復雜洞外環境下隧道施工技術探討

張立云,羅 利,唐開陽,龔國強

(中國五冶集團有限公司，四川成都 610066)

1 工程概況

老龍山隧道為四川省道205線綿陽繞城段改線建設工程(游仙區段)的控制性工程，位于綿陽市游仙區游仙鎮老龍山風景區，為一座上、下行分離的四車道一級公路長隧道，隧道左、右線分別長1 205 m，隧道進出口左右洞洞口間距離較近，距離最近處凈距為9 m，屬于小凈距隧道，出口左、右線均采用削竹式洞門。隧道最大埋深約80 m，以泥質粉砂巖夾粉砂質泥巖和中砂巖為主，巖體一般較完整，但強度較低，為極軟巖—軟巖，隧道洞口段圍巖級別以Ⅴ級為主，隧道中部以Ⅳ級為主，抗風化能力差，長期暴露和浸水易風化、軟化，自身穩定性差。隧址區地下水類型主要有松散巖孔隙水、基巖風化裂隙水和基巖構造裂隙水。隧址區抗震設防烈度為Ⅶ度，地震動峰值加速度值為0.10g，地震反應譜特征周期0.40 s。

2 隧道洞外環境調查

老龍山隧道穿越老龍山風景區，隧道上方有大量的民居、農家樂、食品廠以及道路、燃氣管道、魚塘、水池等設施，隧道出口位于綿陽市游仙區城區，隧道附近有精密電子廠、糧庫、住宅、廠房、高速公路等重要設施，隧道洞外建設環境非常復雜，相關設施對工程建設的要求高(圖1)。

圖1 老龍山隧道洞外環境

(1)老龍山風景區占地面積約100 ha，現有餐飲、娛樂、會議、住宿、釣魚、品茶、棋牌、卡拉OK、體育健身為一體的綜合性大眾休閑山莊五十余家，家禽、家畜、水產、養殖、旅游、食品生產企業二十余家，是綿陽城市近郊最大的生態觀光農業開放式公園。

(2)隧道周邊1 000 m范圍內還有城市住宅區、精密電子廠、國家儲備糧庫、高速公路以及大量工廠等。

3 風險分析及開挖方案選定

暗挖隧道的施工開挖方法主要有鉆爆法與機械法,機械法有TBM掘進機法、銑挖法以及單臂掘進機開挖法等,其中銑挖法是近年來興起的一種施工方法,應用于隧道開挖以及修整輪廓、洞室、橫洞開挖等,特別適合不宜爆破施工的軟弱圍巖地段。

老龍山隧道洞外環境復雜，施工要求高，特別是傳統的鉆爆法由于爆破施工產生的震動可能會對對周邊建筑、廠房、科研院所等造成重大影響。同時，老龍山隧道兩端洞口屬于小凈距淺埋隧道，爆破極易引起塌方、地表沉降、先行洞襯砌開裂、剝落現象，具有較大施工風險。因此，綜合考慮隧道洞內外環境、地質條件、施工風險、工期要求、建設成本等因素，選定機械銑挖法開挖。

老龍山隧道投入四臺徐工EBZ260型掘進機進行洞身開挖。(隧道小凈距段左洞洞口Ⅴ級圍巖采用預留核心土法，右洞洞口Ⅴ級圍巖采用單側壁導坑法，采用挖掘機配合掘進機開挖)。EBZ260型掘進機為當時國內使用的同類最大機型，整機重量為120 t，整機功率595 kW，掘進機為全電動機械，額定輸入電壓1 140 V，經濟切割圍巖抗壓強度不大于100 MPa(根據實踐情況，能夠切割圍巖強度能超過100 MPa，只是耗材相對較大)，根據現場的情況，一般圍巖情況下生產率約4 m3/min。掘進機為全液壓動力，履帶行走，機型小巧靈活，可以進行任意形狀斷面的施工。掘進機主要部分為切割掘進裝置(包括切割頭，截齒，切割臂，變速箱，切割電機)，裝料出渣裝置(包括鏟板，星輪，輸送刮板)，行走裝置，噴霧吸塵降塵裝置和機身。工作時，通過切割臂擺動，強力轉動的切割頭截齒切割圍巖，完成圍巖的開挖。切割下的石渣掉落下后，掘進機前方下部的鏟板接住石渣，通過星輪收集到機器中部的輸送帶，然后輸送帶把石渣傳輸到機器后面的出渣車輛上，從而完成開挖和裝渣工作(圖2、表1)。

