石质软岩隧道悬臂掘进法开挖与传统钻爆法开挖的工效对比及适用性分析

石质软岩隧道悬臂掘进法开挖与传统钻爆法开挖的工效对比及适用性分析

荣禹涵

中铁隧道集团二处有限公司  河北省三河市  065201

摘 要：为了软弱破碎的石质软岩隧道开挖的成本和隧道施工安全风险，结合兰合铁路王格尔塘隧道出口在石质软岩中采用悬臂掘机进行开挖的施工技术，开挖采用非爆破手段，对松散围岩施工可以减少超挖，避免塌方等情况发生。在工效上，若在适宜围岩强度的石质软岩隧道可以提高施工效率，加快施工进度，降低工程成本，为类似工程施工的成本管理和安全管控提供借鉴。

关键词：石质软岩隧道；悬臂掘进法；传统钻爆法；成本；进度；安全；工效对比

0引言

随着我国经济高速发展，国内城市化进程快速推进，铁路建设规模逐年增加。在铁路建设过程中，所面临的地质条件日益复杂。在铁路大断面暗挖隧道施工中，常用的钻爆开挖方法无法有效满足石质软岩隧道的控制要求，在复杂的软弱破碎围岩下可能导致出现较大变形甚至坍塌，且无法很好地控制超欠挖，引发安全事故及经济损失。同时传统钻爆法存在效率低、劳动强度大等问题。

为解决铁路双线隧道石质软岩施工的超挖控制困难、施工效率低、安全风险高等问题，通过现场探测、现场试验、工程应用、新设备的应用等，在本文以兰合铁路王格尔塘隧道出口采用悬臂掘进机施工工法为例，简述大断面铁路暗挖隧道悬臂掘进机施工工法，详细进行了悬臂掘进法开挖与传统钻爆法开挖的对比分析。

1工程概况

新建兰州至合作铁路全线位于甘肃省境内，行经兰州市、临夏回族自治州和甘南藏族自治州，地处甘肃南部黄土高原与青藏高原的过渡地带。线路全长183.7km。

王格尔塘隧道为单洞双线隧道，全长7833m，起讫里程：DK131+519～DK139+352。出口位于汪塘村，隧址区位于大夏河中山峡谷区，地形起伏大，地势高陡。地面高程介于2430m～3087m，最大埋深约550m。

王格尔塘隧道出口地处黄土高原与青藏高原的过渡地带，经过秦岭褶皱系一级大地构造单元，处于中山峡谷区，根据现场地质调查、物探，结合区域地质与钻孔，王格尔塘涉及地层主要为：第四系全新统洪积细角砾土、粗角砾土，坡积细角砾土；第四系上更新统风积砂质黄土，冲积砂质黄土、细角砾土、粗圆砾土、基岩二叠系下统毛毛隆组1段板岩、2段泥质板岩、二叠系上统毛毛隆组3段板岩；王格尔塘隧道出口穿越奈玉次断层（f4）断层的破碎带。具有湿陷性黄土、膨胀性泥岩、软岩大变形等复杂地质特征。

2施工方法选择

2.1选择原则

1）充分考虑地质条件和成本情况，确保施工安全的前提下降本增效。

2）合理设置台阶的高度和长度，充分利用空间，最大限度便于施工，采用设备快速施工，确保施工工效。

2.2施工工艺的比选

以王格尔塘隧道出口Ⅴ级围岩为例（洞口491m），设计为Vswb-1和Vswa-1衬砌类型。

表1  衬砌类型支护参数表

1）传统的施工方法为掌子面采用三台阶法爆破施工，双线铁路隧道断面较大，且王格尔塘隧道出口主要以板岩、泥质板岩为主，具有膨胀岩、软岩大变形等特性，洞口491m均为V级围岩，以薄层状为主，泥质胶结，节理裂隙发育，岩体破碎，局部岩体极破碎，呈碎石状松散结构，部分呈土状，岩质软硬不均。采用传统钻爆法不利于控制隧道超挖，且在安全上存在控制冒顶、溜坍等风险。

2）本项目采用的CTR300A悬臂式掘进机是一种隧道掘采设备，集截割、装载、运输、行走于一体。悬臂掘进机低振动、低噪音的特性，可在石质软岩的地质条件下有效的替代爆破施工。在安全管理方面，对松散围岩施工可以减少超挖，避免塌方等情况发生；在现场组织方面，一是减少开挖施工人员，二是减少爆破作业可能造成的欠挖处理工序以及找顶工序，有效节约工序时间。

