隧道开挖方式的选取对项目技术经济的影响分析---大连至旅顺中部通道隧道非爆施工

隧道开挖方式的选取对项目技术经济的影响分析---大连至旅顺中部通道隧道非爆施工

孙,楠

上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司-大连分公司，辽宁 大连 116400

摘要：本文详细阐述大连至旅顺中部通道，其中隧道工程，由于地址、环境施工等原因选取悬臂式掘进机开挖，称为铣挖。针对铣挖工艺的施工方法及预算组价的编制，进行了纤细的阐述。

关键词：隧道开挖；破碎；悬臂式掘进机；工期；综合单价；围岩类别；

中图分类号：TU18文献标识码：A

《大连市城市总体规划》提出——大连城市功能定位为东北亚重要的国际航运中心、我国区域性的金融中心、商贸中心、旅游中心和信息中心，重要的石化、电子信息和装备制造业基地。大连作为我国环渤海圈重要的中心城市，必将承载更大的使命，引领整个环渤海圈和辽宁沿海经济带的发展。

“全域城市化”的城市建设思路、需要拓展大连市城市发展空间、加强核心区之间，核心区与旅顺口区的联系、促进大连经济互补和均衡发展。

大连至旅顺中部通道覆盖范围大，连接了甘井子区、高新园区、旅顺口区。沿线交通惠及西城国际商务区、高新园区（数码广场、七贤岭范围）、黄泥川开发片区、龙王塘开发片区、英歌石开发片区、旅顺口区、旅顺经济开发区。形成一条大连至旅顺的中部通道，满足了全域城市化的需求。带动西城国际商务区、生态科技创新城、旅顺经济开发区的发展，提升了大连城市的功能定位。

大连至旅顺中部通道功能定位，是与“七纵七横”快速路相配合，形成快速交通骨干路网，与旅顺南路、中路、北路共同组成大连至旅顺的交通干道，与位于大连市西部区域的前黄线、河革路，形成H型快速交通模式，成为西部区域的路网骨架，带动西部区域路网的快速发展，促进大连市西部区域的快速发展。

大连至旅顺中部通道工程含8座隧道工程，主体结构均为双向四车道、单洞两车道分离式隧道。根据相连接立交平面线型的需要，在4号隧道的东洞门和西洞门、5号隧道的东洞门设置加宽段，隧道单洞横断面为单洞三车道分离式隧道。

隧道设计

1、隧道设计遵循充分发挥隧道功能，并进行多方案的技术、经济、环保等比较，使隧道设计符合安全实用、质量可靠，经济合理，技术先进的要求；

2、主体结构按永久性建筑设计，具有规定的强度，稳定性和耐久性，隧道建成后能适应长期运营需求，便于维护；

3、根据地形、地貌、地质、气象、环境等条件，综合比选确定隧道轴线走向，平纵线形、洞口位置等；隧道位置应尽可能避开不良地质地段，并与线路走向综合考虑；

本隧道施工采用新奥法，新奥法的特征之一是采用现场监控、量测信息指导施工，即通过对隧道施工中量测数据和对开挖面的地质观察等进行预测、预报和反馈。并根据已建立的量测为基准，对隧道施工方法(包括特殊的、辅助的施工方法)、断面开挖步骤及顺序、初期支护的参数等进行合理调整，以保证施工安全、坑道围岩稳定、工程质量和支护结构的经济性等。

应严格按照新奥法施工的原则，对新隧道在开挖时，必须严格控制，尽量减少对围岩的扰动次数、扰动强度、扰动持续时间和扰动范围，能采用机械开挖的就不用钻爆法。采用钻爆法开挖时，必须先做钻爆设计，严格控制爆破，尽量采用大断面开挖。对开挖暴露面应及时地进行地质描述和及时施作初期锚喷支护，经初期支护加固，使围岩变形得到有效控制而不致变形过度而坍塌失稳，以达到围岩变形适度而充分发挥围岩的自承能力。必要时可采取超前预支护辅助措施。为保证隧道永久稳定、安全、美观，同时也是作为安全储备的一种工程措施，需要进行二次衬砌。二次衬砌的施作，应在围岩和锚喷初期支护变形基本稳定后进行，是在现场监控量测的指导下完成的。

