懸臂式掘進機在水工隧洞開挖中的運用和研究

鄧 蘇

(貴州省水利投資(集團)有限責任公司，貴陽 550000)

1 工程概況

黃家灣水利樞紐工程在我國貴州省安順市南部紫云縣境內，壩址位于珠江流域紅水河一級支流格凸河中游河段，為綜合利用的水利樞紐工程，主要任務是以城鄉生活和工業供水、農業灌溉為主，并結合發電；水庫庫容為15720萬m3，建成后年供水量9321萬m3，電站總裝機容量為2.4萬kW，多年平均發電量為5630萬kW·h，工程為Ц等大(2)型工程。

2 隧洞施工條件

文章所述的3條隧洞，為黃家灣水利樞紐工程灌區干渠下壩田2#隧洞、新老院隧洞及樓梯田隧洞，均為城門型無壓隧洞，開挖斷面尺寸為3.7m×3.9m(寬×高)，其具體施工條件如下：

2.1 下壩田2#隧洞

下壩田2#隧洞穿越一山脊，全長1177m，埋深在7-99.7m之間。整條隧洞圍巖主要以砂泥巖為主，圍巖類別為Ⅳ-Ⅴ類，地下水中等活躍，圍巖自穩性較差。其中，洞室樁號0+273.5m-0+301.5m處于惠興高速K66+600m的下方，隧洞軸線與高速公路成53°相交，拱頂距離高速公路路面高差僅為53m。綜合考慮下壩田2#隧洞下穿高速公路開挖影響范圍為洞0+252m-0+344m ，共92m。

2.2 新老院隧洞

隧洞結構為城門型無壓洞，洞身全長74.5m，埋深在3.5-14.8m之間，埋深較淺。洞身圍巖結構是以砂泥巖為主，呈互層狀結構，圍巖極不穩定，屬于V類圍巖結構，成洞條件較差，本洞室不具備爆開挖施工條件。

2.3 樓梯田隧洞

隧洞結構為城門型無壓隧洞，洞身全長783m，埋深在3-73m之間，地下水活動輕微至中等。洞身圍巖結構以砂泥巖為主，呈互層狀結構，圍巖極不穩定，屬于V類圍巖結構，成洞條件較差。 其中，隧洞軸線與惠興高速公路成71°相交，拱頂距離高速公路路面高差僅為30m。綜合考慮，樓梯田隧洞下穿高速公路開挖影響范圍為洞 0+618.5m-0+708.5m，共90m。

鑒于上述原因，下壩田2#隧洞、樓梯田隧洞及新老院隧洞局部洞段不能采用常規爆破施工，只能采取冷開挖處理方式。結合工程實際，分析研究后對上述幾條隧洞采取了懸臂式掘進機開挖方式，掘進機型號為EBZ260型。

3 EBZ260型懸臂式掘進機簡介

懸臂式掘進機早期主要用于煤礦開采，可適用于任何斷面開挖，具有連續開挖、無爆破震動及更自由地決定支護圍巖的的特點，可對洞室成形更精細控制，減少洞室超挖。文章所述的EBZ260型懸臂式掘進機由煤炭科學研究總院山西煤裝備有限公司設計制造，具有整機噸位大、切割硬度高、截齒損耗小、機器穩定性好及除塵效率高等特點[1]。

EBZ260型懸臂式掘進機長12.5m，機高2.19m，機寬3.65m，可掘進寬度6m，最大高度5m，適應于坡度±18°作業條件，開挖巖石硬度在90MP以內，可掘進任意斷面形式的洞室，而文章所述的幾條隧洞開挖段面均為3.7m×3.9m(寬×高)的城門洞型隧洞，底板坡度為1/1500，圍巖主要為Ⅳ-Ⅴ類，技術層面完全具備采用懸臂式掘進機作業條件，其中鑒于洞室結構寬度僅為3.7m(掘進機寬度3.65m)，為滿足施工通道需要，對掘進機開挖洞段兩側分別擴挖50cm，開挖斷面調整為4.7m×3.9m(寬×高)，以滿足現場施工通道需要。

