水工隧洞懸臂掘進機開挖施工工藝研究

摘""要：萬家寨引黃南干線滹沱河連通工程3段隧洞總長8.27"km，各施工點距離居民區均在200"m范圍內、巖層傾向與隧洞軸向小角度相交洞頂圍巖多呈水平薄層狀分布，為避免施工干擾、減少塌方突泥突水等不良地質災害的發生，所以變更隧洞開挖方案。主要闡述了懸臂掘進機開挖施工工藝與控制措施，采取懸臂掘進機代替傳統鉆爆法施工，保障了施工安全加快了施工進度降低了工程成本。

關鍵詞：懸臂掘進機"截齒"水平薄層狀"砂質泥巖

Research"on"Excavation"Construction"Technology"of"Hydraulic"Tunnel"Cantilever"Roadheader

YAN"wei""WEI"Lihong

Shanxi"Province"Hydrolic"Construction"Engineering"Bureau"Co."Ltd.，"Taiyuan，"Shanxi"Province，"030006，China

Abstract："The"total"length"of"the"three"sections"of"the"Hutuo"River"Connection"Project"on"the"Wanjiazhai"Yellow"River"South"Main"Line"is"8.27"km."Each"construction"site"is"located"within"a"200-meter"radius"of"residential"areas，the"rock"layers"intersect"the"tunnel"axis"at"a"small"angle，"predominantly"displaying"a"horizontal"thin-layer"structure."To"avoid"construction"interference"and"reduce"the"occurrence"of"adverse"geological"disasters"suchnbsp;as"collapses"and"sudden"mud"or"water"inflows，the"tunnel"excavation"strategy"has"been"revised."This"article"mainly"elaborates"on"the"excavation"construction"technologies"and"control"measures"of"cantilever"roadheaders."The"use"of"cantilever"roadheader"instead"of"traditional"drilling"and"blasting"methods"ensures"construction"safety，"accelerates"construction"progress，"and"reduces"project"costs."The"use"of"cantilever"tunneling"machines"instead"of"traditional"drilling"and"blasting"methods"ensures"construction"safety，"accelerates"construction"progress，"and"reduces"project"costs.

Key"Words："Cantilever"roadheader;"Cutter"bits;"Horizontal"thin-layer"structure;"Sandy"mudstone

山西縣域小水網及配套工程是打通山西大水網骨干工程“大動脈”末端“毛細血管”的重要措施，覆蓋全省線路長地質條件復雜多樣，山西縣域小水網建筑物多為泵站、管線、引水隧洞。由于引水流量不大，引水隧洞普遍設計為滿足機械施工的最小斷面，斷面一般為城門洞型，斷面面積小于20"m2。由于工作面的限制和地質情況的復雜性，隧洞工程一般工期長，是整個引水工程的關鍵線路，快速、安全的隧洞開挖施工工藝是小水網工程如期完工的有力保障。

1工程概述

萬家寨引黃南干線滹沱河連通工程無壓洞3段，總長8.27"km，分4個工作面施工，坡度1/1"000～2/1"000，單工作面最長掘進3"km。隧洞開挖斷面為城門洞型，Ⅲ類圍巖寬3.66"m、高3.72"m，面積12.31"㎡；Ⅳ類圍巖寬3.7"m、高3.74"m，面積12.51"㎡；Ⅴ類圍巖寬3.88"m、高3.88"m，面積13.59"㎡。

隧洞Ⅲ類圍巖段長2.438"km（29.5%），Ⅳ類段長3.617"km（43.7%）、Ⅴ類圍巖段長2.215"km（26.8%）。洞身主要穿過三疊系中統二馬營組（T2er）灰白色、紅色中層中細粒砂巖夾薄層砂質泥巖，巖體較完整，多為軟巖～較軟巖，洞頂圍巖厚度42～71"m；地下水位埋深37～57"m，地下水水位位于洞底以上或附近，存在滲水或線狀流水問題。圍巖堅固系數f=1.0～3.0（10～30"MPa）。

2"隧洞開挖方案選擇

本項目各施工點距離居民區均在200"m范圍內，采用鉆爆法開挖對附近居民干擾大，容易造成糾紛，阻延工程建設；隧洞圍巖均為砂巖或泥巖，巖層傾向與隧洞軸向小角度相交洞頂圍巖多呈水平薄層狀分布，采用鉆爆法開挖易發生塌方，施工效率低，安全隱患大，施工成本高。