在隧道施工的全过程中，应对建筑物、洞体、既有隧道、地表等进行全面监测，检测内容包括位移、沉降、倾斜。通过现场监控量测，并及时反馈修正设计参数，指导施工或改变施工方法。建议监测工作由施工单位和隧道专业监测部门协同完成。

南洞口由于处在悬崖地段，施工前根据需要修建施工便道，施工便道要求线形合理，宽度适宜，保证施工中进出车辆的安全。施工中要做好地表雨水的有组织排放，防止任其自流，做好洞口和路堑的防水，确保岩体不被水浸泡而产生滑移。

目前，国内隧道采用非爆开挖的方式主要有6种，分别为盾构、TBM机械、静态爆破剂预裂+液压破碎锤、液压劈裂+液压破碎锤、二氧化碳爆破剂、悬臂式掘进机。

静态爆破剂预裂+液压破碎锤

①采用静态爆破剂预裂，原理是机械造孔后，孔内装入静态爆破剂，在药剂的作用下使岩石胀裂产生裂缝；

②用挖掘机装配的液压破碎锤分解破除，而后转运挖除石渣，从而达到开挖的目的。

静态爆破剂预裂施工也称“膨胀剂法”或“无声爆破”。静态爆破无飞石、无噪音，对周边建筑物安全无影响是其优点，近年来此方法在地铁施工、穿越地上建（构）筑物的地下工程等施工中作为非爆破开挖方法被广泛使用。但由于药剂反应时间较长，使得施工进度较慢，工程投资相对较高，且存在一定环境污染问题，药剂容易对施工人员造成一定伤害。

液压劈裂+液压破碎锤

上台阶采用潜孔钻机进行凿眼、液压柱塞式分裂棒预裂进行开挖施工，掌子面周边采用YT28钻机进行凿眼、液压分裂机进行劈裂；下台阶采用潜孔钻机分层凿眼、液压柱塞式分裂棒预裂。

二氧化碳爆破剂

二氧化碳爆破始于二十世纪五十年代，八十年代在美国开始发展，主要是想避免因炸药爆破产生火焰引起的爆炸事故而专门为高瓦斯矿井的采煤工作面研发的.

目前在地铁5号线下穿燃气管线处局部使用，但效果不理想，性能不稳定，爆破筒有飞出的危险。虽然比炸药更加安全，但是效率低、步骤过于繁琐。需要利用临空面才有效果；效率低；成本高；爆破震动力虽不大，但声响比较明显。

悬臂式掘进机

悬臂式掘进机适用于地铁、公路、铁路等中、大断面隧道工程，中等断面隧道能一次掘进到位，大断面隧道可分两层掘进到位。开挖范围广（在中低硬度的岩石中最大开挖量可以达到20~40立方米/每小时）；低振动、低噪音；精确控制施工；安全性好。

1）大连莲花山隧道

莲花山隧道的开挖共投入了1台掘进机进行施工，对部分隧道做了试验段。地层主要为含有素填土、含碎石粉质粘土、强风化石英岩夹板岩、中风化石英岩夹板岩、中风化板岩夹石英岩，围岩等级为Ⅴ级，周边环境较为复杂。

工效

针对本工程地质条件及隧道断面尺寸，可选择徐工320悬臂掘进机或类似机型。悬臂式掘进机在开挖软岩~破碎中硬岩条件下可较好发挥其施工效率，岩石抗压强度在40~50MPa左右为最佳，尤其本工程以中风化板岩夹石英岩为主，节理裂隙较发育，经咨询相关设备研发生产厂商技术人员，3号隧道平均预估开挖量可达到20m³/h左右。

根据隧道施工单位反馈结果，上台阶按照60平米计算，每进尺1米需开挖3小时。按照本隧道的工序时间，可以达到3天4个循环，即每天进尺约1.3~1.5米。

费用考虑因素

1、开挖综合单价考虑因素

1）截齿损耗：针对本工程地质情况，按照上台阶60立方/米，预估截齿实际损耗为0.3个/立方，每米进尺预估截齿损耗约为18个左右（每个掘进机钻头截齿总数约为50个）。

