懸臂式掘進機在小斷面引水隧洞開挖中的應用

毛建平

（中國水利水電第十二工程局有限公司，杭州 310004）

1 工程概況

廣西桂西北治旱百色水庫灌區位于廣西西部百色右江河谷地區，任務為農業灌溉及城鄉生活生產供水，充分發揮已建百色水庫工程效益。

百色水庫引水工程東蠶～東筍1#、2#隧洞沿線覆蓋層主要為殘坡積灰褐色、黃紅色含碎石黏土，層厚一般為0～3 m，下伏基巖為薄～中厚層狀粉砂質泥巖、粉砂巖夾薄層狀泥巖、泥質粉砂巖、粉砂巖等，強～弱風化為主，節理裂隙較發育，巖體完整性差。隧洞圍巖以Ⅳ類、Ⅴ類為主約占80%，局部為Ⅲ類圍巖約占20%。隧洞沿線地下水位高于洞頂15～80 m不等。

其中東蠶～東筍1#隧洞長2.229 km，東蠶～東筍2#隧洞長1.336 km，隧洞開挖斷面為4.00～4.50 m（寬）×3.90～4.35 m（高），城門洞型，設計坡降為0.05%～8.0%。最大開挖斷面積15.85 m2，最小開挖斷面積13.88 m2，一般開挖斷面積15.32 m2，隧洞初期支護后的最小面積為12.89 m2。

2 隧洞開挖方案的確定

東蠶～東筍1#隧洞、2#隧洞均無施工支洞，1#洞出口與2#洞進口相鄰，二者間距約50 m，因工程標段之間的沖突，2#隧洞出口有一段暫時不能施工，故2#隧洞只能從進口方向單向掘進。而1#隧洞進口段地下水特別豐富而且以中硬質巖體為主，采用懸臂式掘進機開挖有困難。根據東蠶～東筍1#、2#隧洞的地質條件、圍巖類別、斷面尺寸、單向掘進長度、地下水發育程度等因素綜合分析，采用懸臂式隧道掘進機開挖和鉆爆法相結合的施工方案。即東蠶～東筍1#洞洞身及出口段、2#洞洞身及進口段采用懸臂式掘進機開挖，東蠶～東筍1#洞進口段、2#洞出口段采用鉆爆法開挖。

3 懸臂式掘進機工作原理及設備選型

懸臂式掘進機是一種能夠實現截割、裝載運輸、自行走及噴霧除塵的聯合機組。它主要由切割機構、裝載機構、運輸機構、行走機構、機架及回轉臺、液壓系統、電氣系統、冷卻滅塵供水系統以及操作控制系統等組成。

經調研，適應于小斷面引水隧洞開挖的懸臂式掘進機有XTR4/180、XTR4/230、XTR6/260 等型號，因XTR4/180、XTR4/230的動力較小，對圍巖中夾雜的中硬質巖體的截割較為困難，開挖工效較低，通過綜合比選，最終選擇了XTR6/260 掘進機作為隧洞機械開挖的主設備。

XTR6/260 掘進機外形尺寸長×寬×高=14.0 m×2.6 m×4.29 m（截割頭水平放置時），定位切割面積37 m2，行走速度0～6 m/min，總功率441 kW，供電電壓AC1140 V。為滿足本工程小斷面引水隧洞開挖的需要，實際使用時對XTR6/260 掘進機作了一些必要的改造。

4 懸臂式掘進機施工

（1）懸臂式掘進機隧洞開挖方案。根據東蠶～東筍1#、2#隧洞的斷面尺寸及地質特征，懸臂式掘進機的開挖方式采用定位全斷面截割單向掘進，出碴由鏟板將切割物旋絞入配套的第一裝載機，再輸入第二卸裝載機后直接卸入小型自卸車運出洞外集中堆放。開挖過程中及時施做初期支護以封閉開挖面，同時做好隧洞監控量測及時調整支護參數。開挖前期，由一臺懸臂式掘進機分別在東蠶～東筍1#隧洞出口和2#隧洞進口輪換交替掘進，后期投入兩臺懸臂式掘進機分別向1#洞進口方向和2#洞出口方向掘進。

（2）截割。由于隧洞開挖斷面較小，截割方法采用“中間打，兩邊擴，預留20～30 cm 保護層修邊”。一般情況，當截割較軟的巖石時，采用左右循環向上的截割方法。當截割稍硬巖石時，可采用由下而上左右截割的方法。不管采用那種方法要盡可能地從下而上截割。當遇有硬巖時，不應強行截割，對有部分露頭硬石時，首先截割其周圍部分，使其墜落。對大塊墜落體，采用適當辦法處理后再進行裝載。

