王 棟，李永生，茍紅松

(中鐵隧道集團(tuán)有限公司技術(shù)中心，河南 洛陽(yáng) 471009)

隧道水射流開(kāi)挖技術(shù)的可行性研究與探討

王 棟，李永生，茍紅松

(中鐵隧道集團(tuán)有限公司技術(shù)中心，河南 洛陽(yáng) 471009)

為研究高壓水射流技術(shù)在隧道開(kāi)挖過(guò)程中的可行性，節(jié)省造價(jià)和工期，改善作業(yè)環(huán)境，降低安全風(fēng)險(xiǎn)，闡述了水射流破巖機(jī)制的原理，調(diào)研了適合隧道水力開(kāi)挖的關(guān)鍵參數(shù)和開(kāi)挖方法，有針對(duì)性地對(duì)單獨(dú)水射流開(kāi)挖隧道、水射流配合機(jī)械開(kāi)挖隧道和水射流輔助機(jī)械開(kāi)挖隧道3個(gè)方案進(jìn)行了技術(shù)、經(jīng)濟(jì)效能的分析。通過(guò)計(jì)算，驗(yàn)證了采用高壓水射流配合機(jī)械開(kāi)挖隧道的可行性，認(rèn)為水射流配合機(jī)械開(kāi)挖隧道更能體現(xiàn)隧道施工的經(jīng)濟(jì)性，并能滿(mǎn)足施工進(jìn)度、作業(yè)環(huán)境和工程風(fēng)險(xiǎn)等方面的要求。

隧道；高壓水射流；施工方案；可行性

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，隧道從最早的人工掘進(jìn)施工方法發(fā)展到鉆爆法開(kāi)挖，直到現(xiàn)在的TBM(全斷面隧洞掘進(jìn)機(jī))開(kāi)挖，工作效率越來(lái)越高，安全性能越來(lái)越好，但也存在不少問(wèn)題，如鉆爆法開(kāi)挖自身工序復(fù)雜，工作條件差，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，超欠挖難以控制，安全性差，難以實(shí)現(xiàn)高速、高效、安全、文明施工等。而TBM開(kāi)挖也有如下致命的缺點(diǎn)：1)地質(zhì)適應(yīng)性差，對(duì)于復(fù)雜的隧道很難適應(yīng)；2)大部分TBM只能施工圓形或近似圓形的隧道，存在超挖的現(xiàn)象，一般占隧道所需斷面積的8%左右，會(huì)造成很大的能源和材料浪費(fèi)[1]；3)初始成本很高，不適合短隧道工程。高壓水射流技術(shù)破碎巖石是眾多新型破巖方式中最有潛力、效率最高，且易于實(shí)現(xiàn)的破巖方式，如果能用于隧道工程中，將大大提高工作效率，并降低施工成本，將會(huì)有很好的應(yīng)用前景。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)高壓水射流破巖機(jī)制做了大量研究，也取得了一定的成果。張海濤[2]認(rèn)為水射流輔助鑿巖技術(shù)可以提高機(jī)器的鉆孔能力，降低刀具消耗；段雄等[3]認(rèn)為水射流輔助刀具切削巖石是水楔作用的過(guò)程；Dubugnon認(rèn)為巖石的破碎是水射流和機(jī)械聯(lián)合破碎的作用；美國(guó)Colorado礦業(yè)學(xué)院對(duì)巖石切割過(guò)程中的參數(shù)進(jìn)行了分析，認(rèn)為水射流的壓力在 280～350 MPa、橫切速度為12.5～1 000 mm/s時(shí)，破巖效果最好；袁建民等[4]通過(guò)連續(xù)射流噴射角對(duì)破巖效果影響的試驗(yàn)分析，得出在150 MPa條件下最優(yōu)噴距時(shí)的最優(yōu)噴射角度；盧義玉等[5]對(duì)水射流輔助PDC刀具切割破碎巖石進(jìn)行了力學(xué)分析，認(rèn)為水射流布置在刀具的后方，并偏離刀具鉛垂中線(xiàn)面適當(dāng)位置輔助刀具破巖時(shí)，刀具受力可減少30%～50%；鄭品聰研究了微型隧道的開(kāi)挖過(guò)程，并認(rèn)為其與鉆井過(guò)程相似；鄭富書(shū)對(duì)隧道的開(kāi)挖進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，認(rèn)為高壓水射流功率對(duì)開(kāi)挖巖石起決定性作用；日本學(xué)者山門(mén)憲熊等認(rèn)為水射流的門(mén)限壓力與巖石的堅(jiān)固性系數(shù)成正比，而松木浩二等通過(guò)試驗(yàn)得出門(mén)限壓力與巖石的抗拉強(qiáng)度有較好的線(xiàn)性關(guān)系，水射流沖擊巖石時(shí)存在一個(gè)臨界噴距[6-7]；之后一些學(xué)者對(duì)水射流聯(lián)合機(jī)械破巖的主要配合參數(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬，得出了水射流輔助機(jī)械破巖的關(guān)鍵參數(shù)對(duì)破巖效果的影響規(guī)律[8-10]?？傮w而言，國(guó)內(nèi)外學(xué)者從理論和試驗(yàn)等方面對(duì)高壓水射流技術(shù)做了比較全面的闡述，認(rèn)為高壓水射流完全有能力破碎巖石。但是，隧道開(kāi)挖是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，需要從隧道的開(kāi)挖方法、水射流參數(shù)和水射流技術(shù)整體方案上分析其經(jīng)濟(jì)性和可行性，以便能更好地推廣使用。

