鉆爆法與掘進(jìn)機(jī)法在引沁入汾工程中的應(yīng)用比較

(中國(guó)水利水電第八工程局有限公司，湖南 長(zhǎng)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(diǎn)工程，位于臨汾市古縣、浮山縣境內(nèi)，自古縣草峪嶺隧洞出口取水，主要由進(jìn)出口聯(lián)合建筑物和輸水建筑物組成，供水線(xiàn)路總長(zhǎng)20.231km，其中供水總干渠18.531km，浮山干渠1.7km。供水總干渠線(xiàn)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(zhǎng)19.693km，占供水線(xiàn)路總長(zhǎng)的97.34%。隧洞沿線(xiàn)海拔809～1102m，隧洞埋深11.59～253.65m，斷面設(shè)計(jì)為城門(mén)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(biāo)主要施工范圍為供水總干渠7+829～12+010，長(zhǎng)4181m，其中Ⅳ類(lèi)圍巖1093m占26%，Ⅴ類(lèi)圍巖3088m，占73.86%。包括郭店隧洞(7+829～12+010)、4號(hào)斜井(456.9m)、5號(hào)斜井(150.6m)及臨時(shí)輔助設(shè)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(hào)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(shè)計(jì)底高程850.162m，斜井長(zhǎng)150.6m，斜井坡度11.7°。圍巖類(lèi)別為Ⅴ類(lèi)，開(kāi)挖后的斷面為3.44m×3.955m(寬×高)，襯砌后徑寬為2.5m。5號(hào)斜井布置見(jiàn)圖1。

圖1 5號(hào)斜井?dāng)嗝?/p>

4號(hào)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(zhǎng)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(hào)支洞設(shè)計(jì)開(kāi)挖斷面尺寸為3.3m×3.735m和3.44m×3.855m，4號(hào)支洞0+12.5～0+406.67段為Ⅳ類(lèi)圍巖，4號(hào)支洞0+000～0+12.5、4號(hào)支洞0+406.67～4號(hào)支洞0+456.67段為Ⅴ類(lèi)圍巖，開(kāi)挖后進(jìn)行初期支護(hù)，支護(hù)方式包括錨桿、掛網(wǎng)、噴射混凝土、鋼拱架等。

1.2 開(kāi)挖方法

本工程采用全斷面開(kāi)挖，共有兩條施工支洞，四個(gè)工作面同時(shí)施工。4號(hào)支洞長(zhǎng)456.9m，5號(hào)支洞長(zhǎng)150.6m，主洞長(zhǎng)4181m(7+829～12+010)。洞室開(kāi)挖采用兩種方法施工，其中5號(hào)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(jìn)機(jī)開(kāi)挖，4號(hào)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(kāi)挖。

2 兩種開(kāi)挖方法應(yīng)用情況對(duì)比分析

2.1 適應(yīng)性對(duì)比分析

2.1.1 鉆孔爆破法開(kāi)挖

鉆爆法開(kāi)挖是隧道開(kāi)挖常用的方法，開(kāi)挖過(guò)程中既要保護(hù)圍巖的穩(wěn)定性，以免發(fā)生塌方、涌水等災(zāi)害，又要保證隧洞掘進(jìn)的速度，這對(duì)開(kāi)挖方法的選擇提出了考驗(yàn)。常用的隧洞快速掘進(jìn)施工方法有全斷面開(kāi)挖、臺(tái)階法開(kāi)挖以及導(dǎo)坑超前全斷面擴(kuò)挖等方式。全斷面開(kāi)挖適合于較小斷面的隧洞開(kāi)挖，大斷面隧洞主要采用臺(tái)階法開(kāi)挖和導(dǎo)坑超前全斷面擴(kuò)挖。

采用鉆爆法施工隧洞，一般要求隧洞大部分地段應(yīng)位于堅(jiān)硬的巖石地層之中。但隧洞進(jìn)出口一般地質(zhì)條件較差，甚至較長(zhǎng)地段為土層，即使通過(guò)多方案比選確定的地段，也會(huì)存在一些風(fēng)化槽或斷層破碎帶等不利地層。對(duì)于鉆爆法施工，由于設(shè)計(jì)施工經(jīng)驗(yàn)均較為成熟，可適應(yīng)不同的地質(zhì)條件變化。

