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摘要：随着我国公路建设向中西部经济欠发达地区、山区的重心转移，公路隧道数量激增，各种地质情况下的隧道建设对工艺的选择必然会有所不同。本文依据作者亲自参与的一条普通公路，对公路隧道不方便爆破作业时而采用机械开挖的方案进行一些粗浅的讨论，望能对同行人员在遇到相同或相似情况时能起到一些参考作用。
关键词：公路隧道 爆破 机械 功法 探讨
笔者所在单位于2017年承建了一条XX景区新建道路，笔者有幸参与该项目的施工任务。该道路地处景区内部，同时也属于XX城市城郊位置，周边居民众多，拆迁困难。该新建道路全长2.5Km，其中有四座隧道共计1.15Km长。根据设计图纸，隧道最初采用爆破法开挖，后因附近居民较多，爆破震动影响较大、夜间施工噪声大、炸材管控等因素，隧道施工一直断断续续，施工单位长期周旋于村民、村委会、业主及各级政府部门之间的协调工作，疲于应对。最终在开工一年多后，终于停摆，此时隧道开挖总进尺为700余米，有两座隧道已贯穿，剩余两座一座未能贯穿，一座未能启动。
1 工程概况
1.1 项目简介
XX景区新建道路设计共有四座隧道，从起点至终点依次为瓦房湾隧道165m、八仙洞隧道535m、磨儿山隧道187m、陈家湾隧道268m。根据征地情况及现场进出道路情况，施工单位隧道施工分两个工区同时进行，其中一工区设置在瓦房湾隧道与八仙洞隧道之间，向两边同时开挖瓦房湾隧道及八仙洞隧道；二工区设置在陈家湾隧道出口，单向掘进陈家湾隧道。
因地处城郊，周边居民众多，前期，周边居民以夜间施工噪声大等理由阻工、投诉，再办理到夜间施工许可证后，方可24小时作业。此后又因房屋开裂等问题，更多的居民前来阻工、要赔偿。最终在完成瓦房湾隧道全部、八仙洞隧道一半、陈家湾隧道全部开挖后，全面停止爆破作业。在处理周边居民赔偿事务的同时，剩余隧道的开挖方案的选择也成了重中之重。
1.2 设计标准
四座隧道地质情况均较简单，岩石为强风化砂岩和中风化砂岩，岩体完整度高、坚硬度低、地下水较少、无瓦斯，设计围岩等级为IV级和V级；开挖方式为上下台阶法；支护方式为型钢拱架初期支护+钢筋混凝土二次衬砌。
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隧道上台阶开挖、初期支护按照2~3榀的间距形成流水化作业往前推进，下台阶两侧交替往前推进，仰拱施工紧随其后。其中上台阶、下台阶、仰拱施工步距控制在安全步距范围内，同时又要充分考虑各工序作业面的作业空间。
2 开挖方案
2.1 爆破开挖工艺
本案例中，根据设计文件，隧道开挖采用光面爆破工艺，主要施工流程为：钻孔→装药→起爆→排险→出渣→初支，此为一个循环，一个循环完成后即刻开始下一个循环施工。结合本案例情形，采用爆破开挖工法具有以下几个特点：
①工艺成熟，管理人员、工人经验丰富，能快速到岗并进入工作状态。当前公路隧道开挖大都采用爆破法开挖，相关熟练的管理人员及工人能较易获得，不需施工单位花费较高的成本去重新培训。且工艺成熟，各参见单位更容易接受该方案，不需施工单位花费精力去向其他参见单位阐释相关工艺。本案例中施工单位将开挖环节的装药、起爆工序及炸材供应、保管、运输业务分包给本地一家具有爆破资质、专业从事爆破服务的企业，虽然施工单位付出了不菲的价格，但也省去了很多协调工作。
②安全风险较高。爆破作业属于高风险作业，不论是前期的炸材供应、运输、保管等工序，还是实施爆破过程中的装药、起爆工序，均是重要的危险源，其中的安全防护管理不仅仅涉及到专业作业人员，同时对工地所有作业人员的安全防护管理均有较高要求，施工单位需投入大量的安全防护管理人员进行安全防护管理工作。
③施工速度一般，工期较易控制。正常情况下，一个循环从钻孔开始至爆破完成，需要3小时时间；排险、出渣及局部修理需要3~4小时左右；初支需要9~10小时，一个循环从开始至完成需要16个小时。若无其他干扰因素，确保24小时作业的情况下，平均每天能完成1.5个循环，平均每月进尺80~90m。本案例前期因不能夜间施工，每天最多只能完成一个循环，且长期受阻工、炸材供应等问题影响，平均一个作业面每月进尺不足50m。
④成本较低。爆破开挖主要施工成本为人工、炸材费用。炸材采购较便宜，开挖效率较高，平均每立方均摊成本较低。不过，随着国家对治安管理越来越严的趋势，炸药的获取成本亦会越来越高，且爆破作业需要的民爆资质越来越难取得，爆破服务费用势必会越来越高，所以爆破开挖的成本有整体增高的趋势。
⑤环境影响较大。虽然现在都在实行“小药量、多钻孔”的爆破方案，但是爆破作业对周边环境的影响还是无法完全避免，尤其是在居民集中区域，对老旧小区房、民房等抗震强度等级低的房屋影响较大。同时爆破作业对隧道开挖面周边围岩稳定性破坏较大，容易造成塌方、漏顶、超挖等现象。
2.2 机械掘进法
