淺談隧道軟弱圍巖銑挖掘進(jìn)工藝的應(yīng)用

中圖分類號 U455 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 2096-8949（2025）08-0137-03

0 引言

國家交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)正逐步從平原地區(qū)向山嶺地區(qū)擴(kuò)展，這一轉(zhuǎn)變對工程技術(shù)和施工管理提出了更高的要求。在山區(qū)隧道的建設(shè)過程中，地質(zhì)情況的復(fù)雜性尤為突出，普遍存在的泥巖、膏巖、煤層、角礫巖等軟弱層，構(gòu)成了隧道施工中的重大挑戰(zhàn)。這些軟弱圍巖若處理不當(dāng)，極易導(dǎo)致隧道超挖嚴(yán)重、初期支護(hù)空腔、襯砌變形開裂等問題，甚至可能引發(fā)拱頂坍塌和隧道塌方等嚴(yán)重事故。因此，如何安全有效地穿越軟弱圍巖，一直是山嶺地區(qū)隧道施工管理中的重難點(diǎn)問題。

傳統(tǒng)的隧道開挖方法，主要依賴于新奧法的原理，通過光面爆破技術(shù)來減少對圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的擾動(dòng)，控制超欠挖情況，最大限度地保護(hù)圍巖的完整性，并利用巖體自身的承載力來構(gòu)建整體的支護(hù)體系。然而，軟弱圍巖通常具有節(jié)理裂隙發(fā)育、巖質(zhì)軟弱、結(jié)構(gòu)破碎以及遇水軟化膨脹等特點(diǎn)，在這些軟弱層中，采用傳統(tǒng)的鉆爆法施工極易導(dǎo)致巖體結(jié)構(gòu)松動(dòng)、超挖、掉塊、變形、坍塌等問題，存在嚴(yán)重的安全質(zhì)量隱患，同時(shí)也無法確保工程的生產(chǎn)進(jìn)度。

針對這一挑戰(zhàn)，該文依托仁沐新高速五指山特長隧道，結(jié)合隧道穿越巖溶角礫巖段和石膏段的工程實(shí)踐，研究總結(jié)出一套創(chuàng)新的隧道軟弱圍巖免爆破機(jī)械開挖施工工藝。該工藝通過采用挖掘機(jī)裝配銑挖頭和破碎錘的配套使用，實(shí)現(xiàn)了對軟弱圍巖段隧道的快速開挖掘進(jìn)。此方法不僅顯著減少了對圍巖的擾動(dòng)，最大限度地保障了施工安全，同時(shí)也有效避免了超欠挖現(xiàn)象，極大地提高了生產(chǎn)效率。這種創(chuàng)新的施工工藝，為山嶺地區(qū)隧道工程的建設(shè)提供了寶貴的技術(shù)支持和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

1" 工藝原理和特點(diǎn)

1.1 工藝原理

完成上循環(huán)初期支護(hù)作業(yè)之后，施工現(xiàn)場的操作人員將配備有先進(jìn)液壓系統(tǒng)的挖掘機(jī)調(diào)度至隧道開挖面附近。利用該挖掘機(jī)配備的液壓系統(tǒng)回路，操作人員將銑挖頭安裝至機(jī)械臂的端頭，為接下來的開挖作業(yè)做好充分準(zhǔn)備。在測量人員通過專業(yè)儀器對開挖輪廓線進(jìn)行精確測量并完成標(biāo)識工作之后，挖掘機(jī)的銑挖鉆頭被激活，開始以高速旋轉(zhuǎn)的方式進(jìn)行掌子面的切削作業(yè)。為優(yōu)化開挖順序與效率，工程中采取了一種自下而上、按照環(huán)形順序、實(shí)施左右循環(huán)、逐層擴(kuò)大的施工策略。此策略不僅確保了施工的有序性和效率，而且在掌子面中部預(yù)留的核心土體的輔助下，增強(qiáng)了整個(gè)開挖過程的穩(wěn)定性。在銑刨作業(yè)進(jìn)行的同時(shí)，施工現(xiàn)場采取了增加通風(fēng)和灑水降塵的措施，以有效控制空氣中的粉塵含量，從而保障了洞內(nèi)作業(yè)環(huán)境的質(zhì)量和作業(yè)人員的健康。當(dāng)基巖輪廓線基本形成，且開挖作業(yè)接近尾聲時(shí)，施工人員將破碎錘替換至挖掘機(jī)機(jī)械臂端頭，對局部存在欠挖或銑挖死角的位置進(jìn)行細(xì)致的振動(dòng)破碎修整。出渣作業(yè)完成后，利用銑挖頭或破碎頭對潛在的危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行了排危找頂處理，以消除安全隱患[3]。

