复杂环境条件下隧道机械施工技术研究

李 旗

（河南工业职业技术学院，河南 南阳 473000）

为最大限度地缩减应用传统爆破方式对周边居民的正常生活状态的不良影响，现阶段在隧道施工过程中以掘进机等机械开挖方式为主流。随时间的推移，该种机械施工方式的优势也在逐渐凸显，这也使得无论是应用范围还是应用频率相较以往均有不同程度的提升，该类技术也在持续使用过程中获得了持续完善的重要机会，这一点在全岩掘进方面表现的尤为明显。

1.隧道开挖环节掘进机的应用优势分析

1.1 爆破震动影响

以某隧道工程为例，该类引水隧道的埋深深度最小值为3 m，平均埋深为20 m，地表处的整体绿化状态较好。在隧道中轴线位置上方存在着20户的民宅与多处鱼塘，且设计隧道顶部与鱼塘下部之间的距离仅仅为8 m。最为关键的是，在距离隧道顶部14 m左右的位置存在着一根天然气管道。此种情况下，若选择应用传统爆破法由于产生振动较大，所经由的住宅在受到爆炸振动冲击后极有可能开裂。因此，施工人员在联系实际环境条件后进行了爆破数值与各参数的测算，明确了最佳爆破位置与选择应用的总药量[1]。该工程的最大允许单段药量需要根据所测算的各类参数为依据，通过计算发现只有超出燃气管道与民宅90 m以上的距离才能满足爆破要求。因此在此种情况下如若选择应用爆破方案将严重耽误施工进度，相较于此，掘进机的开挖震动影响范围在1 m左右，凸显出了明显的应用优势。

1.2 对施工人员与设备所产生的安全影响

1.2.1 隧道开挖过程中的施工安全性

若选择应用掘进机对地质结构做切割式开挖处理，在切削岩石层时并不会对岩石产生扰动影响。短进尺状态下，此时的岩石能够确保其在支护方面的稳定性与可靠性，无论是对于设备运行还是施工人员均有良好的保障效果。而若选择应用爆破方式不仅会使岩石裂隙进一步扩大，围岩也将会受到不良影响，每次爆破完成后工作人员 均需要敲帮问顶，无法保证其安全性。

1.2.2 职业健康

炸药是爆破作业的关键因素，但由于炸药的特殊性使得其在将能量释放以达到破坏岩石结构目的时同时也会产生大量有毒有害气体，若不对进行恰当处理将有极大的可能造成操作者中毒[2]。一直以来爆破所产生有毒有害气体的预防均是隧道挖掘的重点工作，但由于产生气体的性质与多类型因素有关，例如爆破条件、炸药质量等，因此想要从根本上解决这一问题不仅需要选择应用高质量的炸药，还需要培养一支懂得炸药原理与足够工作责任心的操作团队。

相较传统爆破手段掘进方式所产生的有害气体量几乎为零，即使过程中有粉尘出现，也可以在旋转喷雾装置的帮助下将尘土压制，只需要将这一类型的机器固定在掘进机器上即可实现装置的应用目标。该类装置通过旋转形成一层水幕能够将操作准备与尘土区分隔开来，在佩戴防尘口罩的情况下粉尘对人体健康危害性可以忽略不计。通过对该类机械操作人员的长期体检跟踪结果中可以看到，工作人员的健康指标并没有受到多大影响。

1.3 开挖质量影响

1.3.1 地质原因导致的超挖

若选择应用传统爆炸方式进行施工，岩石将会在受到瞬间气体膨胀的作用而开裂继而达到将岩石破碎的目的。以光面爆破为例，其通过事先在各个位置埋放的炸药能够让各个炮眼的冲击不断向着其周围扩散，产生的纵向拉力会将岩石结构破坏，从而在预定设计位置处形成切割缝隙，并在炸药余量的作用下沿着切割缝撑裂岩石。虽然这些理论听起来较容易实现，但到了实践环节想要完全保证光面爆炸的成功效果却仅仅限定于黄岗岩与大理石，针对具有层状分布特点的岩石结构却无法确保其达到预期的爆破效果[3]。该隧道工程的岩石组成结构多为砂岩、泥岩等，整体呈现水平状分布且以中厚层为主体，间隙填充物多伴随着渗水且层间结合力较差。此种情况不利于采用光面爆破方式，极容易产生边墙超挖现象。

