软岩隧洞开挖方法研究与分析

王明玥,李子玉

摘要：时代在不断发展，社会在不断进步，为解决传统的开挖方法在软岩隧洞扰动过大的问题，采用一种新型的开挖方法———铣挖机开挖。通过在隧洞的掌子面与传统开挖方法进行对比试验，将获得的结果与传统钻爆法、液压破碎锤法得到的相应结果进行对比分析。结果表明，铣挖机法在效率、质量、安全、进度及投资控制上都具备明显优势，解决了该类施工振动风险大的问题，为同类工程提供施工参考。

关键词：软岩;隧洞开挖;铣挖法

引言

随着西部大开发的快速推进，为满足社会经济的发展需求，高速公路、高速铁路在21世纪迅速发展起来。为了达到缩短距离以节省时间的目的，以西南地区为代表的全国大部分地区修建了大量隧道工程。随着隧道工程数量的增多，一系列工程问题频繁出现，开挖隧道进出口段时常常出现仰坡变形及破坏，类似工程问题对施工人员的人身安全造成了威胁，影响施工进度且超出项目预算，处理不好的话，对后期的运营维护、参与方新项目的投标等也造成一定的影响。

1围岩地质情况

根据地质调查及勘探显示，隧址区范围内主要地层为第四系坡残积层（粉质黏土、碎石）、古生代变质地层，围岩多为片岩，灰黑、灰绿、灰黄色。主要由云母、石英及长石等矿物碎屑组成，细粒变晶结构，片理构造，岩质较软，局部地段因层间挤压、地下水等因素影响形成岩质相对更软的软弱夹层，厚3-9米不等。节理裂隙发育，岩体呈碎裂状散体结构或块状镶嵌结构，片理倾角在40～50°之间，发育一组优势裂隙，倾角近垂直，隙面呈锯齿状，延伸长度0.3～1.5m，密度5～10条/m。

2软岩隧洞开挖方法研究与分析

2.1确定隧洞掘进工艺

经实地考察、调研，认为采用掘进机掘进作为项目部首选的隧洞开挖施工设备，以掘进机掘进取代挖掘机和常规的钻爆法施工工艺。将考察情况及该项目今后隧洞开挖施工方案报公司领导决策，经专家组分析研究，决定使用1台掘进机用于本标段隧洞开挖施工。

2.2开挖施工工艺

开挖过程中各台阶开挖与支护沿隧道方向错开，同步作业，开挖完成后即刻初喷4cm混凝土封闭工作面。开挖施工工艺如下：测量放样→超前支护→上台阶弧形断面开挖支护→作业面检查→中台阶开挖支护（两侧错开，可同时开挖）→下台阶开挖支护（分别开挖）→分段开挖隧底→仰拱施作。上、中、下台阶开挖过程中对稳定状态评估，若出现不稳定状态，及时停止上台阶开挖，对已完成段落进行加固，调整支护参数后再继续进行施工。a.上台阶弧形断面开挖：本段围岩钢拱架设计间距80cm，每循环开挖1榀，可根据围岩掉块情况适当缩短开挖长度，减小拱架间距。预留核心土长度宜为4～5m，宽度宜为开挖宽度1/3～1/2。开挖以机械开挖（单钩）为主，两侧拱脚辅以松动爆破的方式。两侧拱脚需进行弱爆破的，周边眼打设3～5个，间距50cm，单孔装药量根据松散程度0.5～1支（直径Φ32,单支长度30cm乳化炸药）；辅助眼打设数量、间距与周边眼相同，装药量为1～2支。b.中、下台阶开挖：由于软岩隧道围岩破碎，且结合较差，中、下台阶以机械开挖为主，若存在孤石或较硬夹层时，采取弱爆破的方式，遵循“小间距、少装药”的原则（可隔孔装药）。开挖循环进尺保持与上台阶弧形断面相同。开挖时利用机械将上台阶拱脚挖出20～30cm，以确保钢拱架连接质量。c.隧底开挖：两侧下台阶开挖完成后2～3m后，及时进行隧底开挖并封闭成环。

2.3积累了施工经验

该标段为引洮供水二期施工标段中首次选用掘进机开挖隧洞的项目;掘进机用于隧洞开挖，在我公司及黄土高原地区的隧洞项目施工中尚属首次尝试，它的成功应用为今后类似隧洞工程开挖起了抛砖引玉的作用。采用掘进机掘进隧洞，施工进度快，大大缩短了工期;掘进机为掘进、出渣一体化施工，减少了出渣设备的资金投入;能有效控制超欠挖现象，确保开挖施工质量;开挖掌子面无需施工人员，能大大降低安全风险。

2.4安全管理分析

隧洞施工中安全管理主要包括2方面的内容，一是实施过程中的安全;二是设备材料保存中的安全。经过分析，钻爆法施工首先需在施工区内选择合适的地方修建炸药库，用于存放火工材料;其次要成立爆破施工安全管理机构并配置安全管理人员，制定严格的安全管理制度，爆破员要到专业机构进行培训后持证上岗;最后在具体的施工过程中火工品的运输、现场装药、起爆、排险等环节相关工作人员必须遵照行业规范和程序一丝不差地完成相应工作。采用爆破施工时还会产生大量的CO、NO、CO2等废气和粉尘，掌子面通风排烟用时较长且不能完全排除，现场安全管理风险大;液压爆破法施工安全管理工作主要为施工现场用电和设备维护管理，安全管理人员需做好各工作面供、配电设施的安全检查，及时要求专业电工消除用电隐患。但破碎锤开挖，破碎锤及装载机均为油动设备，在小断面隧洞开挖超过200m后设备产生的有害气体排除困难，存在安全风险;铣挖机开挖的安全管理工作和液压爆破法施工相同，但采用电力驱动且配置了喷雾降尘装置后，开挖时产生的烟尘会明显变少，铣挖机工作时为开挖斗齿对岩体进行削切产生的噪音低，风险较小。

2.5开挖过程模拟及支护结构实现

预应力锚索通过外部建模软件批量建立导出dxf文件，再导入模拟软件中，利用软件中的Cable单元模拟，segments命令进行单元分割。锚索分为自由段和锚固段，模拟中预应力施加在自由段，预应力段施加范围由结构单元的CID编号控制。同样，先外部建立格构梁，然后再导入，并赋予材料参数。用Beam单元来模拟，通过控制单元的最大长度（maximum-length）对格构梁进行分割，对齐锚索的节点，便于结构单元间连接。格构梁基础需要嵌入岩体，根据工程经验嵌入深度取0.5m。

2.6掘进效率分析

传统的钻爆法施工工序为机械造孔、装药、通风排烟、机械出渣，每个开挖循环因围岩特性进尺为1.5～2m，日掘进进尺约为3～4m，月平均掘进进尺为90～120m;液压破碎锤开挖工序为挖掘机液压系统驱动钎杆破碎岩石，装载机出渣，日掘进进尺约为3～5m，月平均掘进进尺为90～150m;铣挖机开挖对围岩扰动小且掘进与出渣同步，每个开挖循环控制在4～6m，月平均掘进进尺可达到120～180m，在提高施工效率方面效果明显。

结语

软岩隧道围岩差且地质变化速度快，各施工工序严格按照规范及设计要求管控。根据施工效果和监控量测结果，选择合适的支护参数，能够有效提高施工效率、预防坍塌、确保工程质量与施工安全、促进施工进度。

参考文献

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