1.2 工藝特點(diǎn)

（1）不同于傳統(tǒng)的軟巖鉆爆施工，該工藝采用機(jī)械化配套開挖掘進(jìn)可有效減少對周邊圍巖的擾動(dòng)，杜絕了因爆破振動(dòng)導(dǎo)致軟巖變形、掉塊現(xiàn)象，同時(shí)可利用機(jī)械臂銑刨和振動(dòng)沖擊破碎，根據(jù)開挖輪廓線靈活切削基巖輪廓，修整形成較為平順的初支作業(yè)界面，有效控制超欠挖，替代人工打鉆和排危工作，大大提高作業(yè)安全和施工質(zhì)量。

（2）用于挖掘機(jī)裝配的銑挖頭、破碎錘，安裝簡便，操作靈活，可依據(jù)圍巖情況和分部開挖位置選擇適宜的機(jī)械設(shè)備，實(shí)現(xiàn)快速更換和使用，同時(shí)設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)簡單、維修成本低、適應(yīng)范圍廣、實(shí)用性強(qiáng)。

（3）相較于傳統(tǒng)的鉆爆施工，由單一的機(jī)械開挖替代了布眼、打鉆、爆破、排危的作業(yè)工序，節(jié)約了隧道開挖時(shí)間；同時(shí)由機(jī)械開挖替代了傳統(tǒng)的鉆爆工藝，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化減人，節(jié)約了炸材成本，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

2 施工工藝技術(shù)要點(diǎn)

2.1 施工工藝流程

軟弱圍巖銑挖掘進(jìn)施工工藝流程如圖1所示。

銑挖掘進(jìn)開挖支護(hù)工序如圖2所示。

2.2 施工工藝操作要點(diǎn)

（1）施工準(zhǔn)備。

根據(jù)隧道軟弱圍巖特性進(jìn)行開挖方式和斷面設(shè)計(jì)，一般采用環(huán)形開挖預(yù)留核心土法施工；根據(jù)挖掘機(jī)性能大小選擇適配的銑挖頭和破碎錘，施工前做好設(shè)備的調(diào)試和試運(yùn)行工作。

銑挖和破碎過程易產(chǎn)生細(xì)小砂礫和粉塵，施工前需保障工作面最小風(fēng)速不小于 0 . 2 5 m / s 的要求。同時(shí)設(shè)置噴淋系統(tǒng)，于開挖臺車、二襯臺車及已施工二襯段落分別設(shè)置噴淋降塵噴頭，噴灑水霧除塵，保障良好作業(yè)環(huán)境。

（2）測量放樣。

采用全站儀測量路線方向和隧道開挖輪廓范圍，并做好標(biāo)識，與現(xiàn)場班組長與機(jī)手做好交底。

（3）銑挖頭安裝。

測量放樣的同時(shí)，挖掘機(jī)及時(shí)將挖斗更換為銑挖頭，并進(jìn)行調(diào)試，以確保設(shè)備安裝后有效運(yùn)行。

（4）掌子面銑刨。

銑挖頭就位后將設(shè)備移動(dòng)至工作面，根據(jù)挖掘機(jī)臂長合理調(diào)整縱深位置，履帶前端距掌子面一般不少于 3 m 保證有效作業(yè)的同時(shí)防止因掌子面掉塊導(dǎo)致設(shè)備和人員的損傷[3]。

隨后啟動(dòng)銑挖頭，通過內(nèi)部液壓馬達(dá)帶動(dòng)銑挖刀鼓高速旋轉(zhuǎn)，刀鼓上的刀齒碰撞結(jié)構(gòu)面，實(shí)現(xiàn)對巖面的切削與剝離，銑挖時(shí)先挖除預(yù)留核心土附近的巖面，核心土不進(jìn)行銑挖擾動(dòng)，隨后將銑挖頭向邊墻位置逐步靠近，左側(cè)與右側(cè)視圍巖軟弱程度先后交替進(jìn)行，完畢后再由拱墻至拱頂由下向上開挖，掌子面完成初步銑刨。

