復雜環境條件下隧洞機械施工技術研究

胡 洪 鑫，劉 金 平，劉 毓 川

(中國水利水電第十工程局有限公司，四川 都江堰 611830)

1 概 述

為了減少傳統爆破施工對周圍環境和居民生活環境的影響及破壞，掘進機等先進的機械開挖變成了隧洞開挖的主流。隨著其應用范圍的擴大和市場要求的提高，掘進機技術取得了重大突破，尤其在全巖掘進方面有了質的飛躍。

毗河供水一期工程新生水庫灌區終期灌溉面積為30.76萬畝(1hm2=15畝)，根據該灌區耕地呈單面坡分布的特點，渠線只能穿越低矮山脊并通過侵蝕地布置。該片灌區渠系工程由新生水庫(正常蓄水位高程400 m)、新安分干渠與6條支渠及已成新生水庫的左、中、右三條渠道組成。其中一期工程中的新安分干渠長溝隧洞(總長度為3 886 m)為新生灌區的關鍵線路。

長溝隧洞穿越山脊、山嘴和埡口與溝間山體，地層為白堊系上統灌口組(K2g)、下統白龍組(K1b)和蒼溪組(K1c)，侏羅系上統蓬萊鎮組(J3p)和遂寧組(J3s)地層，巖性為砂巖和粉砂質泥巖互層，除局部砂巖屬中硬巖外，其余屬軟巖～較軟巖。

經過現場實際勘察、走訪附近群眾，對該地區以往工程情況進行了解后，項目部聘請了西南交通大學專家進行了咨詢，決定采用掘進機進行機械性開挖施工。

2 掘進機在開挖過程中具有的優勢

2.1 爆破震動影響

該工程引水隧洞埋深最小為3 m，不足一個洞徑，最大埋深30多m，平均埋深基本為20 m左右，屬淺埋式隧洞。地表多為柏樹林覆蓋，綠化效果好。隧洞軸線附近居民集中，隧洞從19戶居民住宅、3座魚塘下部穿過，魚塘底部距離洞頂的厚度僅為8 m。同時，距離洞頂14 m位置有一根D813天然氣管道穿越該隧洞。

在如此環境中，傳統的爆破方式控制震動極為復雜，居民的土坯房難免在受到震動后會出現開裂等現象。針對這種情況，項目部根據現場土坯房、燃氣管道等相關建筑物距離進行了爆破計算分析，計算結果如下：

(1)公式的確定。

根據《爆破安全規程》 (GB6722-2014)P42中13.2.4(1)式R=(K/V)1/aQ1/3倒推，采用公式Q=R3/(K/V)3/a進行 計算。式中Q為炸藥量，齊發爆破為總藥量，延時爆破為最大單段藥量，kg；R為爆破振動安全允許距離，m；K，a為與爆破點至保護對象間的地形、地質條件有關的系數和衰減系數，應通過現場試驗確定；無現場試驗數據的條件下，可參考表1選??；V為保護對象所在地安全允許質點振速，cm/s[1]。

(2)參數的選取。

K，a：根據現場實際情況，因巖石強度較高，經所測試驗數據判定(表2)巖石巖性屬于“中硬巖石”，因此，參考表1(巖性中硬巖石)取值；同時，為進一步降低震速以保證燃氣管道、土坯房安全，取K=150 ，a=1.5。

V：由于現場房屋破舊、燃氣管道等級高，該工程參考表2取值：該隧洞保護對象按序號1“土窯洞、土坯房、毛石房屋”考慮，屬于地下淺孔爆破，頻率范圍f>50 Hz，V取值為0.9～1.5 cm/s。為進一步降低震速以保證人員財產安全，該工程采用V<0.9 cm/s控制。

(3)最大允許單段藥量計算。

根據以上公式取值，針對不同的爆破施工區域距離天然氣管道的距離計算出理論最大允許單段藥量(表3)。

由計算結果可以看出：距離土坯房和燃氣管道超過90 m后才能實施正常的爆破作業?？梢?，在保證安全的前提下，爆破作業方案基本上不能滿足正常施工進度。而掘進機機械開挖震動的影響范圍不足1 m，具有明顯的優勢。

2.2 施工噪音影響

《建筑施工場界環境噪聲排放標準》GB12523-2011明確要求：晝間不大于70 dB(A)，夜間不大于55 dB(A)。而爆破施工要控制到該標準以下必須在震源或是傳播途中采用隔音設施進行防護，防護工程量大，拆裝不便，防護投入高。采用掘進機施工噪音極低，幾乎對周邊群眾的生產生活不產生影響。

2.3 對施工人員及設備的安全影響

表2 爆破振動安全允許標準表

注：(1)爆破振動監測應同時測定質點振動相互垂直的三個分量；

(2)表中質點振動速度為三個分量中的最大值，振動頻率為主振頻率；

(3)頻率范圍根據現場實測波形確定或按如下數據選?。喉鲜冶苀小于20 Hz，露天深孔爆破f在10～60 Hz之間，露天淺孔爆破f在40～100 Hz之間；地下深孔爆破f在30～100 Hz之間，地下淺孔爆破f在60～300 Hz之間。