2.1.2 懸臂式掘進(jìn)機(jī)法開(kāi)挖

掘進(jìn)機(jī)施工法是一種利用回轉(zhuǎn)刀具開(kāi)挖(同時(shí)破碎和掘進(jìn))隧洞的機(jī)械設(shè)備。采用掘進(jìn)機(jī)法施工洞室對(duì)地質(zhì)條件適應(yīng)性較差。不適用于軟弱圍巖，對(duì)強(qiáng)度超過(guò)200MPa的硬巖，刀具成本將急劇增大，開(kāi)挖速度也隨之降低。

2.1.3 對(duì)比分析

鉆爆法是洞室開(kāi)挖的傳統(tǒng)方法，對(duì)地質(zhì)條件適應(yīng)性強(qiáng)。前期根據(jù)業(yè)主提供的地質(zhì)資料，結(jié)合本工程實(shí)際地質(zhì)條件分析，本工程可采用鉆爆法開(kāi)挖。掘進(jìn)機(jī)法隧洞開(kāi)挖主要適用于中硬度以下圍巖，根據(jù)業(yè)主提供的地質(zhì)資料分析，本工程主要為Ⅳ類(lèi)、Ⅴ類(lèi)圍巖，硬巖強(qiáng)度均在100MPa以下，根據(jù)理論分析本工程可采用掘進(jìn)機(jī)法施工。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際對(duì)比分析，本工程可采用兩種施工方法同時(shí)進(jìn)行施工。

2.2 施工工藝對(duì)比分析

本工程洞室開(kāi)挖采用兩種方法施工，其中掘進(jìn)機(jī)法施工采用EBZ200型掘進(jìn)機(jī)開(kāi)挖共計(jì)345.6m，其余4437.9m采用鉆孔爆破開(kāi)挖，不同施工方法采用不同的施工工藝流程，具體細(xì)節(jié)如下。

2.2.1 鉆爆法開(kāi)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(kāi)挖法進(jìn)行爆破施工。洞室開(kāi)挖采用氣腿式風(fēng)鉆鉆眼，鉆頭用φ40一字型鉆頭。光面爆破，用非電毫秒微差導(dǎo)爆管一次引爆，周邊孔選用φ32×200g 型2號(hào)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(hào)巖石乳化炸藥連續(xù)耦合裝藥，毫秒延期導(dǎo)爆管雷管微差起爆。

結(jié)合本工程情況，周邊眼采用不耦合裝藥，藥量減小，適當(dāng)加密，Ⅴ類(lèi)圍巖周邊孔23個(gè)(其中底板孔7個(gè))，崩落輔助孔16個(gè)，掏槽孔8個(gè)，共計(jì)47孔，詳見(jiàn)圖2；Ⅳ類(lèi)圍巖周邊孔23個(gè)(其中底板孔7個(gè))，崩落輔助孔16個(gè)，掏槽孔8個(gè)，共計(jì)47孔，詳見(jiàn)圖3。

圖2 Ⅴ類(lèi)圍巖鉆孔示意圖 (單位：mm)

圖3 Ⅳ類(lèi)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(lèi)圍巖選擇炮眼深度為2.3m，掏槽眼眼深為2.5m，Ⅴ類(lèi)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(shù)的確定

周邊輪廓線(xiàn)光面爆破孔孔距取40～60cm。光面爆破參數(shù)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定，并隨巖性的變化而變化，調(diào)整光爆參數(shù)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(shuō)明線(xiàn)性裝藥量適合，但孔間距過(guò)大或保護(hù)層過(guò)小，應(yīng)減少孔間距或加大保護(hù)層厚度。

b.眼痕完整率差，巖面凹進(jìn)，說(shuō)明線(xiàn)性裝藥量過(guò)大，孔間距過(guò)小或保護(hù)層過(guò)厚，應(yīng)增大孔間距或減小保護(hù)層厚度。