初步銑刨的輪廓邊界距掌子面開挖輪廓線保留 2 0 ～ 覆蓋層，可有效減少對圍巖周邊的擾動(dòng)，防止出現(xiàn)超挖情況。覆蓋層待下一步配合破碎錘精準(zhǔn)整修。

銑挖頭在工作時(shí)隨即啟動(dòng)噴淋系統(tǒng)，將產(chǎn)生大量的粉塵采用水霧稀釋，達(dá)到降塵的目的，同時(shí)保持現(xiàn)場良好通風(fēng)。

（5）修整輪廓線。

初步銑刨后，挖掘機(jī)退移至側(cè)壁，工作面預(yù)留的渣土由裝載機(jī)集中裝運(yùn)，為精準(zhǔn)整修提供作業(yè)面的同時(shí)同步實(shí)施出渣工序，節(jié)省工序時(shí)間。

場地清理完畢后，預(yù)留的覆蓋層采用由下向上、分層分段精準(zhǔn)整修，挖掘機(jī)可依據(jù)整修角度靈活調(diào)整設(shè)備方位。由于銑挖刀鼓不是垂直于周邊巖面，施工中存在局部死角，同時(shí)銑刨過程中可能存在局部硬質(zhì)巖面無法切削，集中采用更換破碎錘的方式進(jìn)一步破碎處理；利用液壓破碎錘的液壓能轉(zhuǎn)化成機(jī)械沖擊能，推動(dòng)釬桿破碎覆蓋層死角和硬質(zhì)巖石，對輪廓線進(jìn)一步整修[4]。

（6）復(fù)測驗(yàn)收與排危。

組織測量人員復(fù)測輪廓線，對存在局部欠挖位置進(jìn)一步破碎處治，并利用機(jī)械臂全方位排查危石，保障立架過程的作業(yè)安全。

（7）出渣。

將剩余覆蓋層渣土及破碎后掉落的石屑集中裝運(yùn)至棄渣場，隧道完成開挖、出渣、找頂?shù)淖鳂I(yè)工序，隨后立即進(jìn)行初期支護(hù)作業(yè)。

3質(zhì)量控制措施

（1）因機(jī)械臂機(jī)動(dòng)靈活，在開挖圍巖時(shí)應(yīng)注意照明和現(xiàn)場指揮，避免銑挖頭和破碎錘破壞已完成段落的初支結(jié)構(gòu)，減少二次修復(fù)。

（2）施工過程應(yīng)嚴(yán)格控制欠挖。每 內(nèi)欠挖面積不宜大于 ，欠挖的隆起量不得大于 5 0 m m 。拱腳、墻腳以上 l m 范圍內(nèi)及凈空圖折角對應(yīng)位置嚴(yán)禁欠挖[2]

（3）施工過程應(yīng)減少超挖情況，破碎巖、軟土地層平常超挖宜不大于 ，最大位置超挖應(yīng)不大于 。

（4）隧道機(jī)械開挖在完成規(guī)定的進(jìn)尺后，必須立即進(jìn)行初期支護(hù)噴射混凝土，以減少圍巖的風(fēng)化、變形。

4安全控制措施

（1）施工前應(yīng)對作業(yè)班組進(jìn)行安全教育、崗前培訓(xùn)和安全技術(shù)交底，每班施工前進(jìn)行班前五分鐘教育，確保施工人員熟知安全操作要點(diǎn)及安全防范措施。

（2）軟弱圍巖段落施工現(xiàn)場安全員、技術(shù)員需全過程監(jiān)督，技術(shù)員重點(diǎn)觀察施工過程圍巖的發(fā)育趨勢，指導(dǎo)現(xiàn)場合理調(diào)整分部開挖范圍；安全員重點(diǎn)監(jiān)督現(xiàn)場施工安全環(huán)境交叉施工機(jī)械人員安全，發(fā)現(xiàn)異常情況及時(shí)制止，防止安全風(fēng)險(xiǎn)擴(kuò)大。

