懸臂掘進機在鐵路隧道開挖施工中的應用價值研究

代洪森

（中鐵十八局集團第二工程有限公司， 河北 唐山 064000）

受惠于科技的深度發(fā)展，各類特殊化機械設(shè)備被廣泛應用于工程項目中，諸如時下較為流行的懸臂式掘進機、全斷面掘進機等，在各類設(shè)備的輔助下實現(xiàn)了工程的自動化施工。在部分全硬巖巷道施工過程中，雖然鉆爆破巖掘進機被廣泛應用，但其帶來的施工效果相對較差；而懸臂式掘進機設(shè)備的可行性更高，帶來的施工效率較為理想。

1 工程概況

在本文所探討的隧道工程中，其對應里程范圍為YDK129+366～YDK34+970，其中涉及到IV、V 級圍巖，對應總長為5.604km。依據(jù)工程設(shè)計方案，項目需要進行大量的開挖施工，最大埋深達到435m。

2 懸臂式掘進機施工優(yōu)點

（1）質(zhì)量層面。基于機械掘進的方式可以提升成洞的圓順度，一方面提升了隧道斷面質(zhì)量，另一方面則為后續(xù)初期支護噴錨施工創(chuàng)設(shè)了良好的條件，提升初期支護質(zhì)量。

（2）進度層面。當引入懸臂式掘進機施工后，該設(shè)備可以兼并完成切削、裝渣以及運輸?shù)榷鄠€環(huán)節(jié)的施工，因此掘進施工連續(xù)性好，對不同地質(zhì)條件均具有良好的適應能力。由于懸臂式掘進機的配套功能較多，當施工出現(xiàn)意外時，可以在調(diào)整方案后隨即投入使用。

3 配置懸臂掘進機的現(xiàn)實要求及選型

隧道工程在施工中極容易出現(xiàn)工程事故，其中以隧道爆破最為明顯。一例例慘痛的教訓警醒相關(guān)人員有必要對開挖爆破進行針對性研究，由此提出可行的技術(shù)方案，減少人員傷亡情況，為隧道施工營造足夠安全、穩(wěn)定的環(huán)境。

就本文所論述的工程項目而言，存在大量的隧道病害，若采用傳統(tǒng)的控爆方法容易對圍巖的穩(wěn)定性造成影響，從而對既有行車造成干擾。同時，隧道爆破施工所帶來的難度較大，若控制工作不到位易引發(fā)工人誤工、質(zhì)量欠佳等問題，對施工生產(chǎn)進度造成嚴重影響。

對此，項目部在施工工藝上做出了大量的創(chuàng)新，充分考慮到地質(zhì)、水文以及斷面等因素，對設(shè)備提出了如下要求[1]：（1）所能施工的寬度以3.2m 為宜，同時高度應達到4.5m，由此確保襯砌臺車順利通過；（2）要求定位切割高度＞5.6m，定位切割寬度＞6.0m；（3）在進行巖體切割作業(yè)時，其單向抗壓強度應＞80MPa；（4）設(shè)備能夠順利在±15°的坡上作業(yè)；（5）設(shè)備應具有出渣、運渣等一體化功能；（6）在施工過程中可以進行自動化除塵操作。

基于以上條件，對行業(yè)內(nèi)可行的集中設(shè)備進行對比分析，最終選定為STR260型懸臂掘進機，其在運行過程中對圍巖的擾動較為微弱，可以顯著緩解對既有病害的振動現(xiàn)象，并擺脫了傳統(tǒng)方式下受振動速度束縛的弊端。

4 懸臂掘進機隧道開挖工藝

4.1 懸臂掘進機前期配置

從設(shè)備的運行參數(shù)層面考慮，其使用到的是1140V 高壓電，因此需要準備1000kV·A 相變電壓，確保電纜長度，同時做好水管等器件的準備工作。

4.2 懸臂掘進機長臺階法開挖工藝

以懸臂掘進機為基礎(chǔ)，引入了長臺階開挖法，具體涉及到上下臺階兩大部分，上臺階高度達6.2m，而下臺階高度相對較短，為2.65m，具體的開挖施工圖如圖1所示。