4 懸臂式掘進機進行洞室開挖主要注意事項

針對下壩田2#、新老院等隧洞采取懸臂式掘進機施工，從安全和質量等綜合考慮，主要從以下幾方面做好控制：

4.1 進口開挖

1)洞口巖石開挖面、邊坡均要求加以修整或清除松散和突出巖石，使其處于安全狀態。對下壩田1#隧洞和新老院隧洞進出口永久邊坡或將要澆混凝土的巖石表面都應采用破碎錘或掘進機冷開挖。

2)洞口開挖必須按施工圖紙的開挖線及坡度自上而下分層進行，嚴禁上下垂直作業。開挖前，應做好開挖范圍以外一定范圍的危石清理和坡頂排水工作，隨著坡面開挖，應做好危石清理、坡面加固、馬道開挖及排水等工作，支護及時跟進[2]。

3)進洞前，須對洞臉巖體或襯砌進行鑒定，確認穩定后，方可開挖洞口。

4)隧洞進出口開挖支護及隧洞進行鎖口后方能開展隧洞洞身施工。

4.2 隧洞洞身掘進

1)新老院隧洞全洞及下壩田2#隧洞、樓梯田隧洞下穿高速公路影響段開挖均應采用懸臂式掘進機冷開挖技術。針對不同圍巖類別、地層結構，施工單位須進行掘進機開挖生產性試驗，提出合理的掘進機開挖工藝。

2)懸臂式掘進機在軟弱結構面、小斷層交匯處、裂隙密集帶、擠壓破碎帶、地下水出活躍圍巖中開挖洞室時，宜采用先護后挖或短進尺勤支護措施，并應做好施工排水。

3)懸臂式掘進機開挖在遇較硬巖層時，不宜強行截割，對于有部分露頭的硬巖，先截割其周圍部分，使其墜落，宜解體后再進行裝載[3]。

4)隧洞的巖石表面應予以清除，采用剝離、撬挖等清除開挖線以外的所有松動巖塊或破碎巖石。在施工過程中，應經常檢查已開挖洞段的圍巖穩定情況，清撬可能塌落的松動巖塊，以確保進入洞內的人員和設備的安全。

5)隧洞開挖后的巖石開挖面，在進行支護或混凝土襯砌前應用高壓水或用高壓風清理干凈，并清除巖石碎片、塵埃、碎屑和爆破泥粉，以便查清圍巖中的軟弱結構面，并供地質編錄及采取支護措施。清理作業應與開挖進度合理協調，清理面到工作面應保持適當的距離，一般要求10-15m。

6)隧洞平交口的開挖：應先期進行鎖口等必要的安全支護，以確保洞口圍巖穩定。

平交口開挖應按照短進尺、勤支護的原則施工；平交口支護應緊跟開挖作業面，根據開挖揭露的地質條件，采用長錨桿、鋼筋網噴混凝土、鋼支撐、混凝土襯砌等方式進行安全支護，支護范圍要大于平交口應力影響區域(一般平交口弧線外6m左右)。平交口施工應盡量減小對主洞運行的影響[4]。質點振動速度滿足規范的要求。平交口施工過程中，根據具體情況進行必要的安全監測，根據監測數據分析成果，指導開挖、支護。

7)超前地質預報：根據開挖揭露地質條件，依托現代高科技手段，必要時合理利用地質雷達進行探測，以便提前做好不良地質條件應對處置。

8)洞室開挖過程中，底板預留50cm左右保護層，同時因掘進機切割頭為圓形，邊墻與底板相交處不能形成直角，需后期采取人工進行開挖成型。

5 施工成效分析和研究

5.1 洞室掘進前生產性試驗

根據EBZ260型懸臂式掘進機鉆頭施工特性，其鉆頭只能掘進巖石硬度<90MP的巖體，為確保現場施工順利進行，施工時要求施工單位在樓梯田隧洞起始開挖段面開展了生產性試驗，具體如下：