圖2 徐工EBZ260型掘進機

表1 掘進機技術參數

4 掘進機銑挖施工技術的優缺點

4.1 掘進機銑挖施工的優點

(1)減小了對圍巖的擾動，避免由于爆破振動而造成的巖石強度降低，巖石結構松動，巖石結構局部破裂等不利情況。

(2)減少施工機械設備和勞動力的投入，有效防止意外事件造成群死群傷事故。

(3)最大限度減小對圍巖自穩能力的破壞，不易造成大面積變形及局部塌方。

(4)便于控制超欠挖，實現隧道輪廓的精確成型，節約由于超挖而浪費，初噴質量有保證。

(5)開挖對周邊巖體和建筑物振動小，不使用炸藥。

(6)可選擇的銑挖機快速換裝系統，可在 30 s之內實現挖斗與銑挖機的更換，突破以鉆孔爆破的循環施工方式，實現連續作業。

4.2 掘進機銑挖施工的缺點

(1)對于圍巖強度較高的隧道，開挖效率低或無法開挖。

(2)電力驅動的掘進機采用高壓供電，需全力做好用電安全。

(3)開挖過程中粉塵較多。

5 機械掘進過程中的高壓用電管理

本工程所用的掘進機采用的是全電動動力裝置，需用1 140 V的電源，需要使用特種變壓器為其供電，而且進洞電纜為1 140 V的 高壓電，針對此情況有以下保障措施：

(1)作為掘進機本身有多重的漏電保護裝置，防止機械運行過程中由于漏電發生意外。

(2)洞口設置安全保護裝置(漏電保護裝置)，漏電后能自動跳閘斷電。

(3)雙鎧甲膠皮電纜，防止機械意外碰撞、擦掛損壞漏電。

(4)電纜掛設在洞內邊墻適當位置，掛設支架按相關電力安裝規范要求進行，電纜線每3 m外貼反光標識，洞內在燈光照射下能夠反光，明顯醒目。

(5)安排專職電工每天三次對電纜進行巡視檢查，及時發現問題，解決問題，消除隱患。

(6)進洞的機械設備車輛，安排專人進行指揮，車輛掉頭倒車前后觀察指揮，防止車輛碰撞到設備電纜。

(7)進洞人員勞動防護配備橡膠絕緣筒靴，防止漏電，非專職電工和專職設備操作人員不得觸摸高壓電纜和高壓設備。

6 基于銑挖法掘進的降塵控制措施

隧道銑挖法掘進時，機械將巖體進行破碎切割，產生大量粉塵，作業環境極其惡劣，如果及時處理，對隧道作業人員和施工機械均有較大傷害，同時存在一定安全隱患，既不滿足對文明施工的要求，也不符合對作業人員的職業健康保護。

常見隧道降塵方式一般通過對隧道機械通風來降低粉塵濃度。通風機降塵存在的不足：

(1)雖然掌子面粉塵濃度有所降低，但整個隧道都將充滿粉塵，能見度低，文明施工差，存在安全隱患。

(2)工作效率低，能耗高，隨著隧道掘進長度增加除塵效果越來越差，導致粉塵落在鄰近的隧道段或者其他施工設備上面，影響運輸、襯砌等設備操作，易產生二次污染，造成除塵不徹底，施工現場混亂等。

針對銑挖法開挖產生的粉塵都集中在掌子面位置的特點，研究的降塵裝置通過將隧道內的粉塵通過風機抽排至防塵箱內，在箱體內通過水霧多次捕捉空氣中的粉塵，達到粉塵的高捕獲率，并通過在箱體頂部設置多層防塵網，大大改善了掌子面的施工環境，減少了粉塵在捕捉過程中對大氣的污染，便攜高效的解決了隧道銑挖除塵的問題。

