摘要：本文以广元地区某污水管网项目的小断面隧洞为例，对钻爆法和掘进机法两种隧洞开挖方式，从安全质量，施工效率，资源消耗，工程造价等多个方面进行了比选分析，总结了两种开挖方式的优缺点，为类似小断面隧洞施工方案的选择提供借鉴参考。
关键词：小断面隧洞 钻爆法 掘进机法
1工程概况
广安市G108国道至滨江西路污水管网工程，设计范围从广元市机场北侧G108国道至滨江西路（袁家坝至土基坝段）段。沿线全长约12公里，跨越宝轮片区和盘龙空港经济区。排水隧洞工程为其中第3段，隧址位于广元市宝轮镇，全长1.2km，整体呈西～东走向，最大埋深109米，设计断面为直墙拱式断面，开挖断面3.66m×3.35m，开挖断面12.2m2。
场地地质条件：根据详勘报告，隧洞范围内围岩级分为Ⅵ级和Ⅴ级两种，Ⅳ级围岩为中风化砂岩，单轴饱和强度平均值为16.03MPa，稳定性较好。Ⅴ级围岩主要为强-中风化泥岩、强风化砂岩，单轴饱和强度在1.03MPa~3.53MPa岩体较破碎，属不稳定围岩。Ⅴ级围岩段占总长的55.7%，场地无破碎带，大断层，溶洞、岩爆涌水段等不良地质段。
隧址起点处距离西成高铁最近处约476.42m，处于铁路安全保护范围内，且隧洞较长，存在不稳定围岩，根据场地地质条件，钻爆法和掘进机法适宜于隧洞工程，下面对两种施工方法进行方案比选分析。
2 实施方案比选分析
2.1安全质量分析
掘进机法开挖隧洞与钻爆法开挖隧洞相比，前者对隧洞超欠挖有着更好的控制，隧洞的平整度也优于钻爆隧洞[1]。前者开挖隧洞的洞壁粗糙率一般为0.019，比钻爆法光面爆破的粗糙率相比小17%，前者开挖隧洞洞径的误差可控制在±2cm。掘进法开挖施工，对围岩影响范围一般小于50cm，与钻爆法相比，影响范围仅为后者的20%，对围岩扰动更小，有利于钢拱架的支护结构的安设，可大大改善开挖面的作业条件。
根据文献[2]相关规定，目前爆破对一般民用建筑物的振动速度控制在1.5-3cm/s之间，爆破振动速度达到0.5~1cm/s人体感觉即感觉明显。该隧洞出口附近有多间民房，若采用爆破施工，可能会使导致附近居民的投诉，影响社会稳定。而掘进机法无此风险。此外，钻爆法还存在炸药的运输、存储、使用的风险，对掌子面工人作业安全风险较大。
2.2 开挖效率比较
本工程隧洞断面较小，钻爆法可采用全断面光面爆破，其一般施工过程是钻孔→装药→爆破→除尘→出渣→支护结构施工→进入下一循环。掘进法可采用悬臂式掘进机全断面开挖，其施工流程为掘进截割机头左右下上移动截割→出渣和掘进同步→停机退出掌子面→支护结构施工→下一循环施工。在开挖支护流程上，掘进机施工工序更为简单，可以连续作业，因此可以大幅提高施工效率。根据四川区类似工程经验[3]，钻爆法施工速度3~5m/天，EBZ180A 型掘进机施工掘进速度8~10m/天，掘进机开挖速度是钻爆法开挖速度的2倍到3倍。值得注意的是，若在出现地质情况较复杂掘进机效率反而不如钻爆法，例如在引沁入汾工程中[4]，掘进机实际开挖效的率仅为2.3m/d。但是本隧洞工程的地质情况简单，无不良地质情况，掘进机的开挖效率明显高于后者。
2.3 资源能耗分析
本工程隧洞开挖断面为3.66m×3.35m直墙拱式断面，开挖断面面积12.2m2断面。
与文献[4]隧道断面类似，根据其对隧道配备机械设备的统计，本隧洞工程当采用掘进机法配备的设备10种21台机械设备，需配备施工人员8种平均一个台班14人，而采用钻爆法共需要14种42台机械设备，需要配备的施工人员9个工种平均一个台班33人。两者对比分析可知，掘进机法需要的机械设备的种类和数量均很少，其使用的机械设备数量是钻爆法的50%，是因为其掘进和出渣一体化，不需要额外配备小型挖机的设备，机械化程度更高。掘进机法与钻爆法相比，需要的人员更少，每台班的人工数量是钻爆法的42.4%。
在能耗方面，需要大量电能驱动掘进截割机头截割围岩，主要能耗时电能；而钻爆法主要能耗时手持风钻孔钻孔电能，挖掘机等机械消耗的柴油等，文献[5]曾分析了两种施工方法的能耗，一般掘进法能耗是钻爆法能耗的2.3~5.5倍，掘进机法在能耗方面高于钻爆法。
2.4 工程造价比较
根据该工程隧洞断面及地质情况，采用钻爆法单价约1.41万元/m，小断面悬臂式掘进机开挖法造价约1.79万元/m。掘进机开挖法造价比钻爆法造价高26.7%。掘进法开挖造价高主要因为一次性投入机械成本高，若选用EBZ180A 型掘进机，其机械设备购置价位380万元，另外由于本隧洞工程长度1200m，需要配置2台变电站等设备，以减少因隧洞长度增加而产生的效率降低还，经过调查当地租金为10万元/月，如果采用租赁的方式，可降低部分费用。
3 结论
以广元地区某污水管网项目的小断面隧洞为例，对钻爆法和掘进机法两种隧洞开挖方式，从安全质量，施工效率，资源消耗，工程造价等多个方面进行了比选分析，主要结论如下：
1）掘进机法开挖隧洞与钻爆法开挖隧洞相比，前者对隧洞超欠挖有着更好的控制，围岩扰动小，洞壁粗糙率小，洞面更平整，无钻爆法炸药爆破等风险，对掌子面工作人员更安全。
2）悬臂式掘进进机开挖速度是钻爆法开挖速度的2倍到3倍，开挖效率方面悬臂式掘进机占优。
3）在资源能耗方面，掘进机法施隧洞需要的机械设备数量是钻爆法的50%，每台班人工是钻爆法人工的42.4%，掘进法占优，而能耗方面高于钻爆法。
4）在造价方面，掘进机开挖法造价比钻爆法造价高26.7%，但是使用租赁掘进机可降低工程造价。
同时，掘进机开挖与钻爆法相比可减少安全评估、环保等手续。该隧洞工程最终选用EBZ180A 型掘进机施工，机械设备主要为租用，目前正在建设当中。
参考文献：
[1]王梦恕等.中国隧道及地下工程修建技术[M].北京:人民交通出版社,2010,05:480-481.
[2]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.GB 6722-2014爆破安全规程[S],中国标准出版社，2015.
[3]王曙华,张安平.掘进机在三仙湖水库工程泄洪隧洞施工中的应用探讨[J].四川水利,2017,38(4):35-36.
[4]何建辉.钻爆法与掘进机法在引沁入汾工程中的应用比较[J].水利建设与管理,2019,3904:61-66+84.
[5]王宗禹,王建武,渠俐.钻爆法掘进与掘进机掘进施工方式的优化探讨[J].煤炭科学技术,2008,09:59-61.
作者简介：刘洋（1987-），男，汉族，辽宁大连人，工程师，硕士研究生学历，主要从事岩土、隧道方面设计研究工作。