懸臂式掘進機隧洞開挖施工技術

程牧春

(廣東水電二局股份有限公司，廣州 511340)

1 研究背景

湖北恩施車壩河水庫引水工程主要為恩施城區提供水源，引水隧洞為城門洞型無壓引水隧洞，寬約3.8m，高約4.1m，襯砌后內凈空斷面為3.0m×3.234m，總長約11.84km，縱坡為-0.1%。隧洞Ⅵ類、V類、Ⅲ類圍巖占比分別為20%、65%、15%，節理裂隙發育，巖性變化大，并具有斷層破碎帶、泥夾層、溶洞溶孔、涌水及滑坡等地質缺陷，巖石硬度在15～60MPa之間，且隧洞沿線民居較多。

傳統水工隧洞施工多采用鉆爆法，工序復雜繁瑣，且安全風險極高，對巖層擾動大，超欠挖難以控制[1-2]。為防止爆破施工對施工范圍內居民和建(構)筑物產生不良影響，降低施工風險，保證施工質量，項目人員在充分調研的基礎上，采用懸臂式掘進機進行水工隧洞開挖，應用過程中主要存在3個方面的困難：①由于項目地質和周邊環境復雜，施工危險性高；②局部洞段圍巖硬度高，截齒效率大幅度降低，截齒消耗大；③隧洞單向進尺約2800m，通風排煙困難。

2 施工工藝技術

2.1 超前地質預報

懸臂式掘進機在作業前，利用地質調查、地質素描、TSP探測、地質雷達、超前水平鉆探等地質預報技術探測掌子面前方地質情況，確保掘進施工安全。

懸臂式掘進機隧洞開挖工藝流程圖，見圖1；地質預報計劃，見表1；探測方法及頻率，見表2。

圖1 懸臂式掘進機隧洞開挖工藝流程圖

表1 地質預報計劃

表2 探測方法及頻率

2.2 施工準備

2.2.1 施工用電

根據掘進設備的生產工況要求，采用高壓(10kV)電纜進洞，洞內設置移動式變電站供電。洞口處設置高壓配電室，高壓接入點從系統電接入。

XTR4-230型掘進機運行工作電壓為1.14kV，上機電纜采用礦用移動電纜，型號為MYP-0.6/1.14kV-3×70+1×25，為了保證用電質量低壓供電半徑定為300m內。洞內掘進施工，每個工作面附近配置礦用移動變電站1套，受電設備為掘進機1臺。掘進機供電系統示意圖，見圖2。

圖2 掘進機供電系統示意圖

2.2.2 通風設備安裝

懸臂式掘進機開挖快速、高效，但施工過程中會產生大量粉塵，尤其是在掘進超過600m后。本項目采用常規正壓與豎向通風孔聯合通風，有效改善了掘進機作業環境。

2×55kW雙極對旋式軸流式通風機布置在隧洞工作面入口附近，通風管采用φ800柔性風管向工作面供風。

以加快隧洞內部通風速度，減少有毒有害氣體產生的影響，采用型號為XSL7/360的水井鉆機在隧洞頂部施打直徑為30cm的通風孔(每1.3～1.5km施打一個通風孔)。

2.2.3 施工排水、供水

巖體在潮濕且不穩定狀況下，會導致巖體或泥渣料附在切割頭上造成切割力的損失、掘進困難，機器自身難以行走，從而導致效率低下，因此要做好施工排水措施。

在隧洞口附近修建高位水池，水池容量20m3，可滿足掘進機施工過程中潤滑和降塵用水，在掘進機后側設置了臨時集水井，將水抽排到排水溝再集中排放到洞外。

2.2.4 掘進機組裝與調試

設備到位后，由廠家人員到隧洞外進行安裝后進行整機調試，試運轉正常后入洞掘進。

2.3 測量放樣

采用全站儀配水準儀進行施工測量。定期檢查、復測洞軸線，為后期施工質量提供保障。每開挖、支護20m在洞壁及洞頂進行標記。保證檢測點位穩固、隱蔽。將激光導向儀放置于拱頂、拱腳、邊壁等處，在使用過程中每隔三天對設備進行檢測、校準，避免設備振動及損傷,以保證放樣精度,從而保障隧洞的準確貫通。