（3）噴霧。噴霧裝置包括截割頭上的內噴霧和截割頭后部與機械兩側的外噴霧。外噴霧裝置位于掘進機的最高部位，高度達4.29 m，受洞高3.9 m的限制，為保證掘進機的自由通行，實際開挖時拆除了外噴霧裝置，僅使用截割頭的內噴霧系統。

（4）出渣。XTR6/260 掘進機切割下來的巖碴通過弧形五齒星形輪式鏟板旋絞入第一裝載機內，鏟板轉動時第一裝載機實現隨動，采用液壓馬達直接驅動鏈輪帶動刮板鏈組實現石碴落到第二裝載機，通過第二裝載機卸至小型自卸車運出洞外集中堆放。當積聚至一定體量時，采用大型自卸車運至指定渣場。

（5）掘進機作業循環時間。懸臂掘進機開挖單個循環作業包括測量放樣、超前支護、掘進及出碴、掘進機退出、支護（安裝鋼拱架、格柵、掛網及噴射混凝土等）、掘進機再進入實施第二循環作業。

采用懸臂掘進機施工，開挖與出渣、除塵同時進行，省缺了鉆眼、裝藥、除塵、出渣及煙霧消散的時間。正常情況下，開挖IV 級圍巖每循環進尺3.0 m，循環時間480～720 min，每天2～3 個循環，日進尺6～9 m；V級圍巖每循環進尺2.0 m，循環時間480～720 min，每天2～3個循環，日進尺4～6 m。經統計，東蠶～冬筍1#、2#隧洞最大日進尺13 m，綜合平均日進尺5 m，最大月進尺220 m。

5 針對小斷面隧洞對懸臂式掘進機的改造

（1）拆除掘進機最上部的外噴霧裝置。XTR6/260 掘進機當截割頭水平放置時最高為4.29 m，最高點處在外噴霧機的部位，而東蠶～東筍1#、2#隧洞最小洞高為3.90 m，初期支護后的高度為3.80 m，顯然掘進機難以進入洞內，為保證掘進機能在隧洞內自由行走，不得已拆除了外噴霧裝置。拆除了外噴霧裝置給開挖帶來了負面影響，除塵效果大打折扣，洞內空氣質量降低，影響了操作視野，容易造成超欠挖。為消除或降低由于拆除外噴霧裝置造成的影響，采取了在洞口增設軸流風機，架設風筒接近掌子面，大流量通風以達到消塵的效果。而架設的風筒又妨礙了掘進機的行走，所以每次掘進機外撤時，必須拆除一段風筒讓掘進機退出，掘進機就位后又恢復風筒。如此反復，既增加了工作量和勞動強度，又浪費了作業時間，從而降低了開挖工效。

（2）3800 mm 鏟 板 更 換 為3600 mm 鏟 板。XTR6/260掘進機原裝鏟板的寬度為3800 mm，而隧洞初襯后的隧洞寬度為3900 mm，設備兩側僅有50 mm理論上的間隙，顯然難以滿足施工需要，為此將原3800 mm 鏟板改裝為3600 mm 鏟板，使設備兩側有150 mm的間隙，勉強能夠滿足人員和掘進機行走。

（3）800 kVA 專用變壓器改用630 kVA 移動式礦用變壓器。XTR6/260 掘進機供電電壓AC1140 V，800 kVA 專用變壓器安裝在洞口，采用軟式電纜接至掘進機。隨著隧洞開挖深度的增長，供電電纜也隨著加長，人工拖拽電纜的時間越來越長，勞動強度也越來越高，并且電纜價格昂貴，成本也在不斷提高。為改變現狀，改用630 kVA 防爆可拖礦用移動變壓器，將變壓器安置在避車洞內，每掘進200 m左右移動一次變壓器，減少了人工拖拽卷纜時間，降低了電纜成本。

（4）嘗試遙控操作裝置。懸臂式掘進機操作臺在設備的左側，受操作手視線角度等影響，超欠挖大多發生在隧洞右側。為控制右側的超欠挖，曾嘗試采用遙控裝置操作截割頭，操作時，操作手不斷地在地面、駕駛臺、機械左右來回奔波，造成操作手始終處于疲憊不堪的狀態。另外，可能是裝置本身、人員的視覺及思維反應等綜合因素的影響，遙控操作有明顯的延滯現象，沒有人工操作直觀可控，使用效果并不理想，最后放棄了使用，留待廠家進一步研發。

