懸臂式掘進機在小斷面、長隧洞中的應用

王 超， 楊 運 鵬， 阿 里 木 江， 劉 金 平

(中國水利水電第十工程局有限公司 一分局，四川 成都 610072)

1 概 述

隨著國內勞動力價格明顯上漲，地方政府對爆破器材的管控愈加嚴格，不僅工期易受影響，而且開挖單價還高(特別是在以軟巖為主的地區，由于裂隙發育、巖石較軟、爆破效果不好而導致硬巖區域的洞挖炸材的消耗要比正常時高20%及以上)，導致鉆爆法的使用局限性越來越大[1]。

而對于在多數居民聚集區施工，則不能使用爆破方式開挖。對于此，懸臂式掘進機等非鉆爆法開挖方式就得到了廣泛應用，從而有效規避了因鉆爆法帶來的炸材管控、安全等方面的制約。雖然目前懸臂式掘進機在水利水電工程中的應用較少，但由于其具有的優越性，相信其會逐步應用到越來越多的水利工程項目中去。

毗河供水一期工程新生灌區段渠道總長度為54.94 km，其中最長的隧洞為長溝隧洞，長度為3 842 m。長溝隧洞采用城門洞型斷面，呈1/2 000的下坡，設計斷面尺寸為：3.5(3.4) m×3.55 m，洞身段采用混凝土襯砌，C20鋼筋混凝土全斷面襯砌。隧洞穿越地貌主要為丘陵，其由侏羅系上統蓬萊鎮組(J3p)等地層的砂巖、頁巖及粉質頁巖不等厚互層組成；巖層產狀近于水平，巖層傾角大多<5°，屬軟巖～較軟巖；巖體透水性差，一般砂巖為相對含水層，粉砂質泥巖為隔水層，主要為Ⅳ、V類圍巖。

2 施工中的重、難點問題分析

(1)長溝隧洞全長3 842 m，隧洞斷面僅11.1 m2，屬于小斷面、長隧洞(L≥2 000 m且S<20 m2)，是新生灌區的關鍵線路。

(2)長溝隧洞的特點是“小”而“長”。而小斷面無法在施工中運用大型、高效的機械設備；長則受距離限制，給供風、供水、供電、排煙、出渣等帶來一系列困難。

(3)由于隧洞覆蓋層薄，風化嚴重，造成巖石強度低，于成洞不利；由于線路長、且因前期地質勘探工作較粗，涌水資料不詳，給施工方案的選擇和施工帶來困難[2]。

3 施工方案比選

在不考慮施工支洞的情況下，項目部計劃從隧洞上下游兩端同時施工，共有鉆爆施工和掘進機施工兩種方案可供選擇，筆者介紹了從進度、安全、質量控制、周邊環境影響等方面進行的比較與考慮。

3.1 進度方面

鉆爆施工：按單工作面進尺120 m/月計，上下游雙工作面同時開挖，全部完成則需16個月時間；襯砌32個月時間。以上合計48個月，能夠滿足合同工期(48個月)要求，但基本無自由時差。

掘進機施工：按單工作面進尺150 m/月計，上下游雙工作面同時開挖，全部完成則需12.8個月時間；襯砌32個月時間。以上合計44.8個月，小于合同工期(48個月)且具有一定的自由時差。

3.2 安全方面

鉆爆施工：必須在現場設置炸藥庫，且還需通過公安消防等部門的驗收并對相關人員進行培訓；在炸藥的運輸、存儲、使用等環節存在難以預控的風險，一旦發生，危害極大。目前該地區火工產品的價格相對較高，管理成本高。

