懸臂掘進機泥巖隧道施工技術經濟效益研究

摘 要：懸臂掘進機作為隧道工程開挖的一種新設備，在推動隧道機械化提效方面起到積極作用，并隨著安全形勢、機械化普及、人口紅利減少或者消失，懸臂掘進機在隧道開挖中的使用頻率持續走高，但因地質及施工環境因素影響，其適用條件和經濟效益呈現出明顯差異。通過采用不同型號的掘進機對泥巖隧道進行開挖施工，統計施工過程中的消耗和成本，驗證懸臂掘進機在泥巖隧道中的適用工況，對其工效和經濟性進行比較分析，找出了泥巖隧道懸臂掘進開挖經濟性的平衡點，并適當對施工技術進行了一定的探索，能夠為其他相同或者相似隧道的施工方案比選提供參考。

關鍵詞：隧道；泥巖；懸臂掘進機；機械化；經濟效益

中圖分類號：U455

隨著鐵路、公路、水利水電等基礎設施的大規模建設，隧道與地下工程進入快速發展期。至20世紀末，我國的鐵路、公路、水利水電、城市地鐵、綜合管廊、城市地下空間、能源洞庫等得到快速發展。進入21世紀以來，我國一躍成為隧道與地下工程發展最快的國家，隧道總量居全球首位。隧道工程的快速發展，為懸臂掘進機的普及奠定了基礎，其具有靈活、高效、適應大斷面及異形斷面等特點。目前，懸臂掘進機隧道施工方法主要嘗試圍巖級別范圍在軟巖及以下硬度[1-4]，在很多方面較傳統爆破及機械開挖工藝有很多優越性。應用懸臂掘進機開挖具有對圍巖擾動小，超欠挖易控制，施工效率高，能有效降低施工成本，降低施工風險[5-6]。文章以臨夏地區高速公路施工項目特長隧道為例進行分析，隧址穿越區民房分布比較復雜，傳統鉆爆法具有一定的震動，特別是對居民房屋的震動開裂、下沉甚至坍塌等產生不可估量的危害，因此項目開建伊始就選用懸臂掘進機進行開挖施工，并對其技術應用的特點、經濟效益進行深入的分析和研究。

1 項目背景

1.1 工程概況

擬建隧道采用左右幅分離式，左洞隧道長3 181 m，右洞隧道長3 202 m，屬特長隧道，隧道洞底最大埋深約294.5 m。隧道軸線總體走向約為315°。進口采用端墻式洞門，出口采用削竹式洞門，處青藏高原東北邊緣，氣候處于溫帶半濕潤區與高寒陰濕區過渡帶，具有大陸性、季風性的山地氣候特點，標準凍土層深度100 cm，最大凍土深度140 cm。

1.2 地質情況

項目路線走廊帶位于青藏高原東北邊緣，地處隴西黃土高原和青藏高原的過渡地帶。沿線海拔2 000 m以上，相對高差200～500 m。本項目隧道位于剝蝕-侵蝕黃土丘陵地貌區，隧址區最大海拔2 361.80 m，最低海拔高2 048.85 m，隧道所在區地形起伏較大，最大相對高差約312.95 m，根據工程地質調繪及鉆探成果，隧址區地層主要為第四系全新統坡洪積堆積層（Q4dl+pl）、第四系上更新統風積黃土層（Q3eol）、沖洪積層（Q3al+pl），新近系上統臨夏組風化泥巖（N2l）。泥巖呈紅褐色，可塑-硬塑狀，泥質結構，泥質膠結，中厚層狀構造，主要礦物成分為黏土礦物，原巖結構、構造大部分被破壞，節理、裂隙發育，巖芯多呈土柱狀，少量碎塊狀，局部夾薄層狀砂巖。隧道具體物理力學性質指標詳見表1，圍巖等級劃分詳見表2和表3。

