懸臂式掘進機在水工隧洞施工中的應用

李 斐，李風輝

（1.山東大學，山東 濟南 250100；2.濟南聚源水務有限公司，山東 濟南 250014）

南水北調濟南市市區續建配套工程臥虎山水庫供水線路改造一期工程從錦繡川水庫輸水渠道引水到漿水泉水庫和孟家水庫，包括維修隧洞2.4 km，鋪設管道2.17 km，再新建隧洞6.38 km。工程于2014年10月26日開工，其中第三標段為興隆水庫-漿水泉水庫新建隧洞3.84 km，設興隆水庫北洞口、小嶺支洞、漿水泉分水口3個施工場地，4個工作面。隧洞洞室穿越地層主要有奧陶系下統馬家溝組厚層灰巖、薄層狀含泥質灰巖（樁號4+764～5+746左右一帶），寒武系上統鳳山組竹葉狀灰巖、厚層灰巖、薄層狀含泥質灰巖（樁號5+746～10+875左右一帶）。初期支護后的斷面尺寸變更為：城門洞斷面形狀，城門洞斷面圓拱中心角為180°，Ⅱ、Ⅲ類圍巖寬4 m、高3.8 m，Ⅳ類圍巖寬3.8 m、高3.6 m，Ⅴ類圍巖寬4.1 m、高4 m。

原設計隧洞全線采用鉆孔爆破的方式施工，但由于小嶺支洞-漿水泉段隧洞穿過小嶺村，隧洞頂距上方村民的房屋深度大約18 m，局部不足10 m，實施鉆孔爆破的難度較大。考慮施工線路以及爆破影響范圍等多種因素，結合實際隧洞尺寸和巖石情況，該標段最終選用SYR260懸臂式掘進機進行隧洞掘進施工，具體參數見表1。

1 懸臂式掘進機

1.1 結構組成

掘進機由切割部、鏟板部、第一運輸機、本體部、行走部、后支承、液壓系統、水系統、潤滑系統、電氣系統構成，第二運輸機根據實際出渣設備進行自配[1]。

表1 掘進機參數

1.2 掘進機施工方法

掘進機洞挖施工程序：施工準備→掘進機開挖施工→土石方運輸→隧洞支護施工→下一個循環。

開挖前，測量放線完成后，掘進機就可進行開挖施工。在隧洞掘進過程中，經常校核布置在頂拱、兩側邊墻的激光指向儀，以確保隧洞軸線符合設計、規范要求。

工作面采用“一次切割成形，二次局部修整”，即切割頭從工作面中間截面的底部開始截割，利用切割部的上下、左右移動以及行走功能，按切割規定的路線使切割頭掃過隧洞截面切割出初步斷面的形狀，若切割斷面與實際所需要的形狀和尺寸有一定的差別，可進行二次整修，以達到斷面尺寸要求；切下的石渣由鏟板收集，通過傳動皮帶交由自卸汽車運走[2]。

1）掘進機操作順序。啟動油泵電機→啟動第二運輸機→啟動第一運輸機→啟動星輪→啟動切割頭，以此作為開動順序。當沒有必要開動裝載時，也可以在啟動油泵電機后啟動切割電機。當啟動油泵電機時，與其直接相連的油泵隨之啟動，供給液壓油[3]。

2）掘進機切割。利用切割頭上下、左右移動截割，可截割出初步斷面形狀，該切割斷面與實際所需要的形狀和尺寸有一定的差別，可進行二次修整，以達到斷面尺寸的要求。一般情況下，當切割較軟的巖石時，采用左右循環向上的切割方法，見圖1；當切割稍硬的巖石時，可采用由下而上左右切割的方法。當遇有硬巖時，不應勉強切割，對有部分露頭硬巖時，應首先切割其周圍部分后使其墜落。對于大塊墜落體，采用適當的辦法進行處理后再進行裝載。當掘柱窩時，應將切割頭伸到最長位置，同時將鏟板降到最低位置向下掘進，在此狀態下，將切割頭向回收縮，將圍巖拖拉到鏟板附近以便裝載，但還是需要用人工對柱窩進行清理[4]。

圖1 左右循環向上切割示意圖

3）出渣及運輸。切削后，采用切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將其轉運至第二運輸機，第二運輸機直接裝入出渣車將其運出洞外。掘進機完成一個循環掘進后，按照支護方案進行隧洞的臨時支護之后再進入下一循環施工。

2 懸臂式掘進機優點

2．1 提高施工進度與施工安全

使用掘進機施工，進尺效率較高。12 m2的斷面，IV級圍巖，正常f6-f7左右的巖石緊固系數，進尺約1.4 m/h（注：考慮實際人工及各工序配合每小時1 m左右），而且采用掘進機施工圍巖擾動小，安全性較高。

2．2 縮減現場施工人員及設備

采用掘進機施工，掌子面只需要3～4人進行機械操作和指揮，可大幅度降低工人工資成本，有效防止意外事件造成群死群傷事故；采用掘進機施工只需要運料車即可，可減少設備投入及安全隱患。

2.3 超、欠挖易于控制

采用掘進機施工，超、欠挖可控制在規范允許尺寸下限，節約由于超挖而浪費的后續噴錨施工和二襯施工的混凝土、人工及時間。

2．4 洞渣得到充分利用

掘進機施工切割的洞渣可以加工混凝土骨料，運到洞外進行分篩后就是現成的碎石和機制砂，大大節省砂石料采購加工的費用[5]。

3 結語

臥虎山水庫供水線路改造工程（東風洞-孟家水庫段）新建隧洞施工第三標段采用懸臂式掘進機施工解決了工程中的實際問題，收到了較好的效果。經驗表明：在水利工程隧洞施工中采用懸臂式掘進機是可行的，尤其是在需要對周圍環境影響小、圍巖擾動少的施工環境中。懸臂式掘進機施工不僅施工效率高、斷面成型好，而且可以簡化施工設備，節約人力，滿足施工安全及質量要求。在今后的類似工程、特別是城區周圍以及火控條件復雜的地區值得推廣。