懸臂掘進機履帶式行走系統的優勢如下：對復雜地質條件適應性強[1-2]，特別適宜堅固系數f≤8巖石隧洞開挖；不用炸藥等火工品，安全風險小，可連續24"h作業，施工管理可控；開挖和出渣同步施工，在液壓電器系統的控制下，完成掘進和出渣作業[3]，每千米隧洞施工可縮短工期3個月，滿足工期要求[4]；降低了對周邊巖層的震動，有問題可隨時停止施工采取支護措施，避免了塌方、突水等次生災害的發生；開挖成型斷面好，超挖量可控，保證施工質量；采取噴霧、通風、抽煙塵等多種措施，保護作業環境。

近年來，懸臂掘進機在煤礦開采領域得到了廣泛應用，特別是在隧道掘進施工中的云應用，取得了良好的工程效果，提升了隧道施工安全性、經濟性[5]；根據本工程隧洞斷面小、軟巖等特點，并借鑒前期懸臂掘進機施工經驗，本工程采用懸臂掘進機代替傳統鉆爆法施工開挖隧洞。

3"懸臂掘進機施工工藝

經過多次調研，考慮懸臂掘進機的動力、截割部設計和截齒布置，并結合本項目的斷面尺寸和圍巖情況，選擇確定了EBZ220H懸臂掘進機（功率352"kW）和EBZ280懸臂掘進機（功率451"kW）2種機型施工。

3.1"施工工藝流程

懸臂掘進機隧洞開挖施工工藝流程如下：施工準備→測量放線→開挖掘進及出渣→一次支護→掘進機維修保養→下一循環。

3.2"操作要點

3.2.1"施工準備

（1）施工用水。施工用水主要包括掘進機開挖冷卻液壓油、切割電機用水、降塵用水以及一次支護用水。主管路采用DN50的塑料管，支管采用DN30塑料管。機械冷卻水可以回收重復利用，回水管路采用DN50塑料管。距離太長時進水管上增加增壓泵保證進水壓力。

（2）施工用電。掘進機用電電壓1"140"V，洞外10"kV高壓通過專用變壓器變至1"140"V，布置MYP-3×70+1×250.66/1.14"kV專用電纜給掘進機供電，當電損變大時，應及時考慮10"kV高壓進洞，一般每500～1"000"m倒一次變壓器。其他設備施工用電按照水工隧洞施工規范采用380"V/220"V/36"V用電考慮。

（3）施工通風降塵。施工通風降塵主要為掘進機降塵通風，采用2×24"kW風機接DN400波紋管降塵抽風，配置Φ600風筒排至洞外，施工期間每2班人工清理風機附近風筒內積塵；在洞口布置2×24"kW風機送風，配置Φ600風筒至作業面。隧洞超過1"km后增加接力風機保障降塵效果。

3.2.2"測量放線與洞挖控制

隧洞測量每200"m做一個控制點，采用全站儀放出中心與輪廓線，隧洞掘進約30"m后，安裝3～5個激光指向儀控制開挖支護尺寸，每班施工前作業人員在掌子面標出輪廓線，每3天測量人員采用全站儀校核激光指向儀避免隧洞軸線偏移，激光指向儀與掌子面距離控制在100"m以內。

3.2.3"開挖掘進及出渣

（1）施工工藝。懸臂掘進機就位后，每循環施工先在斷面內挖掘一個窩槽，再內向外按O型依次施工（如遇掌子面節理發育，則應選擇節理方向逐步切割[6]，以提高破巖效率降低截齒損壞），逐步切割成初步斷面形狀[7]，隧洞周邊預留30～50"cm，切割成初步斷面后進行修邊，修邊時，切割頭及懸臂段最大限度與隧洞周邊平行，專人指揮通過2次修整以達到準確的開挖輪廓線。每次進刀深度不超過截割頭長度，以0.8"m為宜，掘進機開挖出渣同步作業，在切削的同時，鏟板部耙爪將切削下來的渣裝入第一運輸機，三輪車（或小型四輪車）接料運出洞外棄渣場。

1. 工作安排與人員配置。懸臂掘進機開挖隧洞工作效率4～6"m3/h，每班8"h掘進不小于4"m，每天維保時間約2"h；每個作業面洞內作業人數不少于23人，并根據實際情況增加電工、排水工和修路清泥的雜工等人員。Ⅲ類圍巖洞段，每2天安排5班作業，一個班支護，維修保養2"h；Ⅳ類圍巖洞段每2天安排4班作業，2個班支護（每天支護），維修保養2"h；Ⅴ類圍巖洞段每2天安排2班作業，4個班支護，維修保養2"h。