6 懸臂式掘進機超挖控制

隧洞圍巖以Ⅳ類、Ⅴ類為主，地質條件復雜，容易形成較大超挖。控制隧洞超挖，不僅在于保證隧洞開挖的成型質量，更重要的是控制施工成本，提高企業的經濟效益。

為此，項目部專門成立了“減小掘進機隧洞開挖超挖”QC 小組。QC 小組通過現狀調查、分析原因、確定要因等活動，確立“放樣測量指示不到位、掘進機截割頭噴霧不足影響視線、操作人員技術水平參差不齊”3 個因素是造成掘進機超挖的主要因素，采取下列措施減小超挖：

（1）引進高精度全站儀，在原有10個放樣點的基礎上再增加10個放樣點，確保放樣的準確度。配置激光導向系統，借助光束長距離聚集、穿透力強的特點，在其支持下準確標記開挖輪廓，掘進機駕駛員沿指示線開挖。

（2）在原有照明的基礎上，在掌子面兩側壁各增加一臺照明燈，提高隧洞作業面照明度。

（3）由于拆除了外噴霧裝置，除塵效果和操作手視野受到影響，容易造成掘進機開挖的超欠挖。為消除或降低由此造成的影響，采取了在洞口增設軸流風機，架設風筒至掌子面，加強通風換氣，開挖時兩套系統同時實施降塵、除塵。

（4）掘進機操作手的操作水平直接決定了隧洞成型的質量，為提高掘進機操作人員的操作技藝，特請廠家專業操作人員進場培訓指導，并對操作手現場考核，不合格者不得上崗。施工期間，兩名廠家高水平操作手全程參與了隧洞開挖，有效地控制了超挖量。

通過實施上述改進措施，隧洞開挖由原最大超挖0.46 m，平均超挖0.25 m，合格率21.8%，提高至無欠挖，最大超挖0.16 m，平均超挖0.11 m，合格率96.0%。不合格率僅為4.0%。

7 懸臂式掘進機的優勢

東蠶～東筍1#、2#隧洞洞挖采用懸臂式掘進機開挖和鉆爆法二種開挖方法，通過二種開挖方法的比較，懸臂式掘進機開挖具有下列優點：

（1）開挖圍巖擾動小，隧道成型質量好，洞壁穩定，超挖量容易控制。懸臂式掘進機為連續機械挖掘，避免了爆破對圍巖的破壞，大大降低了對圍巖的擾動，隧道洞壁光潔規整平順，超挖量大大減少，有效地提高了隧洞的施工質量，可避免坍塌、掉塊、冒頂等現象的發生。

（2）施工過程安全性高，管理風險壓力相對較低。懸臂式掘進機開挖不使用炸藥等火工材料，減少了火工品管理的環節，完全避免了重大公共安全事件的發生。相比于爆破法，洞挖過程中基本沒有振動，減少了對周邊居民生活的影響，同時也不受節假日和重大社會活動影響，能夠持續施工。懸臂式掘進機洞挖時作業人員少，降低了群傷群亡的風險。洞挖時懸臂式掘進機處于已支護的洞段，操作人員遠離開挖掌子面，即使掌子面上有少量掉塊也不至于傷及設備和操作人員。

（3）開挖效率高，掘進速度快。采用懸臂式掘進機施工可以實現開挖與出碴、除塵同時進行，省缺了爆破法施工的鉆眼、裝藥、除塵、出碴、煙霧散盡的時間。在適合的地質條件和施工條件下，懸臂式掘進機開挖進尺明顯高于鉆爆法進尺。經統計，東蠶～冬筍1#、2#隧洞懸臂式掘進機在Ⅳ類、Ⅴ類圍巖中平均日進尺為5～6 m，月平均進尺150～200 m。而采用鉆爆法在同類圍巖中開挖平均日進尺為1～2 m，月平均進尺30～60 m。

（4）懸臂式掘進機技術比鉆爆法對任意形狀斷面的切割更自如、更準確。鉆爆法雖然對任意形狀斷面的隧洞也能開挖，但炸藥的瞬間爆炸力不可能使巖體保留良好的棱角，準確度也不可能完全到位。懸臂式掘進機經切割頭上下、左右擺動及切割頭旋轉破巖，可實現不同形狀斷面的成型，對完成任意形狀斷面的切割更加自如，更加準確到位。