掘進機施工：無需火工產品，僅需高壓供電，而且有專業的機械售后服務。

3.3 質量方面

鉆爆施工：該地區無導爆索，且光面爆破實施較困難，易造成隧洞斷面周邊輪廓超、欠挖，特別是在巖層風化破碎嚴重的地方易發生坍塌。

掘進機施工：具有斷面標準規則、能連續作業、快速施工，安全、勞動強度小、對地層擾動小、襯砌支護質量好、通風條件好等特點，能有效減少對圍巖及臨時支護的干擾。

3.4 周邊環境影響方面

鉆爆施工：該隧洞進出口及覆蓋層較薄處多為民居民房、電桿、通訊線等，爆破噪聲污染大、振動大，對民房及居民環境擾動較大，安全風險不易控制，拆遷量大。

掘進機施工：噪聲污染小，對周圍環境擾動較小，安全風險易控制。

3.5 成本方面

針對該工程實施成本分析測算得知：采用掘進機施工其綜合單價略高于鉆爆法開挖。但綜合考慮進度、安全、質量以及對周邊環境影響等多方面并進行對比分析得知：采用掘進機開挖明顯優于鉆爆法開挖。

綜上所述，最終決定選用掘進機施工方案。

4 設備選型

根據實施工程特性，最終決定選擇EBZ160型掘進機，其主要技術性能參數見表1。

表1 EBZ160型掘進機主要技術性能表

5 掘進機施工

5.1 供電布置

每臺掘進機需配備專用變壓器，掘進機的工作電壓為1 140 V。根據對用電設備進行計算后為工作面設置了500 kVA變壓器1臺(掘進機專用)和630 kVA變壓器1臺。

由于隧洞線路較長，當隧洞掘進超過一定距離時造成掌子面電壓降比較大，可能會出現因電壓損失而造成掘進機自動鎖機現象。為避免此類現象的發生，特采取高壓進洞方案[3]：施工時，前1 km電源主要由布設在洞外的變壓器提供；1 km后，高壓進洞，每1 000 m變壓器向前移動一次。

5.2 施工方法

(1)工藝流程。洞挖施工流程：工作面清理→測量放線→掘進機施工→石方運輸→支護施工→下一個循環。

掘進機施工工藝流程：掘進機切割→同時鏟板出渣→噴錨支護或錨網支護→安全文明施工，掘進機檢修等。

掘進機操作流程：開動電機→開動第一運輸機→開動星輪→開動截割頭。

(2)施工工藝。工作面采用“一次截割成形”，即截割頭從工作面中間截面的底部開始截割[4]，利用截割部的上下、左右移動以及行走功能，按截割規定的路線使用截割頭掃過隧洞截面并使其一次成形。截下的石渣由鏟板收集，通過傳動皮帶交由自卸汽車運走。具體工藝如下：

①掏槽與擴槽。掘進從工作面中間截面的底部開始截割[4]，截割頭鉆進200 mm后進行第一次掏槽，然后兩個截割頭分別向外側擺動300 mm。完成擴槽運動；截割頭再鉆進200 mm進行第二次掏槽，兩個截割頭分別向兩側擺動300 mm，完成第二次擴槽運動；截割頭鉆進200 mm進行第三次掏槽，兩個截割頭分別向兩側擺動300 mm，完成第三次擴槽運動。掏槽過程見圖1、2、3。

圖1 第一次掏槽示意圖

圖2 第二次掏槽示意圖

②進刀順序。完成掏槽、擴槽后，截割頭按照按圖4所示的路線從底部由左向右、由下而上截割。切割時截割頭最大參與的切割長度以不超過700 mm為宜[5]，嚴禁將整個截割頭鉆進巖壁。一刀平均截深0.6 m，截割一刀的時間為60～70 min。

圖3 第三次掏槽示意圖

另外，當遇到較軟的巖體時，采用左右循環向上的截割方法；當遇到稍硬的巖體時，可采用由下而上左右截割的方法。不論采用哪種方法，都應盡可能地由下而上進行截割；當局部遇有硬巖體時，可先挖掘周圍軟巖、使大塊硬巖墜落，采用適當的辦法處理后再進行裝載，以降低掘進難度及截齒的消耗量[2]。