2.2.1.3 單孔裝藥量

Ⅳ類(lèi)圍巖：掏槽眼1.6kg，崩落眼1.0kg，周邊眼0.8kg，底板眼1.0kg。

Ⅴ類(lèi)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(huán)總裝藥量

Ⅳ類(lèi)圍巖：1.6×8+1.0×16+0.8×16+1.0×7=48.6kg。

Ⅴ類(lèi)圍巖：1.4×8+1.0×16+0.6×16+0.8×7=42.4kg。

2.2.2 懸臂式掘進(jìn)機(jī)開(kāi)挖施工工藝流程

洞身開(kāi)挖采用全斷面開(kāi)挖，利用掘進(jìn)機(jī)截割頭上下、左右移動(dòng)進(jìn)行截割，開(kāi)挖過(guò)程中利用激光指向儀進(jìn)行斷面尺寸控制，并加強(qiáng)復(fù)測(cè)，確保開(kāi)挖尺寸。掘進(jìn)機(jī)截割巖石時(shí)，應(yīng)先開(kāi)機(jī)空載試運(yùn)行，然后進(jìn)行初步截割，最后修整，以達(dá)到斷面尺寸要求。一般在截割較軟巖石時(shí)，采用截割頭左右移動(dòng)循環(huán)向上的方法，當(dāng)截割較硬巖石時(shí)，采用橫向往復(fù)截割，截割時(shí)將截割頭調(diào)至掌子面，由掌子面下中部開(kāi)口進(jìn)刀，左右擺動(dòng)先割出槽窩，形成自由面，然后由下向上進(jìn)行截割，待截割完畢支護(hù)完好后再進(jìn)行下一循環(huán)作業(yè)，見(jiàn)圖4。如遇有高硬度巖石時(shí)，不能勉強(qiáng)截割，應(yīng)采取其他方法進(jìn)行開(kāi)挖。局部有圍巖硬度較高但較破碎的砂巖，可用掘進(jìn)機(jī)將圍巖截割剝落，采用其他方式進(jìn)行出渣。

圖4 掘進(jìn)機(jī)截割示意 (單位：mm)

地下洞室支護(hù)施工與掘進(jìn)機(jī)開(kāi)挖跟進(jìn)平行交叉作業(yè)，各工序間交替流水作業(yè)。隧洞支護(hù)施工程序?yàn)椋菏┕?zhǔn)備→掘進(jìn)施工→出渣與掘進(jìn)同步→進(jìn)尺4m停機(jī)→初噴混凝土(5cm左右)→錨桿施工→掛網(wǎng)(鋼支撐)→復(fù)噴混凝土施工→下一循環(huán)施工。

需注意支護(hù)時(shí)，掘進(jìn)機(jī)必須退出掌子面，為支護(hù)提供工作面。

2.2.3 對(duì)比分析

與鉆爆法相比，采用掘進(jìn)機(jī)法進(jìn)行洞室開(kāi)挖施工是一種集掘進(jìn)、導(dǎo)向、支護(hù)及通風(fēng)防塵為一體的開(kāi)挖方法，機(jī)械化程度較高，施工工序簡(jiǎn)單，開(kāi)挖作業(yè)能連續(xù)進(jìn)行，不使用火工品，不需進(jìn)行爆破試驗(yàn)，安全性較高，沒(méi)有像鉆孔爆破那樣大的沖擊，對(duì)圍巖的損傷小，幾乎不產(chǎn)生松弛、掉塊，崩塌的危險(xiǎn)小，可減輕支護(hù)的工作量。震動(dòng)、噪聲小，對(duì)周?chē)用窈徒Y(jié)構(gòu)物的影響小，與傳統(tǒng)的鉆爆法相比，掘進(jìn)機(jī)法施工安全性和作業(yè)環(huán)境有了較大的改善。但是掘進(jìn)機(jī)法施工也存在施工粉塵量較大的問(wèn)題。