本文以高壓水射流技術(shù)的分析為出發(fā)點(diǎn)，對(duì)水射流的主要參數(shù)進(jìn)行了簡(jiǎn)單的調(diào)研與分析，提出適合水力開(kāi)挖的2種開(kāi)挖方法，并有針對(duì)性地設(shè)計(jì)了單獨(dú)水射流開(kāi)挖方案、水射流配合機(jī)械開(kāi)挖方案和水射流輔助機(jī)械開(kāi)挖方案，結(jié)合實(shí)例采用統(tǒng)計(jì)分析的方法對(duì)方案的經(jīng)濟(jì)性和可行性進(jìn)行了分析，以期為隧道水射流技術(shù)的應(yīng)用提供參考。

1 高壓水射流破巖技術(shù)的原理

水射流技術(shù)是近幾十年來(lái)發(fā)展迅速的一項(xiàng)新技術(shù)，已廣泛地應(yīng)用于清洗、切割和破碎作業(yè)中，具有獨(dú)特的優(yōu)越性。水射流是以水為工作介質(zhì)，通過(guò)增壓設(shè)備和特定形狀的噴嘴產(chǎn)生高速射流束，具有極高的能級(jí)密度。其工作原理是：水射流布置在機(jī)械刀具周?chē)?，?dāng)水射流沖擊巖石時(shí)，巖石破碎的主要機(jī)制是沖蝕效應(yīng)和微裂紋的擴(kuò)展。當(dāng)水射流速度達(dá)到500 m/s、沖擊力為300 MPa時(shí)(超過(guò)大多數(shù)巖石的抗壓強(qiáng)度)，巖石以壓縮的形式破壞。如果在超高壓水射流的作用下，巖石原有的各種微裂紋和孔隙在強(qiáng)大的水射流擠壓力作用下被增壓到巖石的臨界破壞狀態(tài)，使微裂紋擴(kuò)展和聯(lián)通，最終導(dǎo)致巖石破壞，從而進(jìn)行巖石的破碎。水射流輔助機(jī)械破碎巖石如圖1所示。

2 隧道高壓水射流開(kāi)挖參數(shù)的調(diào)研研究

2.1 水射流參數(shù)的計(jì)算與選取

就工程應(yīng)用中最常見(jiàn)的連續(xù)水射流而言，人們最關(guān)心的是基本參數(shù)，即產(chǎn)生射流的流體靜壓力(簡(jiǎn)稱(chēng)射流壓力)、射流流量、流速、功率及反沖力等動(dòng)力學(xué)參數(shù)。

在高壓水射流壓力強(qiáng)度已經(jīng)足夠使巖石破碎的情況下，要想大幅度地提高破碎效率，就要靠水射流的流量，而非壓力。在水射流壓力一定的前提下，水射流流量的計(jì)算公式為：

式中：qt為射流流量，L/min；d為噴嘴直徑，mm。

(a)

(b)

很顯然，水射流所需流量與噴嘴直徑和壓力的平方根成正比，故在噴嘴直徑一定的前提下，流量對(duì)破碎效率的作用比壓力大得多。例如對(duì)于大理巖而言，噴嘴直徑為0.5 mm時(shí)，花崗巖所需壓力為150～320 MPa，對(duì)應(yīng)所需的流量為6.4～9.4 L/min。

噴嘴出口的射流功率是壓力和流量的函數(shù)，可表示為：

P=35.1d2p3/2。

式中：P為射流功率，W；d為噴嘴直徑，mm；p為射流壓力，MPa。

可以看出，噴嘴出口的射流功率是射流壓力與噴嘴尺寸的函數(shù)，表明射流功率與噴嘴直徑的平方、壓力的3/2次冪成正比關(guān)系，即射流功率對(duì)噴嘴直徑的變化比對(duì)壓力的變化敏感得多。噴嘴直徑增加1倍，射流功率則增加3倍；而壓力增加1倍，射流功率則增加1.8倍。因此，對(duì)于水射流破碎巖石來(lái)說(shuō)，通常是通過(guò)增加水射流壓力和流量的方式來(lái)增強(qiáng)破碎效果。

