懸臂式掘進機在小斷面隧道掘進工程中的應用

王梯普，李遠征，魏武巍，張 漢，李泉智，李春早

懸臂式掘進機在小斷面隧道掘進工程中的應用

王梯普，李遠征，魏武巍，張 漢，李泉智，李春早

(中交一公局第七工程有限公司，河南 鄭州 451450)

小斷面隧道掘進工程具有斷面尺寸小、爆破施工夾制作用大、開挖功效低等特點。針對貴安新區某小斷面隧道掘進施工技術難點，針對懸臂式掘進機施工的適用性、應用效果及施工不足進行分析研究，并從人力與機械配置等3個方面進行優化。工程實踐表明：較傳統鉆爆法，采用懸臂式掘進機人員投入可減少133%，機械配置可減少140%，開挖成本可節約12.92 元/m3，既保證了施工進度和質量，又解決了安全與環保問題，為類似工程施工提供了經驗借鑒。

懸臂掘進機；小斷面掘進；隧道；鉆爆法

0 引 言

小斷面隧道的開挖建設，是地質勘查、灌引水、地下礦山開采等重點工程連接貫通的關鍵工序[1]。施工工藝的自動化、多樣化、效率化、重型化及經濟化是當前隧道掘進工程的主流發展方向[2]。盾構法及礦山鉆爆法是常見的隧道工程掘進開挖方法，隨著此類工程建設數量的不斷增多，眾多研究者對其開挖方法進行了大量的研究工作[3]。張子新等[4]通過采用大型模型試驗、數值仿真和工程驗證手段，系統研究地面出入式盾構法隧道新技術的關鍵問題，揭示地面出入式盾構法穿越不同階段的地表沉降規律，并以南京某隧道工程的開挖應用為工程背景，分析了該新方法在工程中主要施工參數的合理選擇和有效的控制技術；楊友生等[5]從鉆爆法隧道施工主要施工機械配置、配置方案優化措施、配套機械管理及專用設備使用成本等方面，簡述了鉆爆法隧道施工機械化配套實施控制要點。盡管盾構法及鉆爆法對地質條件適應性強，特別適用于堅硬與破碎巖石隧道及大量短隧道的施工[6]，但前者受小斷面施工尺寸的制約，無法滿足施工條件；后者因施工工序繁瑣、爆破振動對臨近水系或原有地質結構造成較大的破壞、炸藥單耗高且審批嚴格，常因其供應不及時而停工，從而延誤工期。為使工程如期進行，采用新工藝開挖方法是當前小斷面隧洞工程開挖建設的新課題。

懸臂式掘進機開挖法在煤巷建設工程中的應用較為成熟，隨著科學技術不斷發展，在非煤隧洞領域的應用前景也越來越好[7]。與上述施工方法相比，懸臂式掘進機克服其不足且具有施工進度快、圍巖擾動少、安全風險低、不需購置昂貴器械、不受開挖斷面尺寸影響以及開挖質量高等優點。

為此，本文以貴安新區某小斷面隧道掘進為應用實例，從人力與機械配置、開挖成本及開挖功效3個方面將懸臂掘進機和礦山鉆爆法做了研究和對比，針對施工不足提出相應的優化方案，為類似小隧洞工程建設提供經驗參考。

1 工程實例應用

1.1 工程概況

貴安新區某小斷面隧道掘進主洞總長5124.50 m，最小開挖斷面尺寸為3.0 m×3.4 m；1#支洞總長298.06 m，最小開挖斷面尺寸為4.5 m×4.6 m，拐彎半徑為60 m，坡度為8.91%；2#支洞總長347.13 m，最小開挖斷面尺寸為4.7 m×4.6 m，拐彎半徑為60 m，坡度為13.36%；隧洞主、支洞斷面均為城門洞型。場區屬溶蝕低山丘陵地貌，場區內巖石（最大抗壓強度測試）為85 MPa，測區地震動峰值加速度為0.05 g，地震動反應譜特征周期為0.35 s。隧洞整體埋深為20.0~80.0 m，平均埋深約50.0 m，其中，Ⅲ類圍巖1964.87 m，占37%；Ⅳ類圍巖2669.63 m，占53%；Ⅴ類圍巖490 m，占10%，主要分布于隧洞進出口段及斷層發育段。工程施工環境較為復雜，隧洞存在兩處斷層帶：引5+499.06～引5+559.06和最長斷層帶引2+536.00～引3+771.29；隧洞進口左側50 m有一居民飲水源，距隧洞進口178 m處有村民房屋；東縱線新寨互通立交跨線橋0#橋臺樁基與隧洞主線相交于主洞引K3+988.96-K3+994.23處。多種復雜因素綜合影響，使得工程難度進一步增加。