2 懸臂掘進機選用

懸臂掘進機進入隧道施工領域之前已經應用于煤礦開挖，它是一種部分斷面掘進機，集切削、裝碴、轉運和自行于一身，可以做到切削、裝運同步進行，具有連續掘進、開挖速度快、對圍巖擾動小、超欠挖易控制、復雜地質適應性強等優點。隨著掘進機自身成本下降、技術日趨成熟以及人工成本的上漲等客觀因素，都為掘進機進入隧道施工領域創造了有利條件，近年來在大斷面、異形斷面隧道工程施工領域得到了大量應用[7]，并逐步向集成化、重型化、自動化、智能化等方向發展，為隧洞工程施工提供了多樣化的解決方案，推動隧道施工工藝的標準化和施工水平的提高。本項目采用CTR300A、STR318/5、XTR/260型3種懸臂掘進機進行施工，便于后期獲取更加詳細的比選參數。

3 懸臂掘進機施工布置

設備自身開挖長度需20 m（含施工設備長度17 m，設備需前進、后退、轉向工作長度3 m），開挖上臺階時出渣長度需10 m（含出渣點及裝載機裝渣工作距離），掌子面掘進時需將立架臺車放置于裝渣點之后，需擺放長度約6 m，因此下臺階距離掌子面最短距離需36 m；開挖下臺階施工類似于掌子面開挖施工，開挖與裝渣施工距離需30 m，仰拱開挖端頭與下導施工距離需10 m，仰拱開挖、仰拱澆筑端頭與二襯端頭施工距離需35 m。綜上所述，為保證施工的正常推進，設備的高效運行，實際施工所需安全步距（二襯至掌子面）最少需111 m，正常作業需125 m如圖1所示。

4 懸臂掘進機優勢分析

（1）人員投入方面：采用懸臂隧道掘進機開挖，單班制循環施工，每班開挖需2人，包括1名操作手，1名輔助工；按每天兩循環計算，每個洞口需掘進機操作手2人，維修工1人，輔助工2人，一共5人。

（2）施工安全方面：懸臂隧道掘進機開挖原理主要是以刀盤旋轉對圍巖進行切割，對圍巖擾動小，不易產生大的掉塊現象，且掘進機操作室有安全防護欄，設備開挖時與掌子面距離7 m，能較好地起到操作人員保護作用。

（3）施工質量方面：超、欠挖易控制，避免因大的超挖帶來的初支空洞現象，保證了隧道基巖開挖斷面與設計斷面構造統一，應力釋放更加接近理論假設。同時，減少了初支噴射砼的損耗量，加快了施工工序時間，間接降低了施工成本。

（4）施工效率方面：破巖能力強，開挖工效高，定位截割范圍大，類型懸臂掘進機最大截割寬度6.5 m，最大定位截割高度7 m，定位截割面積45.5 m2。較傳統工藝提高開挖效率在40%～70%。

（5）施工環境方面：高效除塵系統，配置機載高效外噴霧及除塵系統，改善作業環境，降低環境污染，提高職業健康水平。改善作業環境，隨主機同步移動的超1 000 m3/min大風量機載除塵系統，主動風流控制系統，吸塵能力提升20%～30%，適應大斷面隧道施工。

5 懸臂掘進機施工注意事項

5.1 臨時用電安全風險較高

懸臂掘進機作業時的額定電壓為1 140 V，洞內380 V的一般動力電不能滿足要求，因此需從洞外牽引10 kV的特高壓專線進洞，經變壓器變壓成1 140 V高壓電后方可滿足施工需求。洞內空間有限，特高壓電進洞將帶來很大的安全用電風險，因此對于高壓進洞必須編制高壓進洞專項方案，還需組織專家進行評審，施工過程必須嚴格按方案進行施工，同時洞內高壓進洞必須請專門的電力公司進行安裝、檢修，并且做好高壓變壓器的防護工作，確保變壓器不被洞內行走設備碰撞。同時隧道安全專員必須在每次使用設備前加強對洞內臨時用電情況的檢查，謹防電纜破皮漏電現象。

