城市地铁暗挖隧道掘进机开挖与钻爆法开挖对比分析

城市地铁暗挖隧道掘进机开挖与钻爆法开挖对比分析

孙俊杰王雷

中建交通建设集团有限公司北京100142

摘要：当前，城市轨道交通高速发展阶段，根据城市的地质、水文条件，浅埋暗挖隧道在地铁施工中是不可缺少的内容。施工中常规爆破开挖对周边建构筑物、管线等城市配套设施影响较大，本文针对钻爆法施工与掘进机机械开挖的基本方法、功效、资金投入、安全、质量等方面进行了对比分析。

关键词：钻爆法开挖；掘进机开挖；分析；优缺点

1工程概况

铜山副中心站～铜山新区站区间总长为1523.577双延米，共设置2个竖井，井口尺寸为6m×8m，区间为单线单道矿山法隧道，马蹄形断面，隧道围岩主要为Ⅲ级、Ⅳ级、Ⅴ级围岩，开挖尺寸主要为6500mm宽×6920mm高，隧道净空尺寸为5300mm宽×5650mm高。

区间隧道采用矿山法开挖，根据地勘报告显示，隧道主要穿越（11）2-3中风化灰岩地层，该地层包含岩性有灰岩、白云质灰岩、泥晶灰岩等，颜色灰、黄灰色，隐晶质结构，局部角砾状结构；中厚层状构造，局部薄层状构造；陡倾结构面发育，方解石填充，顺层理及结构面发育岩溶现象，岩溶发育程度中等，局部夹泥灰岩条带。另在灰岩及泥灰岩中发育的溶道、溶槽与溶穴多被硬塑~可塑的黏性土及黏性土混碎石物质充填，局部半充填或未充填，充填物颜色为棕红、棕黄色，岩性多为黏土，切面光滑，干强度高，韧性高。

本区间拟建场区赋存的地下水类型为碳酸盐岩裂隙岩溶水。根据现场勘察期间量测的稳定地下水位标高22.36~31.18m（埋深为4.40~13.60m）。施工时注意排水止水，超前钻探，如遇较大裂隙水，采取措施。

2开挖方法

由于隧道较长，全隧道设置2座竖井，在小里程段采用人工钻爆法开挖。下游地表覆盖层较浅10～19m，依次穿过军用铁路、玉泉河、师大人才公寓15#办公楼、铜山区新汇热电有限公司办公楼及居民楼后向西拐至长江西路，依次下穿石榴园小区、无名山公园后向南拐至黄山路，继续向南行进到达铜山新区站。

2.1钻爆法开挖

钻爆法开挖采用人工钻孔、装药、爆破。由于受隧道断面尺寸影响，只能同时6人进行钻孔作业，根据围岩情况及爆破设计参数，每循环进尺1.5m，钻孔共需要用时4h左右，洗孔、冲孔1h，装药、连线、爆破30min。每循环爆破方量38m3，出渣用时4h。

2.2机械开挖

2.2.1采用徐工ZTXTR7/260Z单臂掘进机开挖（设备参数见“表1”），掘进机额定电压为1140V，为满足设备供电需求，在道外原10kV变压器处增设一台专用变压器，将10kV的电压转换为1140V，从变压器接线至道口配电柜，从配电柜引出的电线与掘进机相连，电线选用合适的电缆线，将电线沿道壁固定布设，掘进机电线连接处安装一个自动转盘，在掘进机进退的同时，电线可相应的收放。

2.2.2开挖作业。徐工ZTXTR7/260Z单臂掘进机掘进定位掘进最大高度只有4.8m，本隧道的开挖高度7.4m，造成开挖时不能全断面一次开挖，必须分上下台阶2次完成。先用装载机运渣将隧道底部垫高3m左右，开挖上半部分断面，出渣后再开挖下半断面。每循环掘进3.6m，开挖上半部分用时2h，垫渣回填用时2.5h，开挖下半断面用时2.5h，机械开挖总耗时7h左右，出渣用时3h。