2.3 資源配置對(duì)比分析

2.3.1 鉆孔爆破開(kāi)挖法主要資源配置

鉆孔爆破法開(kāi)挖主要設(shè)備配置見(jiàn)表1，主要人工配置見(jiàn)表2。

表1 鉆孔爆破法施工主要設(shè)備配置

表2 鉆孔爆破法施工人員配置

續(xù)表

2.3.2 懸臂式掘進(jìn)機(jī)開(kāi)挖法主要資源配置

懸臂式掘進(jìn)機(jī)開(kāi)挖法主要資源配置設(shè)備見(jiàn)表3，主要人工配置見(jiàn)表4。

表3 懸臂式掘進(jìn)機(jī)法施工主要資源配置

表4 懸臂式掘進(jìn)機(jī)法施工人員配置

2.3.3 對(duì)比分析

與鉆爆法相比，采用掘進(jìn)機(jī)法進(jìn)行洞室開(kāi)挖施工，機(jī)械簡(jiǎn)單、型號(hào)單一、數(shù)量較少，不需要采用扒渣機(jī)、小型挖機(jī)等出渣機(jī)械，但采用掘進(jìn)機(jī)法施工，機(jī)械化程度較高，成本較大，必須配置一臺(tái)礦用隔爆型移動(dòng)變電站供掘進(jìn)機(jī)施工。

采用鉆爆法每班需要配置人員33人，而采用掘進(jìn)機(jī)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(duì)比分析

鉆爆法施工，其開(kāi)挖功效受施工工序影響，每道施工工序都有固定的時(shí)間，理論上單個(gè)工作面從測(cè)量放線(xiàn)到放炮完成需3～4h，放炮到出渣完成需4～5h，每個(gè)循環(huán)鉆爆法開(kāi)挖需7～9h，每循環(huán)進(jìn)尺1.8～2.2m，每天完成2～3個(gè)循環(huán)，高峰期最多兩個(gè)工作面同時(shí)開(kāi)挖，即高峰期每天平均進(jìn)尺8～12m。結(jié)合本工程實(shí)際完成情況分析，采用鉆爆法開(kāi)挖于2016年6月1—2017年12月31日，實(shí)際完成工程量4437.9m，三個(gè)工作面同時(shí)施工，有效施工時(shí)間為470天，實(shí)際施工功效為9.44m/天。

采用懸臂式掘進(jìn)機(jī)開(kāi)挖，實(shí)現(xiàn)了隧洞施工的機(jī)械化，使施工工序大大簡(jiǎn)化，本工程采用掘進(jìn)機(jī)開(kāi)挖于2015年11月20日進(jìn)場(chǎng)，2016年5月26日退場(chǎng)，春節(jié)期間正常施工，有效施工時(shí)間150天，實(shí)際完成開(kāi)挖工程量345.6m，實(shí)際施工功效為2.3m/天。

綜上對(duì)比分析，理論上采用掘進(jìn)機(jī)法施工實(shí)際施工完成情況未達(dá)到要求，究其主要原因?yàn)榫蜻M(jìn)機(jī)法施工局限性較大，受巖石強(qiáng)度以及地質(zhì)因素影響較大。施工時(shí)洞內(nèi)粉塵較大，施工環(huán)境差，對(duì)工人健康影響較大，洞內(nèi)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(jìn)設(shè)備大，對(duì)后續(xù)施工有干擾，導(dǎo)致實(shí)際施工效率降低。

2.5 施工費(fèi)用對(duì)比分析

2.5.1 鉆爆法開(kāi)挖

鉆爆法開(kāi)挖按照一個(gè)工作面計(jì)算，折合一月投入費(fèi)用見(jiàn)表5、表6。

表5 鉆爆法開(kāi)挖設(shè)備投入費(fèi)用

表6 鉆爆法開(kāi)挖人工投入費(fèi)用

2.5.2 掘進(jìn)機(jī)法開(kāi)挖

掘進(jìn)機(jī)法按照一個(gè)工作面計(jì)算，折合一月投入費(fèi)用見(jiàn)表7、表8。

表7 掘進(jìn)機(jī)法開(kāi)挖設(shè)備投入費(fèi)用

續(xù)表

表8 掘進(jìn)機(jī)開(kāi)挖人工投入費(fèi)用

就人工及設(shè)備投入費(fèi)用而言，掘進(jìn)機(jī)法開(kāi)挖一月投入比鉆爆法開(kāi)挖高90765元。

2.6 質(zhì)量安全對(duì)比分析

2.6.1 鉆爆法開(kāi)挖

a.質(zhì)量方面。不容易控制開(kāi)挖及爆破參數(shù)，且受地質(zhì)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(jìn)機(jī)法差。