5.2 優化施工工藝，加強前后工序的銜接

懸臂掘進機施工速度很快，但不能一味追求掌子面進度，而忽略后續工序（仰拱、二襯）的施作，導致初支不能盡快封閉成環帶來的安全隱患。經本項目隧道施工經驗總結，每個洞口要保證每2天一板仰拱及二襯的施作，否則安全步距將進入惡性循環，難以滿足要求。因此必須保證洞內作業人員及施工設備的配置滿足掌子面進尺要求，具體配置需根據施工班組的施工熟練程度進行適當調整。

5.3 加強用電和維修檢修保障

懸臂掘進機作為一種大型施工機械，其進場和退場受到交通運輸條件限制，使用過程中又受到使用條件及其他特殊條件的限制，因此需要在施工前對周邊路網及施工條件進行詳細調查，在施工便道修筑時對設備進場時應予以充分考慮，在確保具備條件時，引進懸臂掘進機開挖施工。同時，要做好施工期間的用電保障和維修保障工作，因懸臂掘進機此類大型施工機械使用電力進行驅動，具有污染小、動力強、動力輸出連續等顯著優點，但其用電量大，對電壓要求較高等特點，對電力的保障以及專業維修提出了較高的要求，在施工組織設計時，需要著重進行考慮，保障施工過程連續，確保流水作業強度和流水節拍符合進度要求。

6 經濟分析

6.1 單月進尺成本分析

本項目采用懸臂掘進機可挖上導、下導及大部分仰拱，每開挖1 m方量約為90 m3，單月開挖135 m，方量為12 150 m3。綜合開挖成本約為40元/m3（不含運輸），費用分布情況（按單月進尺135 m計算），見表4。

6.2 綜合成本對比分析

以項目為例，隧道全長6 383 m，設計噴射砼方量為46 000 m3。如四個洞口全部采用懸臂掘進機施工，噴射砼損耗約32 200 m3（按損耗率控制在70%計算），設備費用約2 028萬元；如全部采用傳統機械開挖（六臺炮機、四臺挖機），噴射砼損耗約59 800 m3（按損耗率控制在130%計算），設備費用約920萬元（炮機按5萬元/月，挖機按4萬元/月）；每月節省噴射砼27 600 m3，每月可節省費用1 656萬元（噴射砼按600元/m3），設備及維修保障費用約1 108萬元。綜上，在確保工期且不考慮設備折舊和間接成本的前提下，四個洞口全部采用懸臂掘進機施工，較使用傳統機械開挖可節省費用約548萬元，同時還能為隧道按期貫通提供有力保障。

根據表5可以得出隧道每延米節省材料費用2 594元，按照設備折舊或者租賃需多投入1 108萬元，相比較于傳統施工方法，平均每臺多投入277萬元，分析得到效益平衡點為1 068 m，即超過臨界平衡點可以考慮采用懸臂掘進機進行開挖施工，能夠起到很好的經濟效益，并可以考慮懸臂掘進機的故障維修率、隧道施工工況變化及施工組織水平等因素對臨界平衡點適當進行調整。

7 結論

（1）懸臂掘進機在強風化、中風化、微風化泥巖且無水的隧道施工中，適應情況良好，且在單臺掘進1 100 m以上具有明顯綜合經濟優勢，能有效降低間接施工成本和時間成本；

（2）懸臂掘進機開挖對隧址周邊或地表居民房屋的震動影響較小，適應于對地表擾動嚴格的施工區域；

（3）采用懸臂掘進機能夠滿足公路工程大斷面泥巖隧道的開挖施工，且能夠很好地控制超欠挖，可以有效控制后續工程材料的超耗，保證初襯和噴射混凝土施工質量；

（4）采用懸臂掘進機施工，機械化程度高，施工高效，能夠很好滿足快速開挖、快速封閉成環，加快施工速度；

（5）采用懸臂掘進機施工，安全性好，對圍巖損傷小、擾動少、安全性高；與鉆爆法相比，圍巖影響范圍小，巖面穩定性高，掘進連續，安全保障大幅提高。

參考文獻：

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