懸臂式掘進機在三元水電站二期工程發電引水隧洞施工中的應用

陳 聰，王安源，李 帥

（湖南省水利水電勘測設計研究總院，湖南 長沙 410007）

1 工程概述

三元水電站二期工程位于沅江一級支流酉水干流上，地處湖南龍山縣三元鄉殷家村境內，距三元鄉政府0.5 km，距龍山縣城15 km。本工程為以發電為主，兼顧灌溉、供水等綜合效益的小（Ⅰ）型水利水電樞紐工程。隧洞進口位于一期已建進水口上游100 m 處，出口廠房位于一期廠房下游約100 m 處，總長約1 km。隧洞橫斷面為城門洞型斷面，開挖洞寬4.4 m，拱段高2.2 m，直段高2.35 m。見圖1。

圖1 三元水電站總平面布置圖

2 工程地質

引水隧洞穿越地層巖性主要為灰巖、砂巖及泥質粉砂巖，其中Ⅲ類圍巖總長為778.2 m，Ⅳ圍巖總長為237.3 m，Ⅴ類圍巖總長為113 m。地質條件及物理指標見表1、表2。

表1 引水隧洞地質條件表

表2 三元水電站巖體物理力學綜合指標表

3 引水隧洞掘進方案選擇

水工隧洞開挖一般采用鉆爆法施工，因本工程引水隧洞路線穿越民居，進出口離民居較近，尤其是隧洞出口段民房較多，且距原電站開關站、前池很近，如果采用鉆爆法施工，將對周邊居民生活造成一定影響，一旦鉆爆施工過程中民居受損，將引發阻工及補償費用談判等難以協調的問題，嚴重影響項目工期（此類情況在本地類似工程中已經發生過）。為減少隧洞掘進施工中對居民生活及民房等設施的影響，避免因隧洞施工開挖而引起與當地居民之間的糾紛，為維護社會穩定，保障隧洞施工順利進行，確保施工安全。根據工程現狀條件綜合考慮各方面因素，業主最終確定采用懸臂式掘進機施工方案。

4 懸臂式掘進機主要技術參數

根據本工程的地質條件及隧洞結構尺寸等情況，經分析比較，選用EBZ260 懸臂式掘進機，其主要技術參數為：

外形尺寸：13 500 mm×3 600 mm×4 290 mm（長×寬×高）；定位切割范圍6 000 mm×6 200 mm（寬×高）；總功率462 kW；供電電壓：1 140 V；切割硬度≤90 MPa；爬坡能力：±18°；裝載能力4.3 m3/min。掘進機外觀形狀見圖2。

圖2 掘進機外觀形狀圖

5 掘進機工作原理、特點及施工方法

1）工作原理：掘進機是用于開挖地下隧洞的施工機械。掘進機分為開敞式掘進機和護盾式掘進機。主要由行走機構、工作機構、裝運機構和轉載機構組成。隨著行走機構向前推進，工作機構中的切割頭不斷破碎巖石，并將碎巖運走。具有安全、高效和成洞質量好等優點，但造價相對較高。

2）特點：安全可靠性高；工作效率高；智能程度高，具備齊全的保護、故障診斷和排故方法顯示；輸入電壓為1 140 V/660 V 雙電壓，適用范圍廣；可維修性好。

3）施工方法：掘進機是采用“S”字型由下往上的開挖方法，首先切割頭在掌子面底部水平切削出一條槽，然后掘進機向前移動再一次就位后，切割頭自下而上，左右循環進行切削。掘進時兩名操作人員進行聯合作業，一人操作掘進機，另一人擔任觀察手。懸臂式掘進機可通過激光導向儀定位控制開挖斷面尺寸。開挖定位由工作人員在固定點上設置紅外激光儀，將隧洞開挖控制點投射至掌子面，掘進機操作人員根據控制點進行切割，可有效防止欠超挖。同時，開挖料通過自帶的鏟板等二運設備直接輸至運渣車輛運出洞外棄渣場，可節省洞內裝載設備及其占用空間，有利于提高掘進功效。

6 影響掘進機工作效率的主要因素

三元水電站引水隧洞自2018 年3 月正式掘進，至2019 年6 月1 日，歷時386 天，共完成掘進進尺1 128.5 m，其中，在隧洞樁號SD0+638 處遇溶蝕破碎帶，該洞段臨時支護處理近30 天。隧洞開挖采用單向掘進，掘進初期，由于對設備性能了解不夠，加之洞內地質條件較差、斷面小、司機操作不成熟，以及掘進機器配套設施不足等原因，平均進尺較短。但隨著掘進施工的進行，工人操作熟練程度的提高，機器故障減少，日平均進尺逐步提高。根據本工程掘進情況，影響掘進機工作效率的主要因素如下：