施工單位在樓梯田隧洞起始掘進斷面0+618.5m取3組圍巖芯樣進行抗壓試驗，其值分別為51MP、55MP、59MP，平均強度約55MPa，根據掌子面圍巖完整程度，判定為Ⅳ類圍巖。現場生產性試驗掘進進尺統計表明，在圍巖強度約50-70MP時，掘進機每循環進尺為1.5m，其用時僅為2h左右，施工效率較高，其中有0.5h主要用在洞室體型修整控制。

5.2 施工進度分析

樓梯田隧洞掘進機開挖洞段長90m，實際掘進機2019年5月1日進場，2019年6月25日完成施工，共56天。其中，2019年5月15日-2019年5月31日，其中由于地質缺陷原因出現塌方溶腔致使處理溶腔17天，大部分洞段為Ⅴ類圍巖，其支護形式需采取工字鋼加強支護，大大加長了支護工序時間，因地質缺陷原因降低了掘進機施工效率。

新老院隧洞全長74.5m，2019年7月16日-2019年8月26日完成施工，總歷時41d。其中，2019年8月4日-2019年8月17日掘進機施工遭遇完整性較好砂巖，通過現場試驗其強度高達100MP左右(超出掘進機有效開挖強度范圍)，歷時14d僅完成約10m進尺，施工效率降低，其間掘進機鉆頭和鉆桿消耗較大，成本相對較高。

從上述施工進度分析和統計來看，掘進機施工進度最有利條件為圍巖強度在40MP-70MP范圍，完整性相對較好的Ⅳ類圍巖時，施工效率較高，理想情況下單日施工進尺可達到5-6m。同時鑒于水利工程隧洞開挖地質條件復雜性和不可預見性，局部洞段可能出現硬度較高的圍巖，使用掘進機時需提前備好鉆頭和鉆桿等易損配件，最大限度減小易損備品備件更換對工程建設造成的影響。

5.3 施工質量控制情況

通過對上述3條已完成掘進施工的洞室質量檢查，通過對掘進開挖段超欠挖及洞軸線測量復核，未發現欠挖情況，超挖均未超過10cm，滿足設計及規范要求“超挖不超過20cm”，隧洞軸線偏差<3cm，滿足設計及規范要求“偏差值<5cm”。掘進機開挖未損害巖體的完整性，開挖面無明顯裂隙，洞室壁面上無殘留的松動巖塊和可能塌落危石碎塊，滿足設計及規范要求。

掘進機開挖有效提升了洞室體型開挖質量，為支護質量提供了可靠的保障。洞室開挖面比較平順，鋼架緊貼巖面，安裝尺寸、垂直度、間距均滿足設計及規范要求。有效減小了后續洞室混凝土襯砌超填工程量，降低了施工單位成本。

6 結 論

通過本次黃家灣水利樞紐工程隧道工程施工分析和研究，在不同隧洞開挖工作中，通過前期的地質條件勘查和分析，采取了針對性水工隧洞開挖方式，使用懸臂式掘進機所表現出的掘進工作效果非常明顯，提高了系統工程的開發工作效率和穩定性。后續，在圍巖硬度40MP-70MP且完整性相對較好的Ⅳ類圍巖可大范圍推廣使用，能有效縮短洞室開挖施工工期，有效控制洞室開超挖增加的混凝土回填工程量。此外，鑒于水利工程地質復雜性，前期勘探深度一定程度上不能完全滿足現場施工要求，若遇到圍巖硬度大于90MP時，可采用局部小藥量爆破輔助掘進機施工，可大大提高施工效率。懸臂式掘進機在黃家灣水利樞紐工程水工隧洞開挖中的運用經驗累積，為后續同類型條件下水工隧洞開挖提供了借鑒依據。