2.2 水射流開(kāi)挖方法的調(diào)研研究

伴隨著高壓水射流破巖技術(shù)的發(fā)展，壓力達(dá)4 000 kg/cm2的高壓水射流切割機(jī)和增壓器已成批生產(chǎn)，且在硬巖中的鉆速已達(dá)到相當(dāng)高的水平。如在花崗巖中鉆孔徑為25.4 mm的孔，速度可達(dá)3 m/min，說(shuō)明高壓水射流破巖技術(shù)已經(jīng)非常成熟；但對(duì)于隧道開(kāi)挖而言，開(kāi)挖方法則關(guān)系到水射流技術(shù)能否成功地應(yīng)用于隧道施工中。

2.2.1 高壓水射流開(kāi)挖隧道切槽掘進(jìn)法

某流體工業(yè)公司提出了一個(gè)掘進(jìn)施工方案，即在掘進(jìn)開(kāi)始前，先用高壓水沿隧道周邊切槽，然后用高壓水打炮眼，使切槽深與循環(huán)進(jìn)尺相等，最后爆破破巖。目的是減少超挖、保護(hù)圍巖、降低支護(hù)成本、增加爆破自由面以降低炸藥消耗量和炮眼數(shù)量。水射流切槽掘進(jìn)法如圖2所示。

圖2 水射流切槽掘進(jìn)法示意圖

為了實(shí)現(xiàn)這一方案，在花崗巖上進(jìn)行了切槽試驗(yàn)，所用水壓力為3 000 kg/cm2，切槽寬20 mm，水射流沿一定方向往返移動(dòng)進(jìn)行切槽，槽深20 mm時(shí)，切割速度可達(dá)1 m/min，每個(gè)鉆頭動(dòng)力為25.742～29.420 kW。經(jīng)測(cè)試，當(dāng)隧道循環(huán)進(jìn)尺1.5～2 m時(shí)，切1 m長(zhǎng)的槽需要1.5 h。

與使用巖石掘進(jìn)機(jī)開(kāi)鑿隧道相比，高壓水射流切槽爆破掘進(jìn)施工方案隨然增加了爆破成本，能量消耗大，但比較靈活，可以開(kāi)鑿任意斷面形狀的隧道。

2.2.2 高壓水射流輔助機(jī)械開(kāi)挖隧道的同心槽法

西德礦山研究公司在對(duì)有關(guān)資料做了廣泛研究之后，決定對(duì)高壓水射流輔助機(jī)械刀具(滾刀)破巖進(jìn)行探討。設(shè)想的辦法是用高壓水射流切割出同心的槽溝，使巖石面預(yù)先變?nèi)?，接著用滾刀將殘留的巖脊剪切下來(lái)，這樣巖石的壓碎就變?yōu)榧羟衅扑?，從而使?jié)L刀上的靜力顯著減少，各種巖石掘進(jìn)機(jī)的質(zhì)量也就減小。這樣有利于井下作業(yè)，并在現(xiàn)場(chǎng)取得了良好的效果。水射流輔助機(jī)械切割巖石如圖3所示。

圖3水射流輔助機(jī)械切割巖石示意圖

Fig.3 Rock cutting by mechanical method assisted by water jet

3 隧道水射流開(kāi)挖技術(shù)的經(jīng)濟(jì)效能及可行性分析

水射流開(kāi)挖技術(shù)是一項(xiàng)新技術(shù)，而鉆爆法是普遍采用的開(kāi)挖方法。不管是水射流開(kāi)挖，還是鉆爆法開(kāi)挖，影響隧道成本的因素有隧道施工技術(shù)水平、管理水平、施工用地和地區(qū)差異等，但上述因素?zé)o法進(jìn)行定量計(jì)算，故應(yīng)重點(diǎn)分析在開(kāi)挖工序中能定量計(jì)算的爆破費(fèi)、人工費(fèi)、機(jī)械設(shè)備費(fèi)等的差異。

3.1 鉆爆法開(kāi)挖方案的能耗分析

假如開(kāi)挖的單線(xiàn)隧道斷面面積為56 m2，鉆爆法施工，全斷面開(kāi)挖，運(yùn)輸方式為無(wú)軌運(yùn)輸，采用空壓機(jī)、多功能作業(yè)臺(tái)架、手持風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī)進(jìn)行機(jī)械配備(設(shè)備配置見(jiàn)表1)，每月平均進(jìn)尺140 m，循環(huán)進(jìn)尺2～3 m。