1）圍巖的強度與節理發育程度。巖體的抗壓強度、結構面發育程度、整體性等與掘進速度有較大關系。圍巖強度越高掘進速度越慢，當巖石標準抗壓強度在50～60 MPa 之間、巖性完整，每臺班掘進能達3～4 m；灰巖段巖石標準抗壓強度30～40 MPa 時，每臺班可掘進4～5 m；出口段泥質粉砂巖其標準抗壓強度30 MPa 以下，平均每臺班可掘進6～7 m，效率較高時可掘進10 m。巖石標準抗壓強度在90 MPa 以上時掘進較慢。

掘進機開挖掘進對已開挖洞段周邊圍巖的影響很小，一般情況下掘進機可以在開挖掘進的同時對已開挖洞段進行支護，節約了臨時支護的時間。但圍巖較破碎，裂隙發育，遇斷層或滲水情況時，需完成臨時支護，確保施工安全才能向前掘進，本工程在SD0+638 處遇斷層破碎帶，待此段完成支護才向前掘進。

2）截齒、截割參數選取。截齒的失效對掘進機的工作效率影響較大，截齒的類型、截割參數合理與否是保障掘進機掘進速度的關鍵。選用合理的切割參數及截齒至關重要，不同的巖石硬度應考慮采用不同截齒參數切割轉速與給進量。切割參數中主要有切割深度、切割速度、給進量，通常是巖石硬度高，切割參數設置大，反之相反。

截齒損耗與巖石強度大小及截齒本身品質有關，巖石標準抗壓強度越高截齒損耗量越大，故在巖石較硬洞段，選用質量較好的合金材料截齒，以提高掘進功效。本工程Ⅲ類圍巖截齒損耗約5 個/m，Ⅳ類圍巖截齒損耗約2.5～3 個/m，Ⅴ類圍巖約2 個/m，平均截齒損耗為4 個/m。

3）圍巖含水率。巖體中的水能降低截齒的溫度，減小截齒與巖石之間的摩擦力，而提高掘進效率。進水口灰巖段含水率較高約達20%，掘進速度明顯加快，一臺班可掘進6～7 m，即掘進效率可達10 m3/h。而在含水率較低約為8%的灰巖段，掘進時截齒與巖石之間的摩擦阻力較大，甚至在開挖掘進時截齒與巖石間摩擦會產生火花，日均截齒損耗上10 多個，每個臺班只能掘進2 m 左右，掘進效率很低。

泥質粉砂巖段圍巖含水率主要影響粉塵濃度，出口段泥質粉砂巖雖然強度較低較易切割，但含水率低，掘進產生的巖粉濃度較大，加之除塵機及掘進機噴霧除塵設施配置欠佳，除塵效果不明顯，因粉塵不能及時排出，影響操作人員視線，其掘進效率也較低，一天進尺僅有2～3 m。

4）通風、除塵設施配置。懸臂式掘進機本身自帶一套噴霧除塵設備，但在掘進過程中需根據圍巖的含水率、巖石硬度等情況，更換除塵設備的功率，保證噴霧除塵效果，從而保障操作人員良好操控，以提高掘進速度。

5）日常維修與保養。定期對工程設備進行維修與保養，能提高其使用效率，保證施工進度。掘進過程中應根據“掘進機日常檢查內容表”及“掘進機定期檢查內容表”分別進行日常檢查及定期檢查。本工程掘進過程中掘進機日常維修保養共計30 天，其中一次大修花費15 天。

6）本工程圍巖類別與掘進速度、主要耗材對比見表3。

表3 圍巖類別與掘進速度、主要耗材對比

7 掘進機開挖費用

本工程采用租賃方式，掘進機單價主要由設備費攤銷、修理及替換設備費、截齒消耗、人工及燃料動力消耗等費用組成。根據本工程不同類型圍巖掘進時的截齒等耗材統計分析，其開挖單價相差較大，Ⅲ類圍巖開挖單價約324 元/m3，Ⅳ類圍巖開挖單價約260 元/m3，Ⅴ類圍巖開挖單價約210 元/m3。對于Ⅳ類圍巖、Ⅴ類圍巖即中軟巖采用懸臂式掘進機開挖方式比較經濟。若自購設備，其設備攤銷費用降低，單位造價相應降低。

開挖斷面的大小對掘進機開挖單價影響較大，斷面過小出渣困難，單價較高。龍山縣某水廠項目隧洞開挖洞徑2 m，斷面面積約為6.5 m2，其Ⅳ類圍巖開挖單價約458 元/m3。

8 與傳統鉆爆法相比掘進機開挖優勢

1）懸臂式掘進機開挖施工對周邊建筑及民居生活影響少。本工程引水隧洞進出口段離民居及原電站壓力前池均較近，且洞頂以上覆蓋巖層較薄，若采用傳統爆破法很可能會對居民生活及民房等設施造成影響，從而引起與當地居民的糾紛，使補償費用大幅增加，而且還可能因協調困難，嚴重延誤工期。