b.安全方面。采用火工品施工，且鉆爆法施工時(shí)對(duì)周?chē)鷩鷰r影響較大，作業(yè)時(shí)施工人員靠近掌子面，安全風(fēng)險(xiǎn)較大。

2.6.2 掘進(jìn)機(jī)法開(kāi)挖

a.質(zhì)量方面。掘進(jìn)機(jī)法采用機(jī)械化施工，掘進(jìn)時(shí)對(duì)周?chē)鷩鷰r及參數(shù)控制標(biāo)準(zhǔn)化，超欠挖控制良好。

b.安全方面。采用掘進(jìn)機(jī)法最主要的安全隱患就是洞內(nèi)粉塵較大，作業(yè)人員職業(yè)健康安全影響較鉆爆法施工大。

2.7 兩種施工工藝優(yōu)缺點(diǎn)分析

通過(guò)兩種施工方法在本工程的應(yīng)用情況對(duì)比分析可知，兩種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)。

2.7.1 掘進(jìn)機(jī)法施工優(yōu)缺點(diǎn)

相對(duì)于傳統(tǒng)鉆爆法，掘進(jìn)機(jī)法施工安全性較好，施工對(duì)周?chē)h(huán)境影響較小，機(jī)械化程度較高，施工質(zhì)量控制簡(jiǎn)單，初期支護(hù)減少而且較鉆爆法簡(jiǎn)單，節(jié)省人力及降低勞動(dòng)強(qiáng)度，集中控制實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離操作，最主要的是掘進(jìn)機(jī)法施工洞室超欠挖控制良好，洞室成型較好。

但掘進(jìn)機(jī)法對(duì)圍巖適應(yīng)性較差，對(duì)于強(qiáng)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(hào)斜井開(kāi)挖150.6m，更換了一次炮頭，開(kāi)挖成本提高；水系統(tǒng)降塵效果較差，洞內(nèi)視野差，嚴(yán)重影響出渣效率，在斜井內(nèi)出渣安全性系數(shù)較大，環(huán)保性較差；一次性投資大，施工過(guò)程中出現(xiàn)設(shè)備大件故障時(shí)，由于重量大、坡度陡、洞室空間小等特點(diǎn)導(dǎo)致設(shè)備維修困難。同時(shí)機(jī)器制造周期長(zhǎng)，刀具的消耗和維修費(fèi)用高昂。

2.7.2 鉆爆法施工優(yōu)缺點(diǎn)

與掘進(jìn)機(jī)法相比，鉆爆法施工比較靈活，可快速開(kāi)始施工，適應(yīng)各種形狀、尺寸、大小的地下洞室開(kāi)挖，圍巖適應(yīng)性強(qiáng)，開(kāi)挖設(shè)備成本低，使用簡(jiǎn)單。

3 結(jié) 語(yǔ)

綜上所述，兩種施工方案各有利弊，各有側(cè)重點(diǎn)，結(jié)合工程的實(shí)際地質(zhì)條件可以采用不同的施工方法，條件允許，可以同時(shí)采用兩種施工方法施工。本文通過(guò)對(duì)本工程開(kāi)挖中鉆爆法與掘進(jìn)機(jī)法施工進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)兩種工藝的適應(yīng)性、施工工藝、資源、功效、資金投入、質(zhì)量、安全、優(yōu)缺點(diǎn)等方面進(jìn)行分析，找出各自的特點(diǎn)，可為類(lèi)似工程施工及選擇提供依據(jù)。