表1徐工ZTXTR7/260Z单臂掘进机掘进机参数

3功效分析

通过每循环用时及进尺比较两种开挖方法的功效情况，从表2中可以看出采用徐工ZTXTR7/260Z单臂掘进机开挖该断面尺寸的隧道在进度方面没有大的优势。

表2功效分析对比

4资金投入分析

4.1人工钻爆开挖

钻爆法开挖按照一个作业面考虑，主要投入设备资金143.3万元。见表3。

表3人工钻爆法开挖设备投入（1个作业面）

4.2掘进机开挖

掘进机开挖按照一个作业面考虑，主要投入设备资金585万元。见表4：

表4掘进机开挖设备投入（1个作业面）

从投入上考虑，掘进机开挖一次投入比钻爆法开挖费用585－143.3＝441.7万元

5安全、环境比较分析

5.1人工钻爆开挖

人工钻爆开挖钻孔时，钻孔人员靠近掌子面，作业人员多，安全风险高，空气粉尘多，污染较大，环境较差。

5.2机械掘进

作业人员数量较少，距离掌子面较远，有设备防护，安全系数相对较高，但是机械噪声大，凿岩作业粉尘大，施工环境较差。

6质量比较分析

6.1人工钻爆开挖

人工钻爆开挖爆破时不容易控制孔距、深度、角度等钻孔参数，易出现超欠挖状况，Ⅳ级、Ⅴ级围岩开挖质量控制较差。

6.2机械掘进

掘进机掘进时周边围岩控制相对较准确，周壁围岩平整度较好。

7技术保障比较

7.1人工钻爆开挖

钻爆法有较成熟施工方法，风枪等设备比较便宜，钻杆、钻头等易耗件更换简单，受设备故障影响较小。但是人工风枪开挖技术保障较繁琐，尤其是钻孔时炮眼的间距、孔深、角度、装药系数等都需要实践并深入地交底。

7.2机械掘进

掘进机掘进前只要在掌子面周边放线定出周边设计位置，同时交底清楚掘进的循环长度即可。但受操作水平及素质影响较大，机械故障后需要更换人工钻爆开挖，影响工效，同时构配件更换等技术保障难度相对较大。

8施工管理分析

（1）人工风枪钻爆施工是比较传统的施工工艺，长大隧道施工主要受通风、出渣影响较多；（2）掘进机械化作业，受设备稳定性和设备操作熟

练程度影响较大，掘进机操作方面经验欠缺，操作手一般需要外聘和培养，设备维修保养需要与厂家联合进行，一旦掘进机出现故障或者操作不当，容易造成掘进窝工。

9优、缺点分析

9.1钻爆法开挖的缺点

（1）采用人工钻孔，道内粉尘大，施工环境差，对工人健康影响大；（2）爆破需用炸药、雷管等火工品，现场施工安全隐患大；（3）爆破对围岩扰动较大，造成道内掉块，甚至隧道塌方事故；（4）对于浅埋段，地表有结构的地段，由于爆破震动容易造成地表结构的损坏；（5）爆破开挖容易造成隧道断面超挖，导致喷射混凝土超方，增加施工成本。

9.2机械开挖的缺点

（1）一次性投入大，购买一台EBZ200H悬臂式掘进机需要450多万，还需要配备专用变压器一台；（2）由于隧道断面小，造成其他设备交通不便，对后续施工有干扰；（3）受机械本身性能限制，地下施工，地质情况变化大，施工中遇到围岩变硬、强度大的情况，施工进度受影响。

9.3机械开挖的优点

（1）对岩层扰动小，施工安全更有保障；（2）隧道穿越居民区、厂房等建筑物时，采用机械开挖，避免造成结构物损坏，消除了阻工、赔偿等现象；（3）能很好地控制隧道断面的超欠现象，有效地减少喷混凝土的超方，节约施工成本。

10结语

钻爆法开挖是隧道施工最为普遍的施工方法，通过对小断面隧道钻爆法开挖和掘进机开挖的对比分析，两种开挖方法的功效及在实际应用中的优、缺点进行比较，找出各自的不足，对以后的小断面隧道施工在开挖方法和和设备选择方面取长补短，合理选用。

参考文献：

[1]郭陕云.隧道掘进钻爆法施工技术的进步和发展[J].铁道工程学报，2007（09）：69-76.

[2]张镜剑，傅冰骏.隧道掘进机在我国应用的进展[J].岩石力学与工程学报，2007（02）：14-26.

[3]肖洪波.紧邻建筑物的控制爆破施工防护[J].人民长江，2007（03）：57-58.