（5）施工成本降低，經濟效益高。正常施工時，每臺懸臂式掘進機需1名操作工和1名輔助工，而鉆爆法施工作業人員需5～6人，投入的勞動力比鉆爆法少3～4人，降低了人工成本；同時，在適合的同類圍巖中，懸臂式掘進機開挖進尺是鉆爆法的3～5倍。經綜合統計，懸臂式掘進機開挖與鉆爆法比較，洞挖1 m3石方可節省直接成本30～50元。間接地，懸臂式掘進機開挖能精準地控制超挖量，節約噴射混凝土用量，特別是節約襯砌混凝土的費用更是可觀，經濟效益明顯。另外，根據當前民爆管理的有關規定，爆破施工需委托有爆破資質的第三方承擔，需支付火工品管理費和爆破施工咨詢費。懸臂式掘進機開挖不涉及民爆器材，節約了這筆不菲的費用。

8 懸臂式掘進機的適應性分析

懸臂式掘進機開挖的優點突出，但也有明顯的局限性，其適應性受到巖性、地下水、開挖斷面、單向掘進長度等因素的制約。

（1）巖石強度及巖性影響。經統計，東蠶～冬筍1#、2#隧洞XTR6/260 懸臂式掘進機開挖，在50 MPa以下的巖石中開挖，每個臺班消耗的截齒1～2個；對大于70 MPa 以上的巖石開挖，每個臺班截齒磨損報廢達15 個以上；對于大于90 MPa 以上的巖石中開挖，每個臺班截齒磨損報廢數量急劇增加，同時開挖進尺明顯下降。截齒目前的市場價格約300 元/個，從截齒損耗及開挖工效分析，XTR6/260掘進機最適合50 MPa以下的圍巖開挖；50～70 MPa圍巖適合使用XTR6/260 掘進機開挖；70～90 MPa圍巖使用XTR6/260 掘進機開挖，開挖成本明顯提高，開挖工效降低，應通過認證后謹慎使用；大于90 MPa以上的巖石使用XTR6/260掘進機開挖，開挖成本急劇提高，開挖工效明顯降低，不建議使用。

（2）地下水的影響。東蠶～冬筍1#隧洞出口、2#隧洞進口1000 m以內地下水不發育，洞內比較干燥，較適合懸臂式掘進機的開挖。隨著隧洞向縱深發展，地下水發育，給懸臂式掘進機的開挖造成了困難。主要原因是隧洞圍巖為粉砂質泥巖、泥質粉砂巖，掘進機通過磨削、刮擦巖體形成粉狀碎屑物，在地下水的作用下使切割物呈泥糊狀，作業時間長了就成了“泥漿池”，使整個開挖掌子面和工作面泥濘不堪，工作條件極為惡劣，不僅工作效率明顯降低而且增加了安全風險。所以，對以泥巖為主疊加地下水發育的隧洞一般不適合懸臂掘進機開挖，故東蠶～東筍1#洞的進口段、2#隧洞的出口段放棄了掘進機開挖而改用鉆爆法開挖。

（3）隧洞開挖斷面的影響。根據XTR6/260 懸臂式掘進機的工作參數，定點開挖面積為37 m2，對定位全斷面截割的引水隧洞而言，為充分發揮掘進機的效率，開挖斷面以5 m×5 m（25 m2）～37 m2為佳，本工程開挖斷面一般只有18.15 m2，難以發揮掘進機的最佳工效。同時，開挖斷面過小，掘進機兩側沒有足夠的工作空間，每一開挖循環完成后，在進行支護前，掘進機必須退出掌子面至洞口或者退至避車洞避讓，浪費了大量的有效作業時間。所以對開挖斷面小于5 m×5 m（25 m2）的小斷面隧道，XTR6/260 懸臂式掘進機的開挖工效并不能充分發揮，XTR6/260懸臂式掘進機更適合斷面大于5 m×5 m（25 m2）隧道的開挖。

（4）隧洞單向開挖長度的影響。對小斷面的引水隧洞，由于沒有并行的作業通道，支護時懸臂式掘進機需退出掌子面，如果單向開挖長度過長，需花費大量的時間用于掘進機來回退進。以來回退進300 m 為例，掘進機在小斷面隧洞中行走速度按3 m/min 計，則掘進機來回行走的時間至少需200 min。同時，單向開挖長度太長，拖拽卷纜時間也長，勞動強度明顯提高，所以懸臂式掘進機單向開挖長度一般以500 m左右為佳，不宜超過1000 m。

9 結語

懸臂式掘進機在小斷面引水隧洞的開挖，具有十分突出的優點，但也有明顯的局限性，在選擇開挖方式時需經充分論證，在當前裝備條件下，短期內懸臂式掘進機還不能完全取代鉆爆法。結合現場實際情況，可以采用懸臂式隧道掘進機開挖和鉆爆法相結合的施工方案。