復(fù)雜環(huán)境條件下隧道機械施工技術(shù)研究

李 旗

（河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 南陽 473000）

為最大限度地縮減應(yīng)用傳統(tǒng)爆破方式對周邊居民的正常生活狀態(tài)的不良影響，現(xiàn)階段在隧道施工過程中以掘進機等機械開挖方式為主流。隨時間的推移，該種機械施工方式的優(yōu)勢也在逐漸凸顯，這也使得無論是應(yīng)用范圍還是應(yīng)用頻率相較以往均有不同程度的提升，該類技術(shù)也在持續(xù)使用過程中獲得了持續(xù)完善的重要機會，這一點在全巖掘進方面表現(xiàn)的尤為明顯。

1.隧道開挖環(huán)節(jié)掘進機的應(yīng)用優(yōu)勢分析

1.1 爆破震動影響

以某隧道工程為例，該類引水隧道的埋深深度最小值為3 m，平均埋深為20 m，地表處的整體綠化狀態(tài)較好。在隧道中軸線位置上方存在著20戶的民宅與多處魚塘，且設(shè)計隧道頂部與魚塘下部之間的距離僅僅為8 m。最為關(guān)鍵的是，在距離隧道頂部14 m左右的位置存在著一根天然氣管道。此種情況下，若選擇應(yīng)用傳統(tǒng)爆破法由于產(chǎn)生振動較大，所經(jīng)由的住宅在受到爆炸振動沖擊后極有可能開裂。因此，施工人員在聯(lián)系實際環(huán)境條件后進行了爆破數(shù)值與各參數(shù)的測算，明確了最佳爆破位置與選擇應(yīng)用的總藥量[1]。該工程的最大允許單段藥量需要根據(jù)所測算的各類參數(shù)為依據(jù)，通過計算發(fā)現(xiàn)只有超出燃氣管道與民宅90 m以上的距離才能滿足爆破要求。因此在此種情況下如若選擇應(yīng)用爆破方案將嚴重耽誤施工進度，相較于此，掘進機的開挖震動影響范圍在1 m左右，凸顯出了明顯的應(yīng)用優(yōu)勢。

1.2 對施工人員與設(shè)備所產(chǎn)生的安全影響

1.2.1 隧道開挖過程中的施工安全性

若選擇應(yīng)用掘進機對地質(zhì)結(jié)構(gòu)做切割式開挖處理，在切削巖石層時并不會對巖石產(chǎn)生擾動影響。短進尺狀態(tài)下，此時的巖石能夠確保其在支護方面的穩(wěn)定性與可靠性，無論是對于設(shè)備運行還是施工人員均有良好的保障效果。而若選擇應(yīng)用爆破方式不僅會使巖石裂隙進一步擴大，圍巖也將會受到不良影響，每次爆破完成后工作人員 均需要敲幫問頂，無法保證其安全性。

1.2.2 職業(yè)健康

炸藥是爆破作業(yè)的關(guān)鍵因素，但由于炸藥的特殊性使得其在將能量釋放以達到破壞巖石結(jié)構(gòu)目的時同時也會產(chǎn)生大量有毒有害氣體，若不對進行恰當(dāng)處理將有極大的可能造成操作者中毒[2]。一直以來爆破所產(chǎn)生有毒有害氣體的預(yù)防均是隧道挖掘的重點工作，但由于產(chǎn)生氣體的性質(zhì)與多類型因素有關(guān)，例如爆破條件、炸藥質(zhì)量等，因此想要從根本上解決這一問題不僅需要選擇應(yīng)用高質(zhì)量的炸藥，還需要培養(yǎng)一支懂得炸藥原理與足夠工作責(zé)任心的操作團隊。

相較傳統(tǒng)爆破手段掘進方式所產(chǎn)生的有害氣體量幾乎為零，即使過程中有粉塵出現(xiàn)，也可以在旋轉(zhuǎn)噴霧裝置的幫助下將塵土壓制，只需要將這一類型的機器固定在掘進機器上即可實現(xiàn)裝置的應(yīng)用目標。該類裝置通過旋轉(zhuǎn)形成一層水幕能夠?qū)⒉僮鳒蕚渑c塵土區(qū)分隔開來，在佩戴防塵口罩的情況下粉塵對人體健康危害性可以忽略不計。通過對該類機械操作人員的長期體檢跟蹤結(jié)果中可以看到，工作人員的健康指標并沒有受到多大影響。

