懸臂式掘進機在泥巖隧洞中的應用

陳京林

摘 ?要：泥巖隧道的隧洞圍巖不穩定，在施工中出于對安全性的考量，不應當使用爆破法施工。此時，可以引入懸臂式掘進機完成施工。基于此，文章以引洮供水工程項目中的某一標段內泥巖隧洞施工為例，在簡單說明項目情況與施工背景條件的基礎上，從懸臂式掘進機應用的可行性、優化應用措施的選定、安全應用措施的設定這幾方面入手，闡述了泥巖隧洞施工中懸臂式掘進機的優化應用，為同類工程施工操作的展開提供參考。

關鍵詞：泥巖隧洞 ? 懸臂式掘進機 ?施工安全 ? 隧洞施工

Application of Cantilever TBM in Mudstone Tunnel

CHEN Jinglin

（Guangdong NO.2 Hydropower Engineering Co.， Ltd.， Guangzhou， Guangdong ?Province， 511340 China）

Abstract： The surrounding rock of mudstone tunnel is unstable. For the sake of safety， blasting method should not be used for construction. At this time， the cantilever TBM can be introduced to complete the construction. Based on this， taking the mudstone tunnel construction in a bid section of Yintao water supply project as an example， on the basis of the brief description of the project situation and construction background conditions， this paper expounds the optimal application of cantilever TBM in mudstone tunnel construction from the aspects of the feasibility of cantilever TBM application， the selection of optimization application measures and the setting of safety application measures， so as to provide reference for the construction operation of similar projects.

Key Words： Mudstone tunnel;Cantilever TBM; Construction safety; Tunnel construction

隧洞施工復雜程度偏高，且受到多種因素的影響，出于對施工現場安全性維護的考量，如果隧洞圍巖的穩定性處于較低水平，則必須要選用更為溫和的施工方式替代爆破施工，并結合施工實際需求對相應施工方案實施優化設定。

1項目概述

引洮供水工程項目中的某一標段長6416.94m，建設項目主要有隧洞3042.71m;暗渠1642.7m;倒虹吸3306.99m（其中包含11#穿管隧洞段1590.36m）及其他工程。其中，11#隧洞進口控制段，長1590.36m。斷面型式為城門洞，縱坡坡比1/36，采用現澆砼襯砌，凈斷面尺寸寬×高=3.4m×2.7m，洞內架設倒虹吸管道。

本項目中隧洞圍巖以砂質泥巖為主，施工重點及施工難點為27+495～28+955.29極不穩定Ⅴ類圍巖的隧洞施工。該段圍巖水平層狀，遇水易泥化，崩解，失水干裂，開挖后自穩性差，有滲水，對隧洞施工安全、質量、進度極為不利。同時，施工工期緊，業主下達任務多，且隧洞圍巖不穩定，若使用爆破法施工，將存在極大的安全風險，對隧洞施工安全、質量、進度極為不利。選用掘進機施工可降低安全風險，提高安全系數，對安全有進一步的保障，且在確保安全的情況下能夠加快施工進度和提高施工質量。

2泥巖隧洞施工中懸臂式掘進機的優化應用方案設計與實現

2.1 懸臂式掘進機應用的可行性分析

在本泥隧洞項目施工中，懸臂式掘進機應用的可行性主要集中在以下幾方面：

第一，根據施工圖紙可以了解到，隧洞圍巖巖性變化很大，巖石硬度差別大，地質構造多，裂隙發育程度不均，受滲水影響穩定性差，泥化嚴重，時常出現局部掉塊塌落現象，選用掘進機開挖有利于提高施工安全系數，減小在施工過程中對圍巖的擾動[1-2]，避免了由爆破震動而造成巖石強度降低、巖石結構松動、巖石局部破裂等不利情況，有利于保護巖體原有的自承能力，不易造成大面積的變形及局部滑塌。

第二，11#隧洞進口控制段長度為1590.36m，而由于施工人員流動性較大，并考量到設備維護等因素，若采用爆破法施工勢必會影響整個工程進度，對項目經營帶來極大的壓力[3]。選用安全、高效的施工設備可提前施工工期，將減少項目經營壓力。

第三，懸臂式掘進機在泥巖隧洞中掘進時，因其對電壓敏感度高（超過額定電壓±5%，設備不能夠正常運轉和作業）、產生的溫度過高、卡鏈（含水量較大的泥巖）等，導致掘進機在無法正常工作運行[4]，因此，若能解決掘進機電壓敏感度、運行時溫度過高、卡鏈等諸多問題，當前設定目標可順利實現。

2.2 優化應用措施的選定

為確保掘進機正常掘進，并保證可以在較短的時間內解決電壓敏感度、溫度過高、卡鏈、人員操作盲區等問題[5]，根據當地條件等各方面的要求，確定出兩個優化方案，即對新購的掘進機進行置換、對掘進機相關系統進行優化。同時，對比這兩方案的成本、可行性、展開時間等項目，選取對掘進機相關系統進行優化作為本項目懸臂式掘進機的應用方案。在此基礎上，對掘進機相關系統進行優化這一方案實施進一步的細化分解，確定出具體的操作措施，主要如下：