表1鑿巖設(shè)備經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較
Table 1 Comparison and contrast among different rock drilling methods in terms of economy and technology

項(xiàng)目風(fēng)鉆配合臺(tái)架固定空壓站移動(dòng)空壓站液壓鑿巖機(jī)組配合臺(tái)架總功率/kW520400132耗電量/kWh1040008000021372耗材/元365003650018000設(shè)備總值/萬(wàn)元46．568．395工費(fèi)/萬(wàn)元6．66．66．6消耗總費(fèi)/萬(wàn)元16．5515．4610．54

3.1.1 鑿巖設(shè)備的計(jì)算

通過(guò)對(duì)表1鉆爆法鑿巖設(shè)備的經(jīng)濟(jì)比較，認(rèn)為液壓鑿巖機(jī)組配合作業(yè)臺(tái)架是一種比較經(jīng)濟(jì)實(shí)用的鑿巖設(shè)備，而目前鉆爆法開(kāi)挖隧道普遍采用的是風(fēng)鉆配合臺(tái)架。按電費(fèi)0.8 元/kWh，經(jīng)計(jì)算，月進(jìn)尺140 m所產(chǎn)生的費(fèi)用大約為103.5 萬(wàn)元。

3.1.2 爆破費(fèi)用的計(jì)算

鉆爆法施工的主要材料有炸藥、起爆器、導(dǎo)爆索等。材料的消耗與圍巖、設(shè)備、掘進(jìn)進(jìn)尺等因素有關(guān)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前普遍使用的硝銨炸藥、導(dǎo)火線(xiàn)、普通雷管、非電毫秒雷管及導(dǎo)火索的綜合單價(jià)分別為10.06，1.70，4.70，4.70，2.30元。

根據(jù)常用的經(jīng)驗(yàn)公式，按每循環(huán)2～3 m、斷面面積為56 m2計(jì)算，使用硝銨炸藥的炸藥量為80 kg左右，采用非電毫秒雷管+導(dǎo)爆索并聯(lián)爆破，所需導(dǎo)爆管400 m。經(jīng)計(jì)算，月進(jìn)尺140 m所需的爆破費(fèi)用在5萬(wàn)～7萬(wàn)元。

3.1.3 人工費(fèi)的計(jì)算

根據(jù)《秦嶺隧道TBM施工工程經(jīng)濟(jì)分析》中建議的鉆爆法施工人員配備，鉆爆法所需施工人員隨隧道開(kāi)挖斷面的增大、配套機(jī)械的增多而增加，根據(jù)每循環(huán)中各工序所占時(shí)間，安排2班/d或3班/d作業(yè)。根據(jù)單線(xiàn)鐵路隧道人工鉆孔全斷面開(kāi)挖勞動(dòng)力組織表，大概需要工人36名，按每人工資5 000元/月，安排3班作業(yè)，經(jīng)計(jì)算，人工費(fèi)大約為18 萬(wàn)元/月。

經(jīng)計(jì)算，在進(jìn)行鉆爆法開(kāi)挖時(shí)，所需的開(kāi)挖總費(fèi)用約為130 萬(wàn)元/月。

3.2 單獨(dú)水射流隧道施工方案的經(jīng)濟(jì)性分析

3.2.1 費(fèi)用分析

水力開(kāi)挖機(jī)組主要有破巖系統(tǒng)、輸水系統(tǒng)和供電系統(tǒng)3部分組成。其機(jī)組配備人員為5～7人(水槍手3～5人，電工1人，維修人員1人)。2班工人需要人工費(fèi)共計(jì)5萬(wàn)～8萬(wàn)元/月，水射流設(shè)備的費(fèi)用約250萬(wàn)元，共計(jì)總費(fèi)用約為260萬(wàn)元。

3.2.2 進(jìn)度分析

采用手持水槍對(duì)隧道進(jìn)行開(kāi)挖時(shí)，采用140 MPa的水壓，流量為160 L/min，巖石強(qiáng)度為30～70 MPa，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況自行調(diào)整水射流壓力和流量。當(dāng)開(kāi)挖深度為0.1 m時(shí)，破除效率為4～5 m2/h，考慮到隧道放線(xiàn)、開(kāi)挖、支護(hù)、出渣所需的時(shí)間以及不可預(yù)見(jiàn)的因素，3 d開(kāi)挖7個(gè)循環(huán)，開(kāi)挖工作時(shí)間為8 h/d，每循環(huán)工作4 h，破除量為32～40 m2，每月進(jìn)尺1.7～2.1 m。