（3）操作機(jī)械司機(jī)必須持證上崗，不得無證駕駛大型機(jī)械，并配置對講機(jī)，保障施工過程中的有效溝通。

5 工藝應(yīng)用情況

省仁壽至屏山新市公路項(xiàng)目LJ15合同段，標(biāo)段路線全長為 7 . 4 0 5 k m ，其中五指山特長隧道出口端為該項(xiàng)目的控制性工程，隧道左洞長 4 5 2 2 m ，右洞長 4 5 3 0 m 地層巖性主要以粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、細(xì)砂巖、煤層（線）、灰?guī)r、泥灰?guī)r、白云巖、角礫巖、石膏等。其中，巖溶角礫巖 7 8 m （ K1 3 9 + 1 0 5 ～ K1 3 9 + 0 2 7 ） ，石膏層 1 3 7 m C K 1 3 9 + 0 2 7 ～ K 1 3 9 + 8 9 0 ） ，該段落因巖質(zhì)軟弱，采用爆破施工易引起巖體崩落、坍塌，安全無法得到有效保障，爆破擾動(dòng)導(dǎo)致超挖和塌腔出現(xiàn)情況頻繁，噴射混凝土回填量大，塌腔處置周期長。經(jīng)項(xiàng)目試驗(yàn)研究，該段落采取銑挖頭和破碎錘的機(jī)械開挖方式替代人工鉆孔和爆破，工法應(yīng)用后，施工安全可靠，質(zhì)量可控，且與傳統(tǒng)的施工方法相比，施工速度更快，成本更低。

目前隧道已安全有效地穿越了角礫巖和石膏軟弱地層，施工期間得到了建設(shè)各方的一致認(rèn)可，具有顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

6 結(jié)論與展望

該文對隧道軟弱圍巖銑挖掘進(jìn)工藝的應(yīng)用進(jìn)行了研究，揭示了其在隧道施工過程中的重要性。通過對該工藝的研究，發(fā)現(xiàn)其原理具有較強(qiáng)的普遍性，不僅適用于各種地質(zhì)條件下的隧道施工，還能有效應(yīng)對軟弱圍巖所帶來的復(fù)雜性和不確定性。這一工藝的理論意義在于豐富了隧道施工的理論框架，提供了新的思路與方法，特別是在提高施工效率及安全性方面具有重要價(jià)值。

從實(shí)用價(jià)值來看，銑挖掘進(jìn)工藝大大增強(qiáng)了對軟弱圍巖的適應(yīng)能力，提升了施工的安全性和有效性，這與以往采用傳統(tǒng)挖掘方法的研究結(jié)果形成鮮明對比。傳統(tǒng)方法往往在軟弱圍巖條件下顯得力不從心，而銑挖掘法通過先進(jìn)的切削技術(shù)，能夠有效降低圍巖的破壞，減少施工過程中的風(fēng)險(xiǎn)。

然而，該研究也存在一些難以解決的問題，例如如何進(jìn)一步優(yōu)化銑挖掘機(jī)的設(shè)計(jì)以提高施工效率，或在不同地質(zhì)條件下建立更精確的適應(yīng)模型。為此，建議后續(xù)研究可以集中于以下幾個(gè)方向：首先，加強(qiáng)對隧道工程中不同圍巖條件下銑挖掘工藝效能的實(shí)證研究，以逐步完善其理論體系；其次，探索新型材料和技術(shù)在銑挖掘中的應(yīng)用，以不斷提高施工設(shè)備的性能與可靠性；最后，建立基于大數(shù)據(jù)和智能化技術(shù)的監(jiān)測與控制系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)對隧道施工全過程的監(jiān)控與優(yōu)化。

隧道軟弱圍巖銑挖掘進(jìn)工藝在提高隧道施工效率和安全性方面展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景，但仍需通過進(jìn)一步的研究與實(shí)踐探索解決現(xiàn)存的問題，以推動(dòng)該領(lǐng)域的發(fā)展。希望未來的研究者能夠在該文的基礎(chǔ)上進(jìn)一步深化對該工藝的認(rèn)識和研究，為隧道建設(shè)和交通運(yùn)輸事業(yè)的發(fā)展作出更加積極的貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

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[3]王新明.軟弱圍巖隧道銑挖與鉆爆開挖聯(lián)合施工技術(shù)研究[D].湖南：中南大學(xué)，2012.

[4]孫偉剛，王成武，陳建.兩水隧道軟巖銑挖法施工技術(shù)[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2011（2）：170-173.