等方面進行了全面的分析論證，其結果均能滿足該工程要求，尤其在施工安全及質量上明顯優(yōu)于鉆爆法施工，并且經濟可行。

通過從技術、經濟、質量、進度及安全角度分析后得出以下結論：采用全巖掘進機施工工藝在龍泉山隧洞工程中進行開挖施工可行，解決了水利工程中上覆巖體較薄、人口較為集中、巖石破碎的隧洞不能采取常規(guī)鉆爆法施工的開挖難題，亦為其它隧洞工程施工工藝的選擇提供了一定的借鑒，對于新工藝的推廣起到了一定的示范效應。但需注意必須下大力氣解決粉塵治理問題。