2.4 掘進機開挖

2.4.1 懸臂式掘進機開挖

啟動掘進機后,呈“S”字形從下向上挖掘。掘進時一人操縱掘進機，另一人則作為觀察員，保證掘進機，電纜和出渣車的作業。完成底部至頂部切割后對掌子面進行二次修整，以滿足所設計截面的要求。

運用多種超前地質預報技術探測掌子面前方隧洞圍巖地質情況，根據巖石硬度的變化選擇掘進機截齒類型。采購了兩種型號的截齒，分別適用于單軸抗壓強度15～30MPa(較軟巖)，30～60MPa(較硬巖)的圍巖。

圍巖單軸抗壓強度超過60MPa后，截齒開挖能力就迅速下降，截齒的消耗也會迅速增大[3]。懸臂挖掘法施工過程中,當碰到較硬巖石時(巖石單軸抗壓強度>>60MPa),，用爆破法輔助施工，降低懸臂掘進機施工的難度及減少截齒的消耗量。把每次爆發藥量分為多段微差爆破,使震動爆發峰值降低從而達到減震的目的。鉆爆法主要包括掏槽爆破，輔助爆破和周邊爆破,掏槽爆破產生的震動是最大的，為控制鉆爆法對周邊巖層的影響，同時不影響施工進度，具體做法為：在中心核心區域采用懸臂式掘進機掏槽，形成大的臨空面，余下的采用控制爆破開挖，有效降低隧洞爆破開挖施工震動，經監測，震動速度(震速<0.1 cm/s)、隧道內拱頂下沉、凈空收斂等數據都在規定允許范圍內，對周邊民居無影響。懸臂式掘進機掏槽示意圖，見圖3。

圖3 懸臂式掘進機掏槽示意圖

2.4.2 通風降塵

開挖過程中全程開啟柔性風管，使洞室內有害氣體的含量降低至安全區域，同時，掘進機還利用自身高壓噴射裝置實現降塵。如采用局部鉆爆法輔助施工，在放炮時停止通風排煙，放炮完畢恢復通風排煙。

2.4.3 出渣運輸

自卸車運渣工作與掘進機挖掘施工同步進行。本工程隧洞單個工作面的掘進長度>2km，為保證自卸車通行，每隔150～200m設置1個長20m，寬8.5m的錯車洞。

在各項條件正常的情況下，掘進機工作效率為0.8m/h，每天按8h計算，則可達到6.4m/d。

2.5 安全處理

清除危石及碎塊，巖面破碎洞段在進行安全處置后，先噴一層3cm厚混凝土后再次進行安全檢查及處置。清理已開挖洞段松動巖塊。

2.6 支護

隧洞開挖過程中做初期支護，貫通后進行永久襯砌；如遇到特殊洞段，支護措施不利于繼續洞挖進尺，則考慮施工局部洞段的永久襯砌。

噴錨支護與掘進施工交替進行作業，Ⅳ、Ⅴ類圍巖除噴錨掛網支護外還應配合鋼拱架加強支護，必要時還要進行超前支護，確保工作面安全。

2.7 下一循環

在下一個循環開始前，項目人員提前對風、水、電等臨時設施運行情況進行檢查，確保正常運行后，進行開挖作業。還應特別注意近期供電單位供電情況是否正常，若供電單位有通知停電的情況，及時作出調整，必要時可提前進行發電施工(因多次停電、送電會影響供電配套設施的正常運行)。

3 總 結

1)針對水利工程地質條件復雜，巖性變化大等特點，采用“懸臂式掘進機法為主，鉆爆法為輔”的施工技術，避免了隧洞開挖對沿線居民和建筑物的不利影響，提高了施工效率，為隧道施工的質量和安全提供了保障。

2)結合隧洞實際情況，運用多種地質預報技術探測掌子面前方地質情況，根據地質變化選擇掘進機截齒類型，為隧洞施工安全提供保障，降低截齒損耗，提高掘進效率。

3)針對特長隧道開挖，提出常規正壓與豎向通風孔聯合通風，改善懸臂式掘進機作業環境，有利于洞內作業人員職業健康安全。