采用水射流破碎機(jī)對(duì)連續(xù)梁頂板塌陷區(qū)進(jìn)行破除，塌陷區(qū)縱向6 m、橫向4 m、厚度為0.5 m，需1～2 h，破除效率為12～24 m2/h。若按同樣的效率開(kāi)挖隧道，考慮隧道放線(xiàn)、開(kāi)挖、支護(hù)、出渣所需的時(shí)間以及不可預(yù)見(jiàn)的因素，3 d開(kāi)挖7個(gè)循環(huán)，開(kāi)挖時(shí)間為8 h/d，每循環(huán)4 h，破除量為96～192 m2，則日進(jìn)尺0.85～1.7 m，月進(jìn)尺25.5～51.5 m。

對(duì)鉆爆法開(kāi)挖與單獨(dú)的手持水槍及水射流破碎機(jī)進(jìn)行了簡(jiǎn)單的效率分析，見(jiàn)表2。

表2 單獨(dú)水射流破碎巖石效率分析表Table 2 Efficiency of rock breaking by water jet

從表2可以看出，采用單獨(dú)的手持水槍或者水射流破碎機(jī)進(jìn)行巖石的開(kāi)挖，效率很低，且費(fèi)用高、局限性大。水射流對(duì)巖石強(qiáng)度有一定的適應(yīng)性，根據(jù)巖石切割的實(shí)際效果，認(rèn)為在50～150 MPa的壓力下，水射流能有效地完成巖石的切割；當(dāng)壓力大于150 MPa時(shí)效果會(huì)更好，不過(guò)比能不會(huì)減少很多。總之，對(duì)于隧道巖石的開(kāi)挖來(lái)說(shuō)，認(rèn)為采用單獨(dú)的水射流或者水射流破碎機(jī)進(jìn)行隧道的開(kāi)挖，其效果不如鉆爆法經(jīng)濟(jì)。

3.3 水射流配合機(jī)械施工方案的經(jīng)濟(jì)性分析

3.3.1 隧道水射流開(kāi)挖施工方案

根據(jù)調(diào)研情況，設(shè)計(jì)了一套水射流配合機(jī)械施工的方法，如圖4所示。

圖4隧道水射流配合機(jī)械施工
Fig.4 Tunnel excavation by mechanical method cooperated by water jet

1)用水射流切割機(jī)或水射流鉆機(jī)沿著隧道周邊及工作面鉆鑿連續(xù)的開(kāi)縫或鉆孔，將工作面分割成格子狀或打一定數(shù)量的鉆孔，形成很多自由面。

2)在自由面的分區(qū)塊內(nèi)用劈裂機(jī)或破碎機(jī)在裂縫或者鉆孔內(nèi)破碎巖石(一次破碎)，分裂完成后，用設(shè)備將石頭撥開(kāi)、搬走，從而制造出一個(gè)臨空面，臨空面制造得越好，分裂巖石的效率就越高。

3)根據(jù)破碎的效果進(jìn)行出渣，即由自由面的形成、水射流割縫或打孔、分裂與破碎巖石3種作業(yè)組成，形成自由面的高壓水射流割縫或打孔、劈裂機(jī)割巖和破巖裝置是水射流配合機(jī)械開(kāi)挖巖石的主要裝置。

3.3.2 水射流配合機(jī)械破碎巖石的經(jīng)濟(jì)性分析

采用水射流設(shè)備對(duì)隧道進(jìn)行鉆孔或割縫時(shí)，不考慮其他因素，采用140～280 MPa的水壓，在巖石上鉆直徑為40 mm的孔，速度可達(dá)2～3 m/min。隧道斷面為56 m2，根據(jù)調(diào)研的劈裂機(jī)的現(xiàn)場(chǎng)效果，鉆孔間距在60～70 cm時(shí)，破碎效果更好，更有利于運(yùn)輸。經(jīng)計(jì)算，約需布孔50個(gè)，需時(shí)間約2 h，考慮不可預(yù)見(jiàn)的因素、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、場(chǎng)地的布置及劈裂機(jī)的工作時(shí)間，保證每循環(huán)開(kāi)挖工作時(shí)間為3～4 h(鉆爆法開(kāi)挖每循環(huán)在4～5 h)，每循環(huán)比鉆爆法正常開(kāi)挖至少能節(jié)省1 h，每月至少可節(jié)省60 h，可增加15個(gè)循環(huán)，開(kāi)挖進(jìn)尺可增加45～60 m，月開(kāi)挖進(jìn)度可達(dá)200 m，進(jìn)度可提高30%左右。

對(duì)鉆爆法和水射流設(shè)備配合割縫或鉆孔進(jìn)行了簡(jiǎn)單的效率分析，如表3所示。

表3 水射流配合機(jī)械破碎巖石效率分析表Table 3 Efficiency of rock breaking by mechanical method cooperated by water jet