2.2.1優化方案的第一級分解與分析

第一，置換掘進機電壓系統。在該項操作方案中，主要落實對掘進機電壓系統進行置換。整體操作簡單程度偏低，成本較高，且不能保證置換后掘進機的正常運行。同時，在進行置換電壓系統的過程中，對相關操作人員的技術水平要求表現出較高水平，難以切實滿足施工要求。基于這樣的情況，在本次施工中不對這一方案予以采用。

第二，調整掘進時間并對降溫系統進行改進。在該項操作方案中，主要購買變壓器和升壓器，調整電壓檔位，采用增設水箱、液壓油箱進行降溫，采用布設短鋼絞線刷掃槽方式解決卡鏈。整體操作簡單程度較為理想，且成本較低，能夠基本滿足施工要求。基于這樣的情況，在本次施工中對這一方案予以采用。

第三，短進尺、快循環。該項操作方案雖然符合隧洞施工要求，但是不能夠很好的發揮掘進機的高效性，并且無法切滿足工人正常休息時間。同時，在用電量較高的白天仍然存在電壓敏感問題，掘進機施工效率也未達到理想水平。基于這樣的情況，在本次施工中不對這一方案予以采用。

2.2.2優化方案的第二級分解與分析

經過上述分析選定調整掘進時間并對降溫系統進行改進，對該方案實施二級分解分析，具體包括：

第一，調整掘進時間，即盡量在電壓較穩的夜間掘進，并引入變壓器和升壓器。具體而言，選擇在系統電壓較為穩定的時段（夜間）進行開挖，同時隨著隧洞掘進長度增加，根據電壓情況，調整變壓器、升壓器的檔位;布設高壓鎧裝電纜，降低安全風險。整體操作簡單，靈活性及實用性較好，安全性理想因此予以采用。

第二，對降溫系統進行改進，即增設水箱與液壓油箱。原設備采用直通水降溫，但會產生較多廢水，對于泥巖將會導致底板泥化，采用增設水箱、液壓油箱的方式，再使用風冷系統進行降溫，穩定設備水溫、油溫溫度，以此確保設備的正常運轉[6]。雖然該措施的成效也較為理想，但是相比于上一措施，所產生的成本費用偏高，因此不予采用。

2.3 安全應用措施的設定

為了進一步強化泥巖隧洞施工中懸臂式掘進機應用的安全性，必須要設定高實效性的安全應用措施。在本項目施工中，主要依托對緊急制動措施的設定強化應用安全，具體操作如下：

第一，引入雙管路制動系統，并設置空氣制動及駐車制動，以此對電機車溜車采取反向制動，加大電機車的牽引力。此時，通過利用空壓作用減少制動力;通過增加彈簧作用力進行制動。

第二，引入頭尾垂直剎車，在電機車頭尾采用垂直鋼柱，具體來說，就是在電機車頭尾設置垂直鋼柱及制動系統。基于這樣的情況，能夠在電機車溜車時通過制動系統，鋼柱直接插到鐵軌上面。一般情況下，電機車防溜緊急措施主要在車頭部位設置七字鉤，但此方法如在本工程實施將會對電機車編組造成一定的影響。因為本工程始發井較小，井口有效距離只有23m長，8.4m寬，所以在實踐中選用頭尾垂直剎車的措施，在電機車頭尾兩端設置頭尾垂直鋼柱。

依托上述優化應用措施的落實，有效解決超大坡度電機車制動失效應急措施的難題，保證工期的同時提升施工現場安全水平，促使泥巖隧洞施工中懸臂式掘進機的應用優勢得到最大程度的發揮。

3 結語

綜上所述，由于泥巖隧道的隧洞圍巖不穩定，因此不適合使用爆破法施工，此時，需要選用掘進機施工，以此促使安全風險下降，提高安全系數，且在確保安全的情況下能夠加快施工進度和提高施工質量。施工中，出于促使泥巖隧洞施工中懸臂式掘進機的應用優勢得到最大程度發揮的考量，可以調整掘進時間并對降溫系統進行改進，同時優化引入雙管路制動系統、頭尾垂直剎車這些緊急制動措施，保證懸臂式掘進機的應用效果、泥巖隧道施工質量達到最佳。

參考文獻

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[2]陳聰，王安源，李帥.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[J].湖南水利水電，2020（4）：15-18.

[3]胡安靜，鄧記，胡慶安，等.懸臂式掘進機在穿居民區隧洞中的應用[J].云南水力發電，2019，35（4）：90-92.

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[6]張瑋青，王龍，鄭長洲，等.懸臂式掘進機在拉洛工程曲美隧洞開挖中的應用[J].中國水利，2016（20）：71-73.