圖1 開挖施工圖（①、②為開挖部位）

開挖部位①的工作內(nèi)容：（1）利用掘進機設(shè)備進行①區(qū)域開挖作業(yè)；（2）對①區(qū)域設(shè)置初期支護結(jié)構(gòu)：噴射混凝土、設(shè)置錨桿鋼筋網(wǎng)、搭設(shè)拱部鋼架，最后再次進行混凝土噴射，使其達到設(shè)計厚度要求；（3）在上述基礎(chǔ)上進行下一個循環(huán)的超前支護施工。

開挖部位②的工作內(nèi)容：（1）利用掘進機設(shè)備進行②區(qū)域開挖作業(yè)；（2）對②區(qū)域設(shè)置初期支護結(jié)構(gòu)：噴射混凝土、設(shè)置錨桿鋼筋網(wǎng)、搭設(shè)拱部鋼架，最后再次進行混凝土噴射，使其達到設(shè)計厚度要求；（3）對隧道底部進行初期支護作業(yè)。

對此，本文則重點圍繞Ⅳ級圍巖施工展開探討，其可細分為兩大部分，具體內(nèi)容如下：

（1）上臺階開挖。利用掘進機設(shè)備對掌子面進行切割處理，而后將所得渣運輸至指定區(qū)域，單次開挖以2 榀為宜。

（2）當結(jié)束上臺階開挖施工后，在懸臂掘進機的作用下移動立架，從而將其移至掌子面區(qū)域，掘進機應移動至下臺階處展開開挖作業(yè)，單次開挖以3 榀為宜。

4.3 懸臂掘進機開挖切割線路

需要注意的是，當掘進機在上臺階處進行開挖作業(yè)時，需要遵循水平S 形分層的原則施工，并在隧道周邊區(qū)域預留30cm，此區(qū)域暫時不進行開挖作業(yè)；待完成中部開挖作業(yè)后，需要對所得的輪廓做以修整處理，在此過程中應安排1 名技術(shù)人員測量超欠挖情況[2]。

5 懸臂掘進機開挖與傳統(tǒng)鉆爆法開挖對比

5.1 勞動力、施工機械配置比較

當引入懸臂掘進機設(shè)備后，將會減少8 名人員的施工作業(yè)，相比之下人員投入率下降了133%之多。此外，所需的配套機械設(shè)備數(shù)量較少，大幅縮短了各類機械的交叉作業(yè)時間。

5.2 開挖工效比較

當巖石硬度發(fā)生改變后，對應的懸臂掘進機施工效率也將受到影響。當巖石強度為60MPa 時，采用懸臂掘進機所帶來的施工效率較為良好，相比于傳統(tǒng)鉆爆開挖施工而言縮減了2.75h 的施工時間，因此施工效率得到了大幅提升，為后續(xù)施工環(huán)節(jié)爭取了更多時間。

5.3 開挖成本比較

相比于傳統(tǒng)方式下的鉆爆法而言，懸臂掘進機具有更良好的經(jīng)濟效益，每立方米所節(jié)省的費用達到了16 元。

5.4 超欠挖比較

若采用傳統(tǒng)鉆爆方式施工，受掌子面圍巖強度較大的影響，對于II、III 類圍巖而言所帶來的超欠挖量可以達到10cm；而伴隨著地質(zhì)條件復雜度的增加，在對IV、V 類圍巖施工時，再次加大了超欠挖控制難度，此時將會達到15cm，在部分特殊情況下產(chǎn)生的超欠挖量甚至高達50cm。當使用懸臂掘進機設(shè)備后，加之激光指向儀的指導作用，可以大幅提升隧道掘進效率，縮短施工所需時間；在進行輪廓修整施工時應引入專員指導，由此提升隧道輪廓線的精確性，通常情況下可以控制在5cm 水平。

在進行上臺階開挖作業(yè)時，單次循環(huán)以2 榀為宜，帶來的開挖量達到了77.01m3，超挖量為3.08m3，以上述兩大數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)可以得知超挖占比為3.9%，相比于傳統(tǒng)方式而言控制效果得到了明顯改善。從成本角度考慮，每米節(jié)省的費用可以達到1000 元。

6 結(jié)束語

綜上所述，伴隨著隧道工程規(guī)模的持續(xù)擴大，機械化施工已經(jīng)成為行業(yè)的發(fā)展趨勢，在此背景下，需要提升對機械化施工的創(chuàng)新水平，為隧道施工營造一個足夠安全、穩(wěn)定的環(huán)境。