1.2 設備選型

項目隧洞主洞最小開挖斷面為Ⅲ級圍巖，其斷面尺寸為3.0 m×3.4 m，符合主洞施工的掘進機型號有EBZ160H和EBZ230K等2種懸臂式掘進機，1#支洞最小開挖斷面尺寸為4.5 m×4.6 m，2#支洞最小開挖斷面尺寸為4.7 m×4.6 m，符合支洞施工的掘進機型號共有EBZ200H、EBZ260H和EBZ318H等3種懸臂式掘進機。根據掘進機廠家提供的機械類型及技術參數，主洞施工掘進機方面；EBZ230K掘進機在尺寸上更小巧、靈活，EBZ230K掘進機鏟板寬度比EBZ160H型小，開挖作業時兩側鏟板預留空間大于50 cm，方便操作，行走方便；支洞施工掘進機方面：需考慮支洞進入主隧洞時運轉方便，且支洞作業時更加靈活，同時考慮在支洞作業設計坡度較大，其中EBZ200H掘進機符合最優條件，其機身在3種機型中最短，質量最輕，其他功能沒有差異。

結合本工程隧洞圍巖等級及斷面尺寸情況，在咨詢廠家技術人員的基礎上最終確定采用EBZ230K和EBZ200H掘進機，2種掘進機性能主要參數如表1所示。

表1 2種掘進機性能參數

2 施工工藝[8]

2.1 掘進施工工藝

懸臂式掘進機在掘進點首次就位后，從掌子面最底端切削出1條水平凹槽，切削完成后向前移動完成再次就位，就位后截割頭采取自下而上、左右循環的削巖路徑。鏟板部耙爪同時將截割頭切削下來的碴石轉入至出碴車運至隧洞外碴石臨時存放點[6-7]。完成底端切削至頂端后，對切削面進行二次修整，以達到設計斷面的標準。當遇到堅硬巖石（≥100 MPa）時，為降低掘進難度及截齒消耗量，可先切削周圍軟巖，使大塊硬巖墜落，對大塊墜落體采用適當辦法處理后再進行裝載。一次切削完成后，將懸臂式掘進機退至不影響初期支護施工距離，隨后在掌子面架設鋼拱支架，完成噴射混凝土等初期支護施工，至此完成一次掘進施工，待初期支護具有足夠支撐強度后，重復上述施工工藝，直至施工完成。掘進機施工工藝如圖1所示。

圖1 掘進機施工工藝

2.2 施工切割方式

懸臂式掘進機的截割方式是從掃底開始截割，再按S型或Z型左右循環向上的截割路線逐級截割上部巖石[8]。選用右旋截割頭截割硬巖，先由右向左從掃底開始截割，再按從左至右、自下往上的方式或從右往左、自上而下逐步進行截割。如遇節理發育較好巖石，則應沿巖石節理方向逐步切割。掘進機切割方式如圖2所示。

圖2 掘進機切割方式

針對不同硬度的巖石可定制不同的截齒，科學合理選擇最佳截割頭，可提高施工效率，當局部遇有硬巖時，可以選用小直徑切割頭。小直徑截割頭切割力大、破巖能力強，能降低掘進難度及截齒消耗量。

2.3 出碴方式

鏟板部耙爪將切割頭從掌子面巖石切削下來的石碴裝入一運裝載機，由裝載機轉運至二運轉載機，最后由二運轉載機將石碴直接裝入出碴車運出洞外。出碴采用5 t自卸汽車出碴，出碴與開挖同步進行，節省施工時間[9]。

2.4 初期支護

當懸臂式掘進機完成一次切削施工，經測量復核無欠挖現象后應及時進行初噴混凝土封閉作業及加設鋼拱架作業（Ⅳ級圍巖加強段和Ⅴ圍巖有鋼拱架）。隧洞初期支護按新奧法原理采用噴錨支護。初期支護噴射砼采用洞外拌合站集中攪拌混凝土，掘進機開挖一定進尺后退回錯車道內，支護作業班組開始進行噴錨支護，完成開挖到支護的作業循環。

