淺談掘進機在水利工程應用的優缺點分析

張智勇 佘成國

1.中國水利水電第十工程局有限公司勘測設計院 四川 都江堰 611830；

2.中國水利水電第十工程局有限公司三分局 四川 都江堰 611800

1 工程概況

雅安市銅頭引水工程為一引水灌溉、供水工程。銅頭引水工程Ⅲ標段新圓木溝隧洞，全長466.16m，隧洞斷面形式為城門洞型，砼襯砌后引水隧洞成型斷面為1.8×2.7m。進口與關材溝倒虹管隧洞段相連，洞身段隧洞垂直埋深8～45m，洞身圍巖E1～2mn粉砂質泥巖夾灰綠色頁巖，巖層產狀為N13°E/SE∠20～25°，發育兩組陡傾角構造裂隙，洞身圍巖新鮮，圍巖為Ⅳ類，穩定性較差，出口段長73m，本隧洞尾部地形切割較強，起伏較大，出口處地形坡度40～55°，中間段山丘地表為坡殘積之黏土，厚0～2m，隧洞圍巖為E1～2m粉砂質泥巖，屬Ⅴ類圍巖，洞臉邊坡及圍巖穩定性差[1]。

2 工程特點

2.1 工程地質條件復雜，不可預見因素多

地質勘探成都較低，地下水位較淺，并且雅安地區常年多雨，涌水量和滲水量資料不詳，這些給施工方案的選擇和施工帶來困難。根據地質資料，該隧洞的巖石為第三系古始新統名山群之粉砂質泥巖夾泥巖粉砂巖、泥質粉砂巖夾灰綠色泥質條帶，巖石軟弱，均一性差，裂隙發育，巖體完整性差，有少量滲水，洞室圍巖穩定性較差，易變性及坍塌，對成洞不利，給支護工作增加了難度，增大了開挖支護工作量，支護時間占用時間長。由于基礎資料的系統性和精度的差異，隧洞段的圍巖有待于在施工期揭露情況的基礎上及時調整。

2.2 工程環境復雜，安全風險大

隧洞埋深較淺（8～45m），隧洞周圍居民集中，有多條沖溝、村溝和公路（村道、318國道金雞關隧洞）橫穿隧洞，滲水不斷，時長出現掉塊坍塌現象，不但加大了開挖、支護難度，而且安全風險大。

3 施工方案及方法

3.1 施工方案

隧洞開挖主要采用懸臂式掘進機開挖為主，人工用風鎬輔助配合施工，采用皮帶機配小型自卸車運輸棄渣至指定渣場，每隔170m～200m左右開挖一個錯車道。

3.2 施工方法

（1）施工準備

開挖前首先由測量放線（采用激光導向儀控制開挖邊線），其次懸臂式掘進機就位掘進施工，再次通過皮帶機裝車運輸棄渣至，最后支護，支護完成進入下一個循環。懸臂式掘進機操作順序：首先啟動油泵電機，其次開動第一運輸機，再次開動星輪，最后開動截割頭。

（2）施工方法

懸臂式掘進機掘進是采用“S”字形由下往上的開挖方法，懸臂式掘進機就位后，首先截割頭在掌子面底部水平切削出一條槽，然后掘進機向前移動再一次就位后，截割頭自下而上，左右循環進行切削，具體形式如下所示。掘進時兩名師傅進行聯合作業，一人操作掘進機，另一人擔任觀察手。

懸臂式掘進機施工采用掘進班2組、支護班2組的模式，即6～8小時掘進開挖，3～4小時支護，再6～8小時掘進，4小時支護。在各項條件正常的情況下，施工時實際1.5～2小時可以掘進1m左右，即每天可達到6～10m。洞渣運輸采用兩臺小型自卸車，施工時自卸車倒退至掘進機皮帶機處，渣土直接落入車廂，裝滿渣料后運至渣場，耗時15～25分鐘左右。

（3）施工中存在的問題

新圓木溝隧洞開工時，恰好雅安地區進入雨季，在雨水，洞內滲水和施工用水的作用下，由于隧洞內巖石為第三系古始新統名山群之粉砂質泥巖夾泥巖粉砂巖、泥質粉砂巖夾灰綠色泥質條帶，巖石軟弱，遇水即化，再加上車輛的碾壓對底板造成了極大的二次擾動，導致底板超挖達到10～30cm，對施工造成了極大影響，同時洞口鋼支撐底部也出現了被侵蝕掏空的現象。

4 掘進機與傳統火工優缺點

4.1 優點

（1）在手續審批方面：采用火工爆破施工時，火工材料審批手續十分煩瑣，且火工材料的保管、分發具有嚴格的要求，若采用掘進機施工則可避免煩瑣的審批手續，大大提高時間的利用率。

（2）在工程質量方面：采用掘進機方案施工，對地層擾動小，開挖斷面成型規則，洞壁光滑美觀，開挖成型面質量好，超欠挖小。鉆爆法施工對巖層擾動較大，不宜控制超欠挖。

（3）在進度方面：采用掘進機方案開挖，一個開挖工作面每天可掘進6～10m；而采用鉆爆法施工，每天兩個循環，每個循環進尺1.5～1.85m，即每天進尺為3～3.7m。掘進機開挖方案較鉆爆法而言具有快速、連續作業、機械化程度高等優勢，可大大縮短施工工期，加快工程進度。

（4）在經濟方面：對于巖石強度較低，長度超過300m的隧洞，采用掘進機進行施工可取得良好效果，投入成本相較于火工爆破也較小。

（5）安全文明施工方面：采用鉆爆法施工噪音大，施工安全性差，對周邊居民生活影響較大；而掘進機施工震動、噪聲小，安全性相對較高，能有效減小對周邊居民的擾動。

4.2 缺點

（1）采用掘進機進行施工前期費用投入較大，對于較短的隧洞仍不宜采用掘進機進行施工。

（2）采用掘進機進行施工對地質資料要求較高，需要對地質資料進行系統的采集和實時分析，以便隨時對掘進機參數進行調整來適應施工需要。

（3）在掘進施工時會產生大量粉塵，而掘進機本身的噴霧降塵系統和隧洞通風系統難以滿足降塵要求，在粉塵處理方面還需要進一步的加強。

（4）掘進機的機械化程度較高，要求掘進機手具有較高的專業技術水平，同時采用掘進機施工需專門配備掘進機維護檢修人員，以便隨時對掘進機進行維護。

（5）掘進機前期選型任務比較重要，掘因為進機對于圍巖強度有嚴格的要求，采用掘進機施工時，圍巖強度必須在掘進機適用強度范圍之內；而且還有考慮設備的外形尺寸與作業空間相關要求。

（6）對于施工中的工序銜接和配合提出了更高的要求，由于掘進機進尺速度較快，對于出渣車的配合，支護的跟進，后勤的保障都提出了更高的要求。否則就難以發揮出掘進機快速施工的優勢。

參考文獻

[1] 杜立杰.全斷面巖石掘進機施工技術[J],石家莊鐵道學院,2005,(4):55-58.