2.3.1 隧洞開挖施工安全

掘進機采用切割式開挖，對巖石進行切削，尤其是在裂隙較發育的巖層中，掘進機切削基本對巖石無擾動，短進尺后，巖石基本可以保證在支護前的穩定可靠狀態，對施工人員和設備運行安全都有良好的保證。

而采用傳統的爆破方式開挖會導致裂隙發育、圍巖擾動、掉塊現象嚴重，每槽炮完成后，施工人員都需要冒險進行“敲幫問頂”工作，危險性極大，加之施工人員對擾動危石的判斷僅能依靠經驗和眼觀，不能做到100%的排除。該工程附近類似引水工程就出現過兩起工人排險后危石掉落砸人的安全事故。

2.3.2 職業健康安全

眾所周知：傳統的爆破開挖炸藥是關鍵。但是，炸藥爆炸在釋放能量的同時也會產生一些有毒氣體，如果處理不當，就會使操作者中毒，危害操作者的健康和生命安全[2]。長期以來，如何避免中毒事故一直是安全生產的一大難題。因為這些有毒氣體的產生和中毒事故的發生是炸藥的質量、爆破條件、操作方法綜合作用的結果。要解決這個問題需要對以上的影響因素進行深入系統的研究，不但需要高質量的炸藥，而且要研究合理的使用方法，同時還要培養一支既有責任心，又懂炸藥爆炸原理、性能和爆破技術的復合型爆破技術人員和操作者。

表3 理論最大允許單段藥量表

(1)炸藥的有毒氣體?，F代混合炸藥主要為有機和無機的硝胺(銨)化合物、硝基化合物和各種含碳化合物，如纖維、烴類以及堿金屬和作為消焰劑的無機鹽類，如堿金屬氯化物等。此外，還有氯酸鹽炸藥和含硫炸藥。這些炸藥爆炸時，生成CO、N2O3、NO、H2S和少量的其它有害氣體[3]。

(2)產生有害氣體的原因。產生有害氣體的原因有很多種。其一，乳化炸藥的防水塑料包裝在爆炸燃燒作用下生成CO，這些可燃物起到了改變炸藥氧平衡的作用。炸藥中碳氫比的數值越大，爆炸后生成CO的量越多；其二，有時反應不完全，爆炸產物偏離所預期的結果，產生了較多的有毒氣體。

(3)有毒氣體對人體的毒害。CO經呼吸道進入肺內，通過肺泡侵入人體血液后生成血紅蛋白，由于血紅蛋白對CO的親合力比對氧的親合力大250～300倍，故人吸入CO后就會減少血液的輸氧能力，使人體的各部分組織細胞產生嚴重的缺氧現象。

NO2是呈紅褐色且有特殊氣味的氣體，對人體的毒性主要是影響人的呼吸深部。進入肺泡后，慢慢的和肺泡內飽和水作用，反應成硝酸和亞硝酸，對支氣管和肺組織產生強烈的刺激和腐蝕，致使肺水腫。它比CO的毒性大6.5倍。

另外，當NO2與CO同時存在時，毒性更強。據對爆破炮煙實測得知，往往是CO、NO2共存，所以炮煙中毒比單一的CO、NO2中毒更加嚴重。

由此可見，炸藥爆炸產生有毒有害氣體是不可避免的，其直接危害著操作者的健康和生命安全。

掘進機工作產生的有毒有害氣體幾乎為零，降塵措施采用旋轉噴霧降塵，降塵機器固定在掘進機機身上，該裝置簡單、輕便，與掘進機配套安裝使用特別方便，旋轉噴霧產生水幕，將粉塵和操作人員隔開，實測降塵效果高達93%；同時，操作人員佩戴“3M”高效防塵面具，該面具采用5N11濾棉+6001濾毒盒，對操作人員起到雙重防護。在對操作人員身體狀況進行兩年時間的體檢跟蹤取得的結果表明：各項指標均正常。

2.4 開挖質量影響

2.4.1 地質原因引起的超挖

傳統的爆破施工巖石受到炸藥的瞬間氣體膨脹而開裂達到破碎巖石的目的。光面爆破是周邊眼同時起爆，各炮眼的沖擊波向四周徑向傳播，相鄰炮孔的沖擊相遇產生的應力波相疊加[4]而產生縱向拉力將巖石拉裂，從而在相鄰炮孔中間形成一道“切割縫”，隨后炸藥的爆破余量沿“切割縫”將巖石分開達到光面爆破的效果。但這些理論在實踐中卻存在巨大的困難。查閱相關的資料圖片可以看出：光面爆破取得巨大成功的前提基本上都是致密的花崗巖、大理石，而在層狀分布或節理發育的巖石中取得好的光面爆破效果的少之又少。筆者對該工程中隧洞出現的層狀分布巖石進行了分析(圖1)，該項目位于川中地區，隧洞巖石基本為泥巖、砂巖、粉砂質泥巖、黏土等，水平狀分層，且以中厚層為主，經過地震等自然影響，部分層間夾有新鮮的填充物并伴隨著滲水，層間結合力差。每個掌子面分布有十多條明顯的巖層界線，這種情況下，光面爆破存在很大的障礙：當兩個周邊孔跨越巖層分界線時，理論上的最小抵抗線就會根據實際情況發生改變，從而導致邊墻超挖，嚴重的部位超挖達20 cm(圖2、3、4)。