③出渣及運輸。切削后，采用截割頭將切削下來的渣裝入第一運輸機，同時采用第一運輸機轉運至第二運輸機，由第二運輸機直接裝入出渣車運出洞外。

(3)作業循環分析。三班生產，8 h工作制。掘進時間進度分析情況見表2。

表2 懸臂式掘進機掘進時間進度分析表

注：每天平均有效掘進時間按12 h計，掘進速度約為0.5 m/h，日進尺約為6 m/d。每月按30 d計算，實際有效工作天數為25 d，月進尺約150 m。

5.3 人員配備

懸臂式掘進機對人員的專業技能和素養有較高的要求，人員配備情況見表3。

表3 懸臂式掘進機勞動組織人員表 /人

5.4 掘進機在初期臨時支護中的輔助應用

(1)錨桿及掛網：施工人員以掘進機本體上頂為作業平臺，不再另行搭設施工平臺。

(2)鋼支撐架設：鋼支撐為預制工字鋼構件，安裝時，先把鋼支撐頂端弧段放置于掘進機截割頭上并運至頂拱安裝位置，然后由人工在掘進機平臺上將其進行臨時安放固定，待底部兩側鋼支撐與其連接好后再收回截割頭。

6 施工中存在的問題及采取的對策

6.1 巖石軟化問題

由于長溝隧洞多為泥巖、遇水軟化，導致掘進機在切割、行走、裝載等方面出現的問題比較突出，特別是底板松軟、受水浸泡后泥化現象嚴重，掘進機行走十分困難。所采取的解決對策如下：

(1)在隧洞底板可以預留一定的變形量或采用配套皮帶機出渣，防止以后底板混凝土超填；

(2)在掘進機行走前，先后退一定距離，在行走的前方鋪設大徑砂卵石或方木等，為掘進機行走鋪平道路[3]；

(3)洞內抽水作業及時跟進，防止滲水淤積過多、車輛反復碾壓導致巖石軟化形成泥漿。

6.2 硬巖問題

掘進時可能出現的局部堅硬巖石為Ⅲ類圍巖，為保證掘進機經濟安全掘進，所采取的解決對策如下：

(1)進行松動爆破，只需在巖體內形成裂隙，使掘進機能正常開展掘進工作。該隧洞采取的松動爆破：造孔直徑42 mm，φ32乳化炸藥非電雷管爆破，炮眼深度為2～3 m，孔網間距為700～850 mm，炮眼數目為5～10個，單耗為0.4～0.56 kg/m3。

(2)若硬巖長度相對較長，可采用爆破施工的方式進行。

6.3 職業健康問題

掘進機切割巖層時產生的粉塵較多，嚴重影響工人的健康，同時影響操作手及出渣車輛的視線，所采取的解決對策如下：

(1)在掘進機臂上安裝除塵風機，將工作面產生的粉塵通過風機、風袋抽出至洞外或工作面噴水降塵，但不可過量。

(2)洞內作業人員均佩戴防塵面具等勞保防護設施用于防護。

7 結 語

筆者將懸臂式掘進機在長溝隧洞中成功應用取得的經驗與鉆爆法相比總結如下：

(1)懸臂式掘進機掘進速度快，特別是在軟巖隧洞中掘進速度更快，因其開挖斷面相對規范，可使鋼支撐、鋼筋網等拼裝快，噴混凝土則可節省大量時間。

(2)懸臂式掘進機施工對圍巖的擾動小、超欠挖小，進而提高了隧洞的開挖質量，洞室開挖斷面圓順度高，便于噴混凝土支護，同時亦提高了初期支護的質量。

(3)懸臂式掘進機與鉆爆法相比，其震動小，對圍巖的擾動小，噪音小，不擾民，特別是遇到松軟的巖層亦可保證圍巖的完整性。

(4)目前，懸臂式掘進機在水工隧洞施工中的應用還不成熟，存在一定的技術缺陷，在機械設計技術方面還需要改進。

總之，懸臂式掘進機在長溝隧洞的應用為今后特長引水隧洞施工積累了寶貴的經驗，在將來的水利水電工程類似的特長軟巖隧洞施工中值得借鑒。