矿山法隧道机械开挖工艺及工程应用研究

引言

矿山法作为隧道与地下工程建设的主要工法之一，长期以来依赖钻爆法进行开挖。然而，在城镇地区、邻近既有建（构）筑物或地质条件复杂（如软弱围岩、断层破碎带）的区段，钻爆法产生的强烈振动、噪音和粉尘等负面效应，以及对围岩的剧烈扰动，极大地限制了其应用。为应对这一挑战，将高效、精准、低扰动的机械开挖工艺引入传统矿山法体系，形成了机械化的矿山法施工技术。

1 矿山法隧道机械开挖工艺的核心类型

根据机械参与程度与开挖方式，矿山法隧道机械开挖工艺可分为两大类，不同工艺的适用场景与技术特点差异显著：

1.1 钻爆辅助机械开挖工艺

以“机械钻孔+爆破破碎+机械出碴”为核心流程，适用于硬岩地层（单轴抗压强度 >30MPa ），是当前矿山法隧道硬岩开挖的主流工艺，主要包括：

凿岩台车钻爆工艺：通过液压凿岩台车（多臂台车）实现炮孔精准钻孔，配合毫秒微差爆破技术破碎岩石，再通过装载机、自卸车完成出碴；

潜孔钻机钻爆工艺：适用于大直径炮孔（孔径 >100mm ）与深孔爆破（孔深 >5 米），常用于隧道掌子面面积 >100m² 的大型断面开挖。

1.2 全机械开挖工艺

无需爆破，通过机械直接切削、破碎岩石实现开挖，适用于软岩、破碎围岩及对振动敏感的区域（如城市地铁隧道穿越建筑群），主要包括：盾构机（TBM）开挖工艺：分为硬岩TBM（敞开式、护盾式）与软岩盾构（土压平衡盾构、泥水平衡盾构），实现“开挖-支护-衬砌”一体化作业；铣挖机联合开挖工艺：通过铣挖机（液压铣挖头）直接切削岩石，配合锚杆钻机、喷射机械手完成支护，适用于小断面隧道（断面面积 <50m² ）与局部欠挖处理；悬臂式掘进机（EBZ）开挖工艺：集开挖、出碴、支护于一体，适用于中等硬度岩石（单轴抗压强度 10-30MPa ）与破碎围岩，常用于煤矿隧道、公路隧道辅助开挖。

1.3 导台施工

矿山法隧道施工完毕后,在其底部进行导向平台的施工,确保盾构顺利通过。导向平台为高 50cm 的 C30 素混凝土结构,平台上预埋有 2 根P50 钢轨。为确保盾构与平台间接触面积足够,平台断面与隧道中心的夹角设为60^∘. 。为确保盾构刀盘可顺利切入端头墙体,导向平台与端头墙间预留 1m 长的间隙,且平台由竖井洞门一直延伸至端头墙体位置。

1.4 铣挖机（MillingExcavator）开挖工艺

铣挖机是一种安装在液压挖掘机臂架上的附属工装，其本质是“挖掘机+ 铣挖头”。工作原理：通过挖掘机的液压系统驱动铣挖头旋转，其上布置的合金截齿对岩土体进行铣削破碎。技术特点：优点：灵活性极高，可快速安装和拆卸，适用于不规则断面、局部修边、隧道扩挖等工况；投资成本相对较低；同样具备低扰动、高精度的优点。缺点：纯开挖效率低于专用掘进机；更适用于UCS 低于40-50MPa 的软岩、强风化岩及土质围岩。

2 现存核心问题

2.1 特殊地质适配性不足

极硬岩（抗压强度 >150MPa ）地层中，TBM 刀具磨损速率加快（日均磨损量 2-3mm ），掘进效率降至 5-8 米/日；岩溶发育地层易出现刀盘卡阻、涌水，需频繁停机处理。

2.2 复合地层适应性不足

复合地层（如“软岩-硬岩”交替分布）中，单一机械工艺难以适配：凿岩台车在软岩段钻孔易塌孔，需额外支护；悬臂式掘进机在硬岩段效率低，导致工艺切换频繁，延误工期——某复合地层隧道因工艺切换，日均进度

减少2 米，工期延误1 个月。

2.3 开挖与支护协同性差

部分项目机械开挖与支护不同步，如凿岩台车爆破后未及时支护，导致围岩暴露时间超8 小时，诱发局部坍塌；悬臂式掘进机虽配备支护设备，但支护速度（4 根锚杆/小时）滞后于开挖速度（8 米/天），形成“开挖快、支护慢”的矛盾。

3 矿山法隧道机械开挖工程应用

3.1 地质适应性分析与设备选型

机械开挖工艺的成功应用首要在于科学选型，核心依据是工程地质与水文地质条件。悬臂式掘进机适用工况：适用于中硬及以下岩层、断面尺寸较大的隧道主洞开挖。尤其在复合地层中优势明显，可灵活切换不同强度的岩层掘进，无需像钻爆法那样频繁改变爆破参数。对于断层破碎带等不良地质段，其低扰动的特性可有效避免塌方。铣挖机适用工况：更适用于软岩、土岩复合地层及全断面土质隧道。在城市隧道浅埋暗挖、下穿重要建筑物、地铁车站洞桩法施工、隧道边角与仰拱修整等场景中，其灵活性无可替代。

3.2 施工工法与工艺流程

机械开挖需与相应的矿山法工法相结合，通常用于台阶法中。开挖作业：遵循“短进尺、强支护”原则。以上半断面先行开挖为例，悬臂式掘进机或铣挖机按设计轮廓进行精细开挖，严格控制超欠挖，尽可能保留原岩。出渣运输：设备开挖下的渣土，通过其后部的输送机或直接由挖掘机铲斗卸至洞内运输车辆（如矿用卡车、皮带机），形成连续的开挖-出渣作业线。支护协同：开挖一循环后（通常为一榀钢架间距），立即进行初喷混凝土封闭围岩，随后架设钢拱架、打设锚杆、复喷混凝土至设计厚度，形成完整的初期支护体系。机械开挖为及时支护创造了有利条件。

3.3 关键控制技术

超欠挖控制：操作手的技术水平至关重要。需利用机械设备上的激光指向仪或断面扫描系统，实时校准开挖轮廓线，实现信息化、可视化掘进。围岩变形控制：尽管机械开挖扰动小，但仍需加强监控量测。对拱顶沉降、周边收敛等进行实时监测，根据数据动态调整开挖进尺和支护参数，确保施工安全。粉尘治理：机械开挖仍会产生粉尘，必须配备有效的喷雾降尘系统或除尘器，保障作业环境健康。

结语

综上所述，机械开挖工艺与传统矿山法的融合，代表了隧道施工技术向精细化、智能化、绿色化发展的重要趋势。悬臂式掘进机和铣挖机作为核心装备，凭借其低扰动、高精度、高安全性的显著优势，在城市复杂环境、软弱破碎围岩等特殊工况下，有效弥补了钻爆法的不足。实践证明，科学地选择和应用机械开挖工艺，能够显著提升工程质量、保障施工安全、控制环境影响，并最终取得良好的综合效益。未来，随着装备智能化水平的不断提升（如远程遥控、自动定位截割），机械开挖工艺在矿山法隧道中的应用前景将更加广阔，必将为我国隧道及地下工程的建设注入新的强大动力。

参考文献

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