在本案例中，施工单位就“不能采用爆破开挖后该采用何种开挖方案”的问题与业主单位、设计单位进行过多次会议讨论，期间大家共同提出过多种开挖方案，包括静态爆破、盾构机、人工开挖、炮机破碎等均被一一否决，最终由施工单位提出的悬臂掘进机开挖方案被通过。悬臂掘进机施工工艺较为简单，主要工序为：掘进→初支，本案例中，采用EBZ320型号掘进机。采用悬臂掘进机开挖工法具有以下几个特点。
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①悬臂掘进机开挖属于新工艺、新技术，施工单位现有配备的管理人员及工人均不熟悉该工艺的详细工作流程，施工磨合期较长，一直到剩余隧道全部贯穿也没有达到理想的工作效率。
②安全风险较低。掘进机操作人员为长期随机工人，对机械操作、维修均较为熟练，其他工序作业人员作业时间基本与掘进机工作时间错开，且掘进机开挖对隧道围岩扰动小，大大降低了其他工序作业人员的安全风险。
③施工速度较慢。悬臂掘进机本身切割石块效率较低，且由于其结构造型，导致其灵活性差，开挖面较窄，而本案例隧道开挖断面较大，所以，采用掘进机开挖需要掘进机多次移机才能形成完整的开挖面，整体算来，其开挖速度不足爆破作业的一半。
④施工成本较高。通过对悬臂掘进机的结构造型及工作原理分析可以得出，其开挖主要将岩石提点一点的切削为粉末状态来达到开挖效果，其能量浪费较为严重。本案例中掘进机能源供应为一台320KW的电机，为了保障该设备的正常运转，施工单位还专门为此安装了一台400KW的变压器，其满负荷运转一天一夜的话，光是电费都上万，然后算上设备折旧费、维保费、人工费等，其施工成本远远高于爆破开挖。
⑤对周边环境影响较小。悬臂掘进机工作原理为利用旋转的刀片将围岩切削成粉末状从而达到围岩开挖的效果，刀片旋转速度较慢，工作力矩较大，对开挖范围以外的围岩没有明显的破坏作用。同时该设备采用电力驱动，工作噪音较小，如果进入隧道内作业后，对周边居民区不会造成噪音污染。
2.3 方案改进
在正式采用悬臂掘进机开挖后，因该方案存在施工速度慢、施工成本高的缺点，项目部进行了多次方案改进。
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①第一次方案改进是在悬臂掘进机施工一个月后，项目部引进了岩石臂挖掘机（见附图），采用岩石臂挖掘机开挖下台阶及仰拱，悬臂掘进机仅开挖上台阶部位，减少悬臂掘进机的工作量，大大提升了施工速度。岩石臂挖掘机的优点是：工作姿态较为灵活、速度较快；缺点是只有开挖自身高度以下的部位时才能达到最大力矩。
②第二次改进方案是在悬臂掘进机施工两个月后，因岩石臂挖掘机速度远远快于悬臂掘进机，为进一步提升施工速度，减少悬臂掘进机工作量，项目修改初支方案，加大初支与开挖掌子面步距，同时减小上台阶开挖高度，增加下台阶开挖高度。经此方案调整后，进一步提升了隧道开挖进度，月进尺达到130m左右。
③虽然经过项目部多次改进开挖工艺，大大节省了工期，也节省了不少开挖成本，但采用悬臂掘进机进行隧道开挖的施工成本还是远远高于爆破开挖的施工成本。项目后期引入的岩石臂挖掘机单位土石方开挖成本略高于爆破开挖，但该设备对隧道开挖存在较高的初始条件，因本项目隧道工程量较小，三个多月后已完成全部隧道开挖，对开挖工艺改进已无实施验证的条件。
3 设想延伸
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本项目所采用的开挖设备都是目前市面上现存的施工设备，而且很多设备的生产也不是专门为公路隧道开挖而生产的。如悬臂掘进机主要是在煤矿开采行业发展起来的，他工作特点也是已匹配煤矿开采而设定的，放在公路隧道开挖中就存在各种不适宜性；而岩石臂挖掘机主要为不能爆破作业的路基边坡石方开挖或基坑石方开挖设计的，其设想的工作姿态均为从上至下的开挖，为了提高其工作力矩，牺牲了大量挖掘机的灵活性，对立面及顶面开挖场景的应用缺乏支持。
鉴于公路隧道形状的多样性，需要更为灵活的且高效的开挖机械，对于一般中风化及以下围岩、页岩、红砂岩等较软围岩应尽量采用机械开挖方式。综合悬臂掘进机、岩石臂挖掘机及普通挖掘机的工作特性，可以改装或定制专业的开挖设备（如右图）。该设备已增加一节小臂可以增加一定的灵活性，对于里面位置的开挖场景予以支持，为保证开挖过程中的安全性，可以适当加长小臂的长度，前视玻璃增加防护网，为保证开挖力矩，应采用大功率发动机。
若采用此设备进行隧道掘进开挖，优点是开挖方式灵活、工作效率高、施工成本低。缺点是工作力矩较小，需要更大功率的设备支持，且顶部围岩成型率低，需要专业设备进行修整，可采用炮机修整也可以参考悬臂掘进机改装挖机。采用小型挖掘机在挖斗位置换装一个旋转掘进头，不需要多大功率和力矩，现实中能用来进行开挖面的线型修整就可，修整效果应好于炮机，施工成本较低。
4 结语
我国公路建设虽然已经高速发展了几十年，施工技术也产生了日新月异的变化，由于经济发展的不平衡，公路建设重心已从东部经济发达地区、平原地区向中西部经济欠发达地区、山区转移。尤其设计山区的公路建设，隧道数量激增，各种地质情况下的隧道建设对工艺的选择必然会有所不同，所以对公路隧道机械开挖方案的探讨有助于隧道建设者们水平的提升及行业整体的发展。