從表3可以看出：采用水射流設(shè)備配合機(jī)械開(kāi)挖隧道，根據(jù)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況，認(rèn)為該方案對(duì)巖石的適應(yīng)性較強(qiáng)，能有效地完成對(duì)巖石的割縫和鉆孔，僅僅在開(kāi)挖環(huán)節(jié)，每月可節(jié)省開(kāi)挖時(shí)間45～60 h，每月進(jìn)度可提高30%左右。但是，當(dāng)采用水射流切割設(shè)備對(duì)巖石進(jìn)行切割時(shí)，前期設(shè)備投入太大，而采用水射流鉆孔配合劈裂機(jī)開(kāi)挖時(shí)的投入與鉆爆法每延米開(kāi)挖費(fèi)用相差不大；同時(shí)，劈裂機(jī)使用方便、維修簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜，認(rèn)為水射流鉆孔配合劈裂機(jī)進(jìn)行隧道巖石的開(kāi)挖，效率高、費(fèi)用合理，但對(duì)安全性要求較高，在隧道中進(jìn)行巖石的開(kāi)挖其技術(shù)是可行的。

3.4 高壓水射流輔助掘進(jìn)機(jī)施工方案的經(jīng)濟(jì)性分析

高壓水射流輔助刀具破巖的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)在斯克科密斯山的花崗巖采石場(chǎng)進(jìn)行，巖石為花崗巖，抗壓強(qiáng)度為1 730～2 247 kg/cm2。經(jīng)過(guò)一系列現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，證實(shí)高壓水射流輔助掘進(jìn)機(jī)刀具破巖是成功的，掘進(jìn)速度平均可提高50%～60%，機(jī)器所需的扭矩亦可降低25%。為了確定掘進(jìn)速度提高后的經(jīng)濟(jì)效益，亦進(jìn)行了技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析與比較。

3.4.1 實(shí)例1

地鐵隧道工程的隧道直徑為6.1 m、巖石強(qiáng)度為1 758 kg/cm2、掘進(jìn)速度為1.22 m/h，掘進(jìn)機(jī)價(jià)格為250萬(wàn)美元。其中，水射流設(shè)備需要量按使用刀具間射流所需的功率來(lái)估算，工程的機(jī)械利用率、勞動(dòng)力總數(shù)和直接勞動(dòng)力費(fèi)用則各異。

1臺(tái)刀具的平均切割間距為76.2 mm，直徑為6.1 m的巖巷掘進(jìn)機(jī)總共需要60股射流。假定用0.25～0.3 mm的噴嘴，壓力為3 515 kg/cm2時(shí)每股射流需要14.7～22.05 kW，總共不到1 470 kW，水射流設(shè)備費(fèi)用大約為40萬(wàn)美元。

為了了解掘進(jìn)機(jī)的節(jié)約費(fèi)用情況，計(jì)算了掘進(jìn)速度提高10%，25%，50%，100%，150%，200%時(shí)的費(fèi)用節(jié)約百分比，見(jiàn)表4。

表4 掘進(jìn)速度提高后的費(fèi)用節(jié)約百分比(紐約地鐵隧道工程)Table 4 Economic efficiency due to accelerated tunnel excavation rate (case of tunnel of New York Metro) 美元/m

從表4可以看出，掘進(jìn)速度分別提高50%，100%，150%，200%時(shí)，費(fèi)用節(jié)約百分比超過(guò)26%，37%，63%，對(duì)于一項(xiàng)隧道掘進(jìn)工程來(lái)說(shuō)，這些節(jié)約百分比是相當(dāng)可觀(guān)的。

3.4.2 實(shí)例2

內(nèi)華達(dá)州西南河山隧道直徑為3.8 m，需要的水射流設(shè)備按735 kW的裝置來(lái)估算，假定用刀具間噴嘴，平均刀具間距為63.5 mm，0.3 mm噴嘴共30個(gè)，壓力為3 515 kg/cm2，分析結(jié)果見(jiàn)圖5和圖6。

圖5 費(fèi)用節(jié)約百分比與掘進(jìn)速度提高百分比的關(guān)系曲線(xiàn)Fig.5 Economic efficiency Vs acceleration of tunnel excavation rate

總投資1 100萬(wàn)美元，掘進(jìn)費(fèi)用為1 820美元/m。(a)機(jī)械掘進(jìn)

掘進(jìn)速度提高50%，總投資950萬(wàn)美元，掘進(jìn)費(fèi)用為1 558美元/m。
(b)水射流輔助機(jī)械掘進(jìn)