（3）不良地質洞段施工。涌水涌泥塌方洞段施工采用短進尺、勤支護、快支護方式施工，必要時調整一次支護工序順序，采用素噴封閉或后打錨桿的方式，確保施工安全；土洞、軟巖或強風化巖洞段底板遇水變軟，施工過程中導致掘進機沉降，如果洞室圍巖穩定，則采用快速通過的方式施工，通過滲水洞段后硬化底板；如果洞室圍巖有塌方掉塊的情況，則按照涌水涌泥塌方洞段方式施工，施工期間做好引排水工作，采取墊鋼板、枕木或其他臨時措施保證掘進機正常施工，通過滲水洞段后硬化底板；如果該洞段較長，建議做好地質預報及時變更開挖方式。

3.2.4"一次支護

Ⅲ類圍巖噴C20混凝土；Ⅳ類圍巖系統錨桿掛網噴C20混凝土；Ⅴ類圍巖立拱架系統錨桿掛網噴C20混凝土。

3.2.5"維修保養

每2天給掘進機打1次黃油并檢查全機是否存在螺絲松動、漏油，檢查是否更換截齒，檢查齒座有無裂縫等問題，發現問題及時處理，并專人做好保養記錄。

隧洞施工期間，要及時排險，并根據地質預報及時調整施工方案；備足灌漿材料、方木、鋸末、氧氣袋等應急物資，確保施工安全。

4"材料與設備

懸臂掘進機隧洞開挖用到的主要消耗材料為S135-38-25HT截齒、黃油（截齒根據磨損情況隨時更換、每2天打1次黃油），68#抗磨液壓油、齒輪油（原則上每半年換1次齒輪油，專人檢點如發現油乳化、油臟、缺油及時處理），主要設備為EBZ220H、EBZ280掘進機、三輪車（每個工作面配一臺掘進機、四輛三輪車）。

5"控制措施

5.1質量控制

（1）通過安裝多個激光指向儀，控制隧洞成型尺寸，增加測量校核頻率和2次修邊、修邊時專人指揮等手段控制開挖尺寸；軟巖變形洞段根據變形監測結果預留變形量，保證后期二襯斷面尺寸。

（2）施工期間對作業人員進行質量交底，嚴格執行“三檢制度”，上道工序不合規嚴禁進入下道工序施工；對工隊采取重獎輕罰的激勵機制，嚴格控制施工質量。

5.2"安全控制

（1）施工期間嚴格按照國家法規和相關規范要求施工。

（2）施工期間所有人員正確佩戴好口罩、手套等防護用品；對作業人員進行安全交底，每班組召開安全會，強調施工期間存在的安全風險及應對措施。

（3）掘進前操作人員檢查設備情況，是否有剎車失靈、漏油和其他異常情況，如有異常設備馬上停止工作檢修設備。

（4）掘進期間專人指揮、專人監測及時處理掌子面突發情況，掘進完成及時排險；洞內行使車輛嚴格控制車速8"km/h以內（會車、彎道、險坡段控制3"km/h），所有車輛倒車時司機必須觀察后方是否有人或其他障礙物，確保安全才可倒車。

（5）所有作業人員上下班專車接送，嚴禁人貨同車；所有人員嚴禁從高于2"m的設備或平臺上往下跳，避免腳踝受傷。

（6）保證洞內通信暢通和施工照明，所有作業人員穿反光服，洞內車輛貼反光條并按規定時速行駛，防止機械傷人。

（7）施工用電采用三相五線制并做好閘箱、設備接地，洞內用電設備按照規定嚴格做好防護警示措施。

（8）增加有經驗的帶班人員并加強地質預報頻次，根據預報結果及時調整施工方案；加密加強洞室變形監測，確保施工安全。

6"結語

滹沱河連通工程采用懸臂掘進機代替鉆爆法開挖，使用材料、設備較少，施工可控，無污染影響環境小，平均月進尺達180"m，控制了超挖（超挖≤10"cm），懸臂式掘進機顯著提高了施工效率，加快了進度；開挖成本與鉆爆法相差不大，但因其高效快速和控制超挖的特點，每千米隧洞施工可縮短工期3個月，超挖量相較于傳統鉆爆法可減少10%，隧洞節省混凝土約500"m3/km，節省成本約20萬元，降低了施工成本。

懸臂掘進機施工工藝適應性強，巖石堅固系數f≤8、小斷面隧洞最適宜懸臂掘進機隧洞開挖，大斷面隧洞及有保護要求的隧洞也同樣適用，類似工程還可重復使用，加之數碼雷管取代導爆管帶來的成本大幅增加和爆破施工的諸多限制，懸臂掘進機施工工藝對水利行業類似工程具有重大借鑒和推廣意義。

參考文獻

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