综合考虑现场施工组织资源配置和地质情况，经反复研究，在王格尔塘出口V级围岩段落现场采用“悬臂掘进法”施工技术。

3悬臂掘进法开挖和传统钻爆法开挖的工效对比

3.1人工费分析

表2  悬臂掘进法人工费统计表

对比分析：

在人工费控制方面，悬臂掘进法开挖班组共4人，在无外部因素影响的前提下人工费7.9元/m³，传统钻爆法参照我项目部劳务分包单价为32元/m³。

3.2材料费和设备费分析

表3  悬臂掘进法设备折旧费、电费、材料费、配件费统计表

表4  传统钻爆法材料费和爆破服务费统计表

对比分析：

在设备费和材料费的控制方面，悬臂掘进法含设备折旧费单方费用64元，不含折旧费单方费用12.4元，而传统钻爆法的单方费用的成本25.7元。

3.3超欠挖控制分析

表5  悬臂掘进法与传统钻爆法超挖成本对比

对比分析：

在超欠挖控制方面，在软弱破碎围岩施工条件下，悬臂掘进法平均线性超挖18.8cm，传统钻爆法平均线性超挖31.2cm。

3.4进度分析

表6  悬臂掘进机截割效率与岩石硬度对应关系

对比分析：

围岩单轴抗压强度30-40Mpa，悬臂掘进法单循环（1.6m）掘进时间1.5-2.5h（快于钻爆法）；

围岩单轴抗压强度40-60Mpa，悬臂掘进法单循环（1.6m）掘进时间3-4.2h（与钻爆法持平）；

围岩单轴抗压强度60Mpa以上，悬臂掘进法单循环（1.6m）掘进时间超过10h（远远慢于钻爆法）；

3.5综合分析

表7  悬臂掘进法成本汇总表

悬臂掘进机成本：80.81元/m³。

钻爆法成本：人工费（31.9元/m³）+火工品及服务费（25.7元/m³）+超耗混凝土费用（35.2元/m³）=92.87元/m³。

4实施效果

王格尔塘隧道出口在2023年7月至2023年3月采取悬臂掘进机施工工法以来，在使用过程中不断摸索和进步。在成本上，有效地降低了人工费、火工品费、爆破服务费，且超欠挖控制方面较同类软弱围岩地段更好，切实起到了降本增效的作用；在安全质量上，围岩拱顶下沉和水平收敛，监控量测数据正常，减少了找顶工序，节约了掌子面开挖的人员，确保了隧道施工安全。

5适用性分析

根据在王格尔塘隧道出口段施工实践和研究，得出以下结论：

1）在石质软岩隧道施工中采用悬臂掘进法，在围岩单轴抗压强度在30-40MPa时施工速度快于传统钻爆法，在围岩单轴抗压强度在40-60MPa时施工速度与传统钻爆法持平，在围岩单轴抗压强度在60MPa以上时施工速度慢于传统钻爆法。

2）在石质软岩隧道施工中采用悬臂掘进法开挖的成本远低于传统钻爆法，尤其在围岩单轴抗压强度在30-40MPa。

3）使用悬臂掘进法开挖降低了安全风险，减少了掌子面施工人员数量，减少了处理欠挖和找顶的施工工序，可以防止重大人员事故发生，是石质软岩开挖的优秀手段。

在兰合铁路王格尔塘隧道石质软岩的施工过程中，采用悬臂掘进机施工，为施工安全和质量提供了保障，在成本上也取得了不错的成效；但是悬臂掘进机的适用性要求较高，围岩在低于30MPa和高于60MPa时均不宜使用。

本文所阐述的悬臂掘进法适用于特定强度下的石质软岩，同时根据该工法施工特性推测适用于无水的土质隧道施工，在其他围岩特性下的隧道施工中能否直接采用该工法应经现场试验及认真斟酌分析后确定。本文在双线铁路隧道悬臂掘进法和传统钻爆法的工效对比中仅参考王格尔塘隧道石质软岩中的应用，尚且存在诸多不足，需要在以后的工程中不断完善。

参考文献：

[1] 王宁 浅析悬臂掘进机在软岩隧道开挖中的超欠挖控制[J].基层建设，2020（22）

[2] 王金喜 国外掘进机设计概述[J].山西煤炭管理干部学院学报,2007(2)