圖6費(fèi)用分配圖

Fig.6 Composition of construction cost

從圖5和圖6中可以看出：水射流輔助掘進(jìn)可節(jié)約費(fèi)用14.4%，直接勞動(dòng)力費(fèi)用有所下降，但設(shè)備費(fèi)用增加，掘進(jìn)費(fèi)用從1 820美元/m降至1 558美元/m，總費(fèi)用從1 100萬(wàn)美元降至950萬(wàn)美元；費(fèi)用節(jié)約百分比隨掘進(jìn)速度提高百分比的增大而增大，掘進(jìn)速度提高50%時(shí)，可節(jié)約費(fèi)用14%。

通過(guò)對(duì)2個(gè)案例的分析比較可以看出：1)用水射流輔助機(jī)械掘進(jìn)，費(fèi)用節(jié)約很多，掘進(jìn)速度分別提高50%，100%，150%時(shí)，可節(jié)約費(fèi)用12%，25%，30%以上；2)水射流輔助掘進(jìn)帶來(lái)的收益是否抵得上安裝水射流裝置的支出，主要取決于掘進(jìn)速度提高的百分比。掘進(jìn)速度提高10%，便可抵消水射流系統(tǒng)的費(fèi)用，但是沒(méi)有比較設(shè)備和掘進(jìn)機(jī)設(shè)計(jì)的最佳化，若掘進(jìn)速度比樣機(jī)試驗(yàn)時(shí)更高，則費(fèi)用也相應(yīng)進(jìn)一步節(jié)省。

4 結(jié)論與展望

1)水射流流量和射流壓力是決定切割效果的關(guān)鍵參數(shù)，但是流量對(duì)破碎效率的作用比壓力大得多。巖石的強(qiáng)度是決定巖石開(kāi)挖技術(shù)適用范圍的決定性因素，認(rèn)為Ⅱ級(jí)和Ⅲ級(jí)圍巖單軸抗壓強(qiáng)度在60～150 MPa時(shí)最適合采用隧道水力開(kāi)挖技術(shù)，而對(duì)于不同的巖石，存在著一個(gè)最佳的水射流工況參數(shù)匹配。

2)對(duì)單獨(dú)的水射流開(kāi)挖來(lái)說(shuō)，能量消耗大，且效率低、費(fèi)用高；而采用水射流鉆孔配合劈裂機(jī)開(kāi)挖時(shí)，消耗成本相對(duì)較低，對(duì)巖石適應(yīng)性較強(qiáng)，每月開(kāi)挖時(shí)間可節(jié)省45～60 h，每月進(jìn)尺可提高30%左右，認(rèn)為在隧道中進(jìn)行巖石的開(kāi)挖是可行的。

3)采用水射流輔助機(jī)械開(kāi)挖時(shí)，影響隧道開(kāi)挖效率的決定性因素是掘進(jìn)速度，同時(shí)，刀盤(pán)承受的切削能力可降低30%。當(dāng)掘進(jìn)速度提高10%時(shí)，剛好能彌補(bǔ)水射流設(shè)備的投入費(fèi)用，隨著掘進(jìn)速度的提高，節(jié)省的費(fèi)用也越多。但是也存在一些問(wèn)題，譬如水射流噴嘴位置的布置等參數(shù)，為了使這項(xiàng)破巖技術(shù)盡快地付諸使用，還得繼續(xù)進(jìn)行一系列相關(guān)的試驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，產(chǎn)生適合這類(lèi)破巖技術(shù)的最佳設(shè)計(jì)參數(shù)，提高水射流系統(tǒng)的可靠性和經(jīng)濟(jì)性。

水射流破巖技術(shù)是一項(xiàng)新的、發(fā)展前景廣闊的技術(shù)，但是由于原材料質(zhì)量不過(guò)關(guān)、噴嘴堵塞及高壓原件的銹蝕和密封等問(wèn)題，不論破碎硬巖還是軟巖，所需要的射流功率都很大。因此，到目前為止，投入生產(chǎn)使用的水射流輔助破碎巖石機(jī)械很少，基于此，以后應(yīng)加強(qiáng)對(duì)水射流機(jī)械器件的研發(fā)，并研究最佳配合參數(shù)。

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我國(guó)2項(xiàng)工程榮膺“菲迪克工程項(xiàng)目?jī)?yōu)秀獎(jiǎng)”

國(guó)際咨詢(xún)工程師聯(lián)合會(huì)(International Federation of Consulting Engineers-FIDIC，菲迪克)是全球工程咨詢(xún)行業(yè)權(quán)威性的國(guó)際非政府組織。2014年9月28日至10月1日，菲迪克在巴西里約熱內(nèi)盧舉行2014年年會(huì)，年會(huì)以“創(chuàng)新的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)解決方案“為主題，關(guān)注工程咨詢(xún)業(yè)的發(fā)展，同時(shí)頒發(fā)了”菲迪克2014年工程項(xiàng)目杰出獎(jiǎng)和優(yōu)秀獎(jiǎng)”。其中，“石太高速鐵路太行山超長(zhǎng)隧道群工程”和“京廣高鐵鄭州黃河公鐵兩用橋工程”獲得了菲迪克工程項(xiàng)目?jī)?yōu)秀獎(jiǎng)。