3 與傳統爆破開挖方法對比分析

懸臂式掘進機開挖與傳統鉆爆法相比：人員配置由14人減為6人，人員投入率減少達133%；機械配置由12臺減為5臺，機械配置減少率達140%。人員配置減少的原因是在掌子面只需一臺懸臂式掘進機與一臺挖掘機配合作業，既避免了傳統鉆爆法開挖施工的多人班組，又大幅減少了手風鉆等器械設備的使用，施工作業效率提升十分顯著。

在巖石抗壓強度為60 MPa時，采用傳統鉆爆法時開挖成本為65.10 元/m3，較懸臂式掘進機開挖每立方米將多增加12.92 元，說明采用懸臂式掘進機經濟指標良好。傳統鉆爆法施工經濟指標高于懸臂式掘進機，人工費及材料費（炸藥、雷管等）高昂是其主要原因，而懸臂式掘進機靠截齒切削掌子面巖體，減少了該方面的費用支出。

懸臂式掘進機較傳統鉆爆法開挖更加高效，單次掘進施工可節約2.5 h。其原因是懸臂式掘進機為流水式作業施工，掘進機將石碴切削完畢后直接由底部耙抓運轉至裝載機再轉運至自卸車，避免了傳統鉆爆法施工鉆孔鑿眼至出碴排碴整個緩慢的過程，節約循環作業時間，提升作業效率。

此外，在施工安全性方面，懸臂式掘進機對圍巖擾動較少，避免了對圍巖的大范圍擾動造成的滲水、突泥等地質災害的發生，大大降低了安全事故發生的概率；在施工環保性方面，掘進機開挖圍巖斷面比爆破斷面規則、完整，圓順度高、無松散石塊，安全保障高，如存在局部欠挖無需補炮，處理速度快，可完成實時初期支護，自帶噴霧系統，可減小因切割巖面產生的大量粉塵且冷卻作業面，與通風機配合排煙降塵，有效凈化掘進操作現場的環境，提高了作業人員作業環境空氣質量及可視度。

4 施工優劣分析及施工優化

4.1 施工優劣分析

采用懸臂掘進機施工的主要優點：

（1）作業時破碎全斷面巖石，多次上下左右連續移動切割頭來完成工作，不受氣候條件影響。

（2）可控制超欠挖量；初期支護時，掘進機后退至不影響后續施工工序位置（錯車道），等待下一掘進工序。

（3）懸臂式掘進機小巧，在隧洞中有較大的靈活性，施工準備時間短。

（4）工作機構外形尺寸小、各重要部位都具有可換性，便于維修和支護作業。

（5）可連續掘進，掘進工序少、效率高、速度快、施工安全、勞動強度低，對隧洞圍巖擾動小、無振動破壞、易維護，同時避免對地表建筑的影響。

采用懸臂掘進機施工的主要不足。

（1）因懸臂式掘進機切割頭截齒較長，開挖時可能對完成的初期支護造成損傷。

（2）因隧洞為小斷面隧洞施工，使得無法在掘進時同步完成二次襯砌施工。

（3）因掘進機械整體大小限制切削部位長度，無法進行多臺階掘進施工。

4.2 施工優化措施

針對懸臂式掘進機自身特性與施工環境不適應性，可通過如下優化措施對施工工藝進行優化。

（1）改進懸臂式掘進機切割頭伸縮范圍。實踐證明，當切割頭與掌子面的凌空面距離控制在50 cm時，掘進施工效率最佳；距離控制在80 cm時，可避免對初期支護造成損傷[10]。

（2）新增聯絡通道。受小斷面開挖斷面面積制約，可開挖新增聯絡通道，解決無法采用二襯臺車襯砌施工與掘進同步施工的難題。

（3）設計新型切割頭。設計適用于小斷面隧洞開挖的切割頭，不受器械整體長度制約，可以滿足多臺階或全斷面開挖施工。

5 結 語

（1）采用懸臂式掘進機較傳統鉆爆法施工人員投入率可減少133%，機械配置減少率達140%。較傳統鉆爆法相比，懸臂式掘進機開挖施工可節約經濟成本12.92元/m3。

（2）懸臂式掘進機開挖施工對圍巖產生的力學擾動及超欠挖程度較小，不僅保證安全性，大幅度提升了施工進度、解決了環保問題，還保證了開挖質量，節約了完工時間。

（3）懸臂式掘進機于隧洞工程中的應用勢必越來越廣，但其操作復雜、設備自重較大、機械臂轉動范圍小、截齒易磨損等問題不可忽視，是亟待解決的問題。

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(2018-11-25)

王梯普(1987—)，內蒙古赤峰人，工程師，主要研究方向：隧道及隧道工程掘進與管理，E-mail：290729639@ qq.com。