1.3 開挖質(zhì)量影響

1.3.1 地質(zhì)原因?qū)е碌某?/p>

若選擇應(yīng)用傳統(tǒng)爆炸方式進行施工，巖石將會在受到瞬間氣體膨脹的作用而開裂繼而達到將巖石破碎的目的。以光面爆破為例，其通過事先在各個位置埋放的炸藥能夠讓各個炮眼的沖擊不斷向著其周圍擴散，產(chǎn)生的縱向拉力會將巖石結(jié)構(gòu)破壞，從而在預(yù)定設(shè)計位置處形成切割縫隙，并在炸藥余量的作用下沿著切割縫撐裂巖石。雖然這些理論聽起來較容易實現(xiàn)，但到了實踐環(huán)節(jié)想要完全保證光面爆炸的成功效果卻僅僅限定于黃崗巖與大理石，針對具有層狀分布特點的巖石結(jié)構(gòu)卻無法確保其達到預(yù)期的爆破效果[3]。該隧道工程的巖石組成結(jié)構(gòu)多為砂巖、泥巖等，整體呈現(xiàn)水平狀分布且以中厚層為主體，間隙填充物多伴隨著滲水且層間結(jié)合力較差。此種情況不利于采用光面爆破方式，極容易產(chǎn)生邊墻超挖現(xiàn)象。

1.3.2 施工工藝導(dǎo)致的超挖

對于傳統(tǒng)爆破來說，其在展開掘進工作時的首要工作就是鉆孔以順利推進后續(xù)施工進度。而在鉆孔環(huán)節(jié)其受到多類型因素的影響較大，例如煤電鉆、手風(fēng)鉆以及鑿巖臺車等，這些機械設(shè)備由于想要達到其預(yù)期效果的關(guān)鍵在于驅(qū)動裝置，若直直地沿著預(yù)定位置插入將無法保證其與開挖線條完全重合，要求必須呈現(xiàn)出一定的外插角度。一般來說，部分小型的鉆孔機應(yīng)事先將外側(cè)外留寬度控制在5 cm以上，而大型設(shè)備更需要外留10—15 cm才能保證應(yīng)用效果?？偨Y(jié)來看，若在隧道挖掘過程中選擇應(yīng)用爆破方式，所形成的洞壁整體并不呈現(xiàn)具有規(guī)則特征的直線，而是整體呈現(xiàn)鋸齒狀，因此必須在施工環(huán)節(jié)對定額中產(chǎn)生的超挖量予以充分考慮。

若選擇在具有大斷面特征的引水隧道施工過程中展開施工過程，則該部分的超挖量的占比要較小，這一特征在小斷面處表現(xiàn)得尤為明顯。以該工程項目為例產(chǎn)生的超挖量占到了設(shè)計超量的7%，因此需求對應(yīng)的超填混凝土的量為15%，這一現(xiàn)實情況也從側(cè)面反映出了其受到施工工藝的影響較大，僅僅此一項就意味著該類項目要多出近700萬元的施工成本。而若選擇應(yīng)用掘進機進行施工，由于掘進機的特殊性使得其開挖環(huán)節(jié)的標量確認是由五臺激光指向儀共同決定的，在該種方式的引導(dǎo)下使得超挖量控制效果較好，能夠?qū)⑵湎拗圃?厘米的范圍內(nèi)，相較傳統(tǒng)爆破方式突顯出了諸多的應(yīng)用優(yōu)勢。