石太高速鐵路連接石家莊和太原，在太行山地區(qū)采用首尾相連的超長(zhǎng)隧道群穿越。石太高速鐵路太行山超長(zhǎng)隧道群工程是全線(xiàn)關(guān)鍵工程，由3座隧道組成，整個(gè)隧道群長(zhǎng)度為47.5 km，其中最重要的是長(zhǎng)度為27.839 km的太行山隧道，由2條平行的單線(xiàn)隧道構(gòu)成，其長(zhǎng)度居國(guó)內(nèi)運(yùn)營(yíng)鐵路隧道之首。在隧道建設(shè)過(guò)程中，施工單位構(gòu)建了高速鐵路隧道技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，形成了在膏溶角礫巖中隧道修建技術(shù)，首創(chuàng)了超大斷面隧道單洞變雙洞過(guò)渡段建造技術(shù)。

太行山隧道要通過(guò)長(zhǎng)達(dá)6.8 km的膏溶角礫巖，這是一種工程性質(zhì)很差的“軟巖硬土”，存在膨脹性、遇水崩解軟化等諸多問(wèn)題，工程風(fēng)險(xiǎn)極高。經(jīng)過(guò)專(zhuān)項(xiàng)研究和試驗(yàn)，提出了膏溶角礫巖的圍巖分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)和工程措施，保障了結(jié)構(gòu)施工及運(yùn)營(yíng)安全。

在高鐵隧道群中，發(fā)生列車(chē)災(zāi)害事故后人員的快速逃生極其重要。通過(guò)數(shù)值計(jì)算、模型試驗(yàn)及災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)情景模擬等，專(zhuān)家建立了列車(chē)在隧道內(nèi)發(fā)生火災(zāi)事故后人員安全疏散技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，填補(bǔ)了該領(lǐng)域的技術(shù)空白。

環(huán)境友好理念貫穿于項(xiàng)目的工程咨詢(xún)與建設(shè)全過(guò)程。采用技術(shù)措施，避免了對(duì)地表水系的影響。對(duì)于隧道群超過(guò)700萬(wàn)m3的棄渣，在本項(xiàng)目或當(dāng)?shù)爻浞掷茫Ｓ鄺壴卸逊牛謴?fù)植被。隧道洞門(mén)采用緩沖結(jié)構(gòu)，緩解了空氣波動(dòng)對(duì)周?chē)h(huán)境的影響。

另一個(gè)獲得2014年菲迪克獎(jiǎng)項(xiàng)的項(xiàng)目是京廣高鐵鄭州黃河公鐵兩用橋工程，這是京廣高速鐵路與鄭州至新鄉(xiāng)一級(jí)公路跨越黃河的特大型共用橋梁，該橋公鐵合建段長(zhǎng)9.177 km，是目前世界上最長(zhǎng)的公鐵兩用合建橋梁。

(摘自 隧道網(wǎng) http://www.stec.net/sites/suidao/ConPg.aspx?InfId=3a1e3d98-9dab-4380-b784-1533793a5a41&CtgId=142f6ac5-a07a-44b6-8d17-42710c37e548 2014-11-04)

FeasibilityStudyandDiscussiononTunnelExcavationbyWaterJetTechnology

WANG Dong,LI Yongsheng,GOU Hongsong

(TechnologyCenterofChinaRailwayTunnelGroupCo.,Ltd.,Luoyang471009,Henan,China)

The principle of rock cutting by means of water jet is presented,key parameters and methods for tunnel excavation by means of water jet are investigated,comparison and contrast is made among 3 water-jet-based tunnel excavation schemes,i.e.,tunnel excavation by means of only water jet,tunnel excavation by mechanical method cooperated by water jet and tunnel excavation by mechanical method assisted by water jet,in terms of technology and economic efficiency.The calculation made verifies the feasibility of tunnel excavation by mechanical method cooperated by water jet.Conclusion is drawn that excavation by mechanical method cooperated by water jet can meet the requirements of the economic efficiency,advance rate,operation environment and risks of tunneling.

tunnel; high pressure water jet; construction scheme; feasibility

2014-09-23;

2014-10-10

王棟(1985—)，男，河南新安人，2011年畢業(yè)于河南理工大學(xué)，礦業(yè)工程專(zhuān)業(yè)，碩士，工程師，現(xiàn)從事隧道及地下工程施工和科研工作。

10.3973/j.issn.1672-741X.2014.11.005

U 455.3+2

A

1672-741X(2014)11-1042-07