2）变压器和掘进机租用

悬臂掘进机瞬间启动电压1140V，需变压器将10KV临时转换。

3）班组：悬臂掘进机施工时还需要配套相关设备及专门人员，如专用高压开关、供水设备、通风设备、除尘设备等，每班还需配备包括司机、维修工、辅助工等专门人员6-7人。

4）不包含明洞、洞口开挖、弃方外运、电力外线及所需800kw的增容设备费用。

5）除尘设备

包含干式除尘器SCG-1500D两台

2、出渣外运

参考本隧道中标费用，弃方外援单价为11元/立方。

3、原招标爆破开挖及出渣外运抵消费用

  经核实，本隧道原爆破开挖及出渣外运中标单价为IV级围岩88.14元/立方、V级围岩88.83元/立方，计算新增费用时需抵消。

费用及有效工期

1、机器布置原则：

按照隧道东西两端各布置两台掘进机共4台的布置方式，即每个掌子面各一台截割功率320千瓦的悬臂掘进机，另外东、西两端各配置一台有效解决双线交叉作业造成的干扰，减少机器挪移耗费时间提高工作效率。

 2、有效工期：

工期计算：按照最长的作业里程即3号隧道单端掘进849.5/2≈425米及平均进尺1.3米计算，单线有效工期约为425/1.3=327天（11个月），另外考虑到截齿更换保养等因素，实际工期预11+0.5≈11.5个月。

传统比较常规选用的方法是钻爆法，是隧道掘进的主要手段，它对于地质条件的适应性强，开挖成本低。因而特别是在坚硬岩石隧道、破碎岩石隧道掘进中以及大量的短隧道的施工中，非常适用。

根据本工程隧道的地质条件，采用钻爆法掘进施工比较合理。但由于隧道附近的地质地物条件较为复杂，因此钻爆施工时，要结合实际情况，采用合理的爆破方式，谨慎掌握爆破程度，作好监测工作。

预裂爆破法是在开挖轮廓线上钻相互平行、比较密集的炮眼，起爆这些间距、炸药量和装药结构合适的炮眼，将形成各炮眼间相互贯通的裂隙，与原岩体分开；此后再引爆开挖面上的其它炮眼，由于轮廓线上的裂缝已经形成，这次爆破时就不会导致围岩岩体的破坏，从而形成光滑的平整壁面。而且预裂还可以起到较大的隔振作用，尽可能减少对两侧岩体的扰动次数。

由此可见，隧道的预裂爆破具有很大的优越性：爆破后轮廓成型规整，符合设计断面的轮廓要求，围岩保持稳定，不产生或很少产生炮震裂隙。同时，能为施工创造舒适安全的条件，加快施工进度，节省工程造价。

控制开挖轮廓和爆破振动对地层的扰动，这对隧道工程的质量有着决定性的影响。本工程采用支护方法是将设计和施工结合成一体的“新奥法”，但离开了开挖轮廓和爆破振动的控制，“新奥法”这种保护围岩、利用围岩自承能力的原则就无从谈起。也就是说，钻爆施工时，既要充分发挥炸药的能量，又要对这种能量进行有效的控制。

进行爆破振动测试，控制爆破地震动效应。钻爆施工中，炸药的大部分能量使岩体被成块地炸碎和抛掷出去，其中小部分的能量转换为地震波，以爆源为波的形式向外传播，经过介质到达地表，引起地震动。在爆区的一定范围内，当地震动达到一定强度时，会引起岩体、地表和建筑物、构筑物不同程度的破坏；即使强度不至于危及建筑物的安全，如果有较大的地表振动，也会使居民产生恐惧感，影响人们的日常生活。

因此，在施工中实施爆破振动测试（也可称做质点振动速度测试），目的在于选择适宜的爆破方式和炸药量，使得爆炸的效果好，同时由此引起的地震动强度尽量小，不至于危及建筑物的安全和所要保留的围岩或边坡的完整稳定，也不会扰民。

新增费用计算

1）经过咨询国内相关掘进机生产和使用厂商，根据本工程开挖总方量及机器布置原则，预估开挖综合单价为350元/立方。测算如下：

参考文献

《EPC工程总承包全过程管理》—李永福

《EPC工程总承包管理》—王伍仁

《EPC工程总承包项目管理逻辑与方法》—杨海林