1.3.2 施工工艺导致的超挖

对于传统爆破来说，其在展开掘进工作时的首要工作就是钻孔以顺利推进后续施工进度。而在钻孔环节其受到多类型因素的影响较大，例如煤电钻、手风钻以及凿岩台车等，这些机械设备由于想要达到其预期效果的关键在于驱动装置，若直直地沿着预定位置插入将无法保证其与开挖线条完全重合，要求必须呈现出一定的外插角度。一般来说，部分小型的钻孔机应事先将外侧外留宽度控制在5 cm以上，而大型设备更需要外留10—15 cm才能保证应用效果。总结来看，若在隧道挖掘过程中选择应用爆破方式，所形成的洞壁整体并不呈现具有规则特征的直线，而是整体呈现锯齿状，因此必须在施工环节对定额中产生的超挖量予以充分考虑。

若选择在具有大断面特征的引水隧道施工过程中展开施工过程，则该部分的超挖量的占比要较小，这一特征在小断面处表现得尤为明显。以该工程项目为例产生的超挖量占到了设计超量的7%，因此需求对应的超填混凝土的量为15%，这一现实情况也从侧面反映出了其受到施工工艺的影响较大，仅仅此一项就意味着该类项目要多出近700万元的施工成本。而若选择应用掘进机进行施工，由于掘进机的特殊性使得其开挖环节的标量确认是由五台激光指向仪共同决定的，在该种方式的引导下使得超挖量控制效果较好，能够将其限制在1厘米的范围内，相较传统爆破方式突显出了诸多的应用优势。

1.4 施工时间影响

随着科学技术的更新与进步，人们的生活质量相较以往也有了不同程度的提升，这也使得人们逐渐形成了保护周边生态环境的意识，对环境质量自然也就有了更高的要求[4]。在此种条件下，作为地方政府也为其出台了与居民生活质量保护相关的各类文件，以满足人们的对生活环境的质量要求。例如，在夜间不允许进行爆破施工，尤其是在施工地点距离学校与居民区较近的情况下还应对爆破的时间段进行限制，这使得此种情况下的爆破作业的需求条件较为繁杂。而掘进机却由于产生的噪声始终能够控制在标准范围内，并不会受到这些条件的限制，技术应用起来较为自由，凸显出了诸多的应用优势。

2.掘进机在隧道施工过程中表现出的不足之处

掘进机技术在科学技术日新月异的发展条件下获得了进一步完善的重要机遇，无论是应用的难易程度还是配套装备水平相较以往具有不同程度的提升。但其在应用于部分特殊结构时，例如城门洞型的引水隧洞仍然表现出了较多的不足之处。

2.1 隧洞底脚欠挖

对于掘进机来说，其切割头的直径为40 cm，因此在将其应用于城门洞型引水隧洞开挖环节后，此时其两个底脚处将会形成一定范围的圆形欠挖部分，此部分的欠挖处若在对其进行处理时选择应用风镐或其他传统方式，不仅需求的时间较多且过程需要耗费大量人力物力，所产生的影响是巨大的；而若选择在支护任务完成后的出渣环节对该现象进行处理，则无法在处理过程中保证操作人员的人身安全[5]。正因如此，作为施工方联系了工程所在区域的实际环境条件与具体的建设要求，确定了底板开挖后沿着底脚贴洞壁的位置继续向下开挖20 cm的处理方案，这样就从根本上解决了欠挖问题，在问题解决后形成了位于该位置旁侧的排水沟。但需要特别注意的是，该类型的应用方案对于隧道中直径在3 m以下的孔洞并不适用，且所形成的排水沟由于并没有被纳入预期的设计计划中，极有可能在形成后影响正常的通车状态，车辆的运行安全也将会同时受到影响，因此该类问题的具体解决方案仍处于完善状态。解决方案的示意图如图1所示。

图1 欠挖解决方案示意图

2.2 开挖弃渣充当结构填筑材料的问题

对于引水工程来说，想要保证工程建设效果，关键在于隧道开挖所形成的弃渣能够符合填方的填筑需求。需要注意的是，在掘进机的施工过程中，挖渣级配环节却仍与填筑料的标准要求存在一定距离。而导致出现此种现象的主要原因是在掘进机的开挖环节，所采用的切割岩石的主要手段为截齿切割方式，截齿本身的长度较短使得经过该种手段切割后的岩石已经呈现粉末性状[6]。为从根本上将这一问题解决，作为施工方应与厂家一起进行研究，替换长度更长的截齿以满足对石渣的级配要求[7，8]。但需要注意的是，由于截齿的特殊性使得其不能被没有限制的加长，且需要联系岩石的实际强度与对工程的具体要求进行试验，方可确定最终的截齿长度数据[9，10]。

3.结语

综上所述，针对隧道工程采取掘进机的挖掘方式，相较传统爆破方式突显出了诸多的应用优势。随着科学技术的更新与完善，使得掘进机也获得了应用范围持续扩张的重要机遇，满足了对工程进度与施工人员安全性保障的实际需求，为隧道工程的未来建设奠定了坚实的基础。