1.4 施工時間影響

隨著科學(xué)技術(shù)的更新與進步，人們的生活質(zhì)量相較以往也有了不同程度的提升，這也使得人們逐漸形成了保護周邊生態(tài)環(huán)境的意識，對環(huán)境質(zhì)量自然也就有了更高的要求[4]。在此種條件下，作為地方政府也為其出臺了與居民生活質(zhì)量保護相關(guān)的各類文件，以滿足人們的對生活環(huán)境的質(zhì)量要求。例如，在夜間不允許進行爆破施工，尤其是在施工地點距離學(xué)校與居民區(qū)較近的情況下還應(yīng)對爆破的時間段進行限制，這使得此種情況下的爆破作業(yè)的需求條件較為繁雜。而掘進機卻由于產(chǎn)生的噪聲始終能夠控制在標準范圍內(nèi)，并不會受到這些條件的限制，技術(shù)應(yīng)用起來較為自由，凸顯出了諸多的應(yīng)用優(yōu)勢。

2.掘進機在隧道施工過程中表現(xiàn)出的不足之處

掘進機技術(shù)在科學(xué)技術(shù)日新月異的發(fā)展條件下獲得了進一步完善的重要機遇，無論是應(yīng)用的難易程度還是配套裝備水平相較以往具有不同程度的提升。但其在應(yīng)用于部分特殊結(jié)構(gòu)時，例如城門洞型的引水隧洞仍然表現(xiàn)出了較多的不足之處。

2.1 隧洞底腳欠挖

對于掘進機來說，其切割頭的直徑為40 cm，因此在將其應(yīng)用于城門洞型引水隧洞開挖環(huán)節(jié)后，此時其兩個底腳處將會形成一定范圍的圓形欠挖部分，此部分的欠挖處若在對其進行處理時選擇應(yīng)用風(fēng)鎬或其他傳統(tǒng)方式，不僅需求的時間較多且過程需要耗費大量人力物力，所產(chǎn)生的影響是巨大的；而若選擇在支護任務(wù)完成后的出渣環(huán)節(jié)對該現(xiàn)象進行處理，則無法在處理過程中保證操作人員的人身安全[5]。正因如此，作為施工方聯(lián)系了工程所在區(qū)域的實際環(huán)境條件與具體的建設(shè)要求，確定了底板開挖后沿著底腳貼洞壁的位置繼續(xù)向下開挖20 cm的處理方案，這樣就從根本上解決了欠挖問題，在問題解決后形成了位于該位置旁側(cè)的排水溝。但需要特別注意的是，該類型的應(yīng)用方案對于隧道中直徑在3 m以下的孔洞并不適用，且所形成的排水溝由于并沒有被納入預(yù)期的設(shè)計計劃中，極有可能在形成后影響正常的通車狀態(tài)，車輛的運行安全也將會同時受到影響，因此該類問題的具體解決方案仍處于完善狀態(tài)。解決方案的示意圖如圖1所示。

圖1 欠挖解決方案示意圖

2.2 開挖棄渣充當(dāng)結(jié)構(gòu)填筑材料的問題

對于引水工程來說，想要保證工程建設(shè)效果，關(guān)鍵在于隧道開挖所形成的棄渣能夠符合填方的填筑需求。需要注意的是，在掘進機的施工過程中，挖渣級配環(huán)節(jié)卻仍與填筑料的標準要求存在一定距離。而導(dǎo)致出現(xiàn)此種現(xiàn)象的主要原因是在掘進機的開挖環(huán)節(jié)，所采用的切割巖石的主要手段為截齒切割方式，截齒本身的長度較短使得經(jīng)過該種手段切割后的巖石已經(jīng)呈現(xiàn)粉末性狀[6]。為從根本上將這一問題解決，作為施工方應(yīng)與廠家一起進行研究，替換長度更長的截齒以滿足對石渣的級配要求[7，8]。但需要注意的是，由于截齒的特殊性使得其不能被沒有限制的加長，且需要聯(lián)系巖石的實際強度與對工程的具體要求進行試驗，方可確定最終的截齒長度數(shù)據(jù)[9，10]。

3.結(jié)語

綜上所述，針對隧道工程采取掘進機的挖掘方式，相較傳統(tǒng)爆破方式突顯出了諸多的應(yīng)用優(yōu)勢。隨著科學(xué)技術(shù)的更新與完善，使得掘進機也獲得了應(yīng)用范圍持續(xù)擴張的重要機遇，滿足了對工程進度與施工人員安全性保障的實際需求，為隧道工程的未來建設(shè)奠定了堅實的基礎(chǔ)。