箱式隧道水幕降塵裝置，包括降塵箱和抽風機，所述降塵箱和抽風機之間通過風管連接，抽風機可將含塵空氣通過風管送入到降塵箱內；降塵箱內設置有噴頭，通過噴水捕獲含塵空氣中粉塵。

箱式隧道水幕降塵裝置工作時，抽風機置于隧道掌子面，降塵箱位于隧道口外或位于掌子面后的隧道段內。抽風機和降塵箱之間的距離超過20 m。降塵箱為封閉式結構，并設置有進風口和出風口，降塵箱的內壁四周間隔的設置有若干水霧噴頭。進風口和出風口分別位于相對的兩端板上，水霧噴頭沿著降塵箱的內壁設置有2層以上。箱式隧道水幕降塵裝置降塵箱的進風口設置在端板的下部，并位于底層水霧噴頭之下；出風口位于對側端板的頂部。箱式隧道水幕降塵裝置降塵箱還包括排水管，所述排水管的進口位于降塵箱泥位之上，并位于進氣口的底部之下。降塵箱的底板設有從進氣端朝向出氣端的斜度，在進氣端的端板底部設置有一排朝向出氣端的清除污泥用的清污噴頭；底板的出氣端設置有排污管，用于排除沉淀污泥。兩側板交錯的設置有隔板，使得空氣從進氣端到出去端形成迂回的氣道，隔板的底端與降塵箱的底板之間設有間隙。風管為柔性風管，并間隔的通過固定件固定在隧道壁上(圖3、圖4)。

圖3 降塵裝置使用狀態示意

圖4 降塵裝置現場應用

采用箱式隧道水幕降塵裝置，具有結構簡單，穩定可靠，可操作性強，處理方法簡單、快捷等優點；可直接從源頭控制粉塵，徹底避免了整個隧道的揚塵問題。

7 經濟效益和社會效益

老龍山隧道作為省道205線綿陽繞城段改線建設工程(游仙區段)中重要的節點工程，雙向四車道，分離式隧道，單洞長度為1 205 m，總長2 410 m。傳統爆破法與機械銑挖法施工成本區別主要體現在因超欠挖控制精度而引起的土石開挖和初期支護工程量。

傳統鉆爆法成本費用： C25噴射混凝土：2410 m(總長)×8.5 m3(平均線性超挖10cm)×1075 元/m3=2202.14萬元；土石開挖量：2410 m(總長)×102.8 m2(斷面面積)×133 元/m3=3295.05萬元；機械銑挖法成本費用： C25噴射混凝土：2410 m(總長)×3.9 m3(平均超挖量，線性超挖2cm)×1075 元/m3=1010.39萬元；土石開挖量：2410 m(總長)×99.2 m2(斷面面積)×187元/m3=4470.65萬元。經濟效益：(2202.14+3295.05)-(1010.39+4470.65)=16.15萬元。

采用兩種開挖方法其經濟成本相當，機械銑挖法在減少爆破振動和炸藥管理、保護巖體自穩能力、減少地表沉降和塌方概率、保證初期支護質量、降低噪音以及工期保障等方面顯現出了較大優勢。

8 結論

近年來，隨著城市開發和基礎設施建設的加快推進，城市周邊的暗挖隧道工程越來越多，洞外環境的復雜性和對工程施工要求也越來越高。本文結合老龍山隧道的施工過程，在實踐中總結了洞外復雜環境下隧道施工過程中的環境調查、風險分析、應對方案和實施效果。根據本文的成果，得出以下結論：

(1)隧道施工前需對周邊環境進行認真的調查分析，充分識別工程施工可能對周邊環境及設施造成的影響風險，避免造成嚴重后果以及引起不必要的糾紛。

(2)全電動動力驅動的高壓掘金機械應充分做好電力保護保障措施，避免發生安全事故。

(3)對于軟弱圍巖隧道開挖，采用機械銑挖施工在保障施工安全和工程質量、加快工程進度、環境保護、降低周邊建筑物影響方面具有很大優勢。

(4)工程建設應牢牢樹立“以人為本”的觀念，認真對待“環?！边@個大問題，高度重視參建人員的身心健康，做好環保不一定要花大代價，一個小小的發明運用可能就會解決問題。