2.4.2 施工工藝引起的超挖

傳統爆破掘進開挖中的第一項工作是鉆孔施工，鉆孔受手風鉆、煤電鉆、鑿巖臺車等機械設備驅動裝置的影響，鉆桿不能完全和開挖線重合，必須有一定的外插角度，一般而言，小型鉆孔機具外側預留寬度為5 cm以上，大型設備的預留寬度為10～15 cm， 故傳統爆破開挖后的隧洞成型并不是規則的直線型洞壁，而是鋸齒狀，這也是施工過程中各方經常提到的定額中考慮了部分超挖量(圖5)的緣故。

圖1 隧洞巖層分布及炮眼布置圖

圖2 周邊孔和巖層界線關系圖

圖3 理論爆破后的效果圖

在大斷面引水隧洞施工過程中，該部分超挖量的占比相對較小，而在小斷面引水隧洞開挖中其占比尤為明顯。在該項目中，該部分的超挖量占到了設計超挖量的7.14%，超填混凝土占到了設計混凝土的15.78%，因此，傳統的爆破開挖方式受工藝的影響巨大，僅此一項，該項目就多出了近700萬元的投入。

圖4 實際爆破后的效果圖

圖5 爆破隧洞鉆孔平面圖

而采用掘進機開挖，在五臺激光指向儀的引導下，超挖幾乎可以控制在1 cm以內，其優勢顯而易見。

2.5 施工時間的影響

進入二十一世紀以來，隨著生活質量的改善，人們對生活環境有了更高的要求，地方政府也出臺了相應的保護居民生活質量的文件，例如，要求居民集中區或學校附近不允許在夜間進行爆破施工；高速路等專項設施附近也有明確的不允許進行爆破作業的要求，導致傳統的爆破作業方式受到的限制比較大。該項目在夜間9∶00至早晨6∶00之間不允許爆破作業。而掘進機的開挖不受這些外部條件的影響，優勢明顯。

3 掘進機施工存在的不足

雖然掘進機技術在不斷發展、裝備水平也在大幅度提升，但對于城門洞型引水隧洞，其使用還存在一些不足之處。

3.1 隧洞底腳欠挖問題

由于掘進機的切割頭直徑達40 cm，所以，在城門洞型引水隧洞開挖過程中，兩個底腳會形成圓形欠挖部分，該部分欠挖如在支護前采用風鎬或傳統鉆孔爆破方式進行處理，影響時間長且需耗費大量的人力物力，影響巨大；如在支護后的出渣過程中處理，操作人員的安全得不到保障。最后，項目部根據現場情況決定，在底板開挖過程中，兩個底腳緊貼洞壁再向下下刀開挖20 cm，兩側欠挖的問題即得到解決，同時也形成了兩側的排水溝。但該方案在洞徑小于3 m的隧洞中不適用，在其兩側開挖水溝后將會影響同行車輛的運行安全。因此，對于洞徑小于3 m的隧洞欠挖問題還有待進一步研究(圖6)。

3.2 將開挖棄渣作為填筑料問題

圖6 隧洞欠挖及排水溝典型平面圖

引水工程需要考慮土石平衡問題。隧洞的開挖棄渣需用于填方渠道的填筑。但是，掘進機開挖棄渣級配達不到填筑料規范要求，究其原因主要是掘進機開挖采用截齒切割巖石，因截齒長度太小，所切割的巖石料成粉狀。為了解決該問題，項目部與廠家一起進行了研究，將原來的U95HDLR(88 mm)截齒換成了U92HDLR(102 mm)截齒，長度上的增加，石渣的級配有了明顯的改善，但是截齒不能無限制的加長，施工過程中還要根據巖石的強度以及填筑環境并結合實際情況進行試驗確定。

4 結 語

小斷面引水隧洞推廣應用懸臂式掘進機，其技術成熟，經濟合理。隨著全巖掘進機的推出，掘進機在硬巖隧洞掘進方面也有了重大突破，掘進機技術的發展體現了計算機、新材料、自動化、信息化、系統科學等高新技術的綜合和密集，也反映出了一個國家的綜合國力和科技水平[5]。

毗河供水一期項目經歷了由半巖的采煤型掘進機到全巖型工程掘進機的發展過程，雖然經歷很艱辛，各個廠家的試驗人員經過多種嘗試，最終形成了今天的全巖掘進機，截止目前，全巖掘進機在施工過程中保證了工程進度，超欠挖控制滿足設計要求，尤其是安全得到了強有力的保障。