2）與傳統的鉆爆法相比，采用掘進機對成洞周邊圍巖的擾動較小，施工更安全，對已開挖或已臨時支護完洞段影響小，且開挖面更平整，并能夠更有效控制洞內欠超挖量。掛網支護與圍巖間隙較小，噴射混凝土作業難度小且易與圍巖緊密，亦能節省臨時支護和襯砌工程量，支護處理難度不大，費用較小。

3）懸臂式掘進機開挖，施工安全性更高，特別是在遭遇不良地質情況下，因其操控特性，操作人員不會貼近掌子面，出現塌陷或涌水突泥等情況時，操作人員可快速撤離，施工更安全。本工程SD0+638 處遇斷層破碎帶，如果采用鉆爆法爆破，其產生的沖擊波及震動可能造成該洞段大面積擊穿塌陷，甚至造成安全事故，事后處理難度大，延誤的工期更長。

本工程采用掘進機開挖，該洞段出現涌水突泥現象，但由于掘進機采用切割頭自下而上，左右循環由點至面逐步進行切削，所以其揭開的范圍較小，涌水速度較慢，出現該情況后，操控人員立即停止掘進，并利用掘進頭對涌水部位進行暫時封堵，從而避免了大面積塌陷和安全事故，亦為后期斷層破碎帶的處理節省了投資，耽擱的工期較少。

4）傳統鉆爆法需人工鉆孔裝藥，爆破后的開挖料需配備裝載設備轉運洞外，工序多，消耗的工時較多，工人勞動強度較大，工作效率較低。采用掘進機開挖只需熟練工人操作掘進機，開挖料可由其自帶的二運設備直接輸入運輸車輛運至洞外，人工勞動強度低，效率更高，施工人員健康、安全更能得到保障。

5）與傳統鉆爆法相比，能加快工程進度。《水工建筑物地下開挖工程施工規范》（SL 378-2016）中對水工隧洞開挖的循環進尺有如下規定：“Ⅰ～Ⅲ類圍巖，采用手風鉆造孔時，循環進尺宜為2.0～4.0 m；采用多臂鉆鉆孔時，循環進尺宜為3.0～5.0 m。Ⅳ類圍巖，循環進尺宜為1.0～2.0 m；Ⅴ類圍巖，循環進尺宜為0.5～1.0 m”。

取折中值估算采用鉆爆法所需工期約483 天。

本工程懸臂式掘進機開挖，總天數為386 天，日均進尺2.6 m，理論估算，較常規的鉆爆法施工可節省工期將近100 天，其產生的發電效益273.2 萬元，故采用該工法項目效益更顯著。

9 結 語

隨著我國懸臂式掘進機制造技術的日趨成熟，對圍巖的適應能力得到大幅提高，懸臂式掘進機運用越來越廣。但是相對于鉆爆法而言，掘進機依然存在一次性設備投入較大，對硬巖切割效率低、截齒消耗大等問題，對此，本文根據懸臂式掘進機在三元水電站二期工程的具體應用情況，總結出一些關于懸臂式掘進機適用性的評價，以供其它類似工程參考：

1）懸臂式掘進機適應于中小斷面、中軟圍巖的掘進開挖。開挖經濟斷面為10～30 m2，開挖經濟洞徑4～8 m，開挖巖石標準抗壓強度小于60 MPa 圍巖較經濟。懸臂式掘進機對地下工程開挖適應性強，特別是針對洞頂以上巖石覆蓋較薄及周邊建筑物集中的中小斷面、中軟圍巖隧洞，其在施工進度、開挖成本等方面的優勢明顯。

2）懸臂式掘進機根據型號大小，其價格在300～700 萬元之間，由于該設備一次性投入費用較大，因而對于使用時間不長的短隧洞施工可考慮設備租賃。但長隧洞的施工可以將其設備購置費用合理攤銷，實施單價降低，可考慮購置。

3）對于某些火工材料管控嚴格、或存在炸藥供應的連續性及價格偏高等因素困擾施工單位問題的地區，采用懸臂式掘進機可以有效規避這些制約因素，為工程進度提供有力的保障。

4）工期可壓縮性好，趕工能力強。同等條件下，懸臂式掘進機將“掘進、通風、出渣”等工序整合一體，工序簡單，抗干擾能力強，連續性強，同時操作人員數量少，人工消耗小，對于工期緊張的項目可以通過增加操作班組的方式進行趕工，效果明顯。

近幾年，隨著我國基礎設施建設的快速發展，懸臂式掘進機在水利水電工程中的應用越來越廣泛，尤其是在長隧洞施工中應用該機械的工程越來越多，該工法的推廣，對今后在地下工程開挖施工應用具有積極的作用。