XTR260懸臂式掘進機在公路隧道工程中的應用

李玲玉 呂金明

(中交路橋建設有限公司，北京 101121)

0 引言

鉆爆法施工具有作業不連續、工序復雜、破壞周邊巖、擾動原巖、開挖石塊破碎度不均勻等諸多缺點。隨著社會安全形式發展，各級政府公安部門對炸藥管控力度也逐步加強，因大規模活動、會議而停供炸藥時常發生，鉆爆法的局限性愈發凸顯。懸臂式掘進機是一種集截割、裝載、行走、除塵于一體的聯合式組合機械設備，其主要應用于煤炭開采領域，近兩年隨著設備制造技術的大力發展，重型式懸臂掘進機研發也取得了一定突破，為其在隧道工程開挖施工中應用提供了基礎。

1 工程概況

柞木臺隧道位于長白山脈北側支脈，牡丹嶺之中，周圍山巒連綿起伏、森林茂密，海拔768 m～1 034 m，隧道長2 970 m。隧址區位于新發—魚亮子林場斷裂和仁義頂子斷裂之間，受其影響隧址區花崗巖節理裂隙發育、巖體破碎，斷層共有7條，斷層附近節理裂隙發育，巖體破碎。隧道進口位于柞木臺林場，需修筑便道約4 km；出口位于光明林場，需修筑便道約16 km。

2 方案選定

隧址區動植物物種豐富，時常有野生動物出沒，為提升洞口段破碎巖體段隧道開挖施工安全性，降低開挖施工對林區野生動物影響，打造綠色鶴大高速，項目組人員通過對鉆爆法、TBM、懸臂掘進機等施工工藝進行了綜合比選，綜合付進、漆泰岳等人[4，5]對掘進機在隧洞及地鐵隧道施工應用成本情況進行分析，結合本項目施工需求，提出重型懸臂式掘進機開挖的實施思路。為彌補傳統煤礦掘進機在公路隧道施工中存在的不足，通過對國內懸臂掘進機設備綜合比選，向徐工提出設備使用需求。2014年6月，江蘇徐工生產的首臺隧道施工用重型懸臂式掘進機XTR260下線，該設備最大切割高度7.1 m，最大截割寬度7.5 m，對大斷面公、鐵路隧道可一次截割到位，實現真正意義上掘進機全斷面開挖施工。

3 施工工藝

3.1 工作原理

XTR260隧道用懸臂式掘進機工作時主機截割頭的轉動把巖石切割剝落下來，前推板將渣土推送至機械兩側，然后用挖掘機裝車出渣。通過切割臂的上下、左右擺動，對隧道斷面任意位置進行切割，截割頭切割出的圍巖表面平整，超欠挖控制好。掘進機自帶的履帶式行走機構，機動靈活、轉彎方便、爬坡能力強，特別適用于隧道內復雜地質條件。

懸臂式掘進機的掘進過程即是截割頭、截割臂的組合運動，即截割頭的空間螺旋運動和截割臂的上下、左右擺動及運動組合，具體呈現出四種截割運動狀態，截割頭及截齒運功軌跡如圖1所示。

3.2 掘進工藝

懸臂掘進機鉆進作業通過設備履帶機構行走來實現，掘進工作由機械本部前后運動+截割臂左右擺動+截割臂水平擺動+截割頭旋轉四部分綜合組成。軟巖中鉆進時間較短，硬巖中鉆進時間長，掘進時通過機體的前進、后退，截割臂的左右、上下擺動，截割頭繞截割臂軸向轉動共同來完成，切割原則截割頭沿阻力最小方向移動。

掘進機通過截割頭的上下、左右復合運動，隧道斷面初具雛形，此時斷面與最終需呈現出的斷面形狀還有一定差異，最后還需要截割頭環向運動修正輪廓線，以達到設計要求，具體工作方式如下：

1)掏槽切割。

掘進機掏槽切割時所需力較小，掘進推力通過掘進機前進提供。掏槽時截割頭的推進方向與切線方向形成近似直角。掏槽點可選擇隧道斷面任意點位置，施工時應確保截割臂處于水平狀態，選擇截割頭處巖石較硬的點，此時截割頭處于最好受力狀態。掘進機最大掏槽深度為截割頭長度，掏槽施工時避免掘進機頂進施工。

2)橫向擺動切割。

橫向擺動切割方式選取應根據巖層走向來確定，當巖層走向水平時，橫向切割最有利，對截齒損傷最小。掘進時轉動截割頭進行掏槽作業，轉動回轉軸承，使截割頭沿著巖石層理方向水平均勻轉動，轉動時避免過快操作損傷截齒。

3)豎向擺動切割。

當巖層層理是傾斜或豎直時，選擇豎向擺動切割，此時鎖定機械本部回轉軸承，通過調節液壓油缸，利用截割臂帶動截割頭做上下豎直運動。

4)斷面修整。

掌子面經截割頭上下、左右移動切割后，可切割出斷面大致形狀，此時與設計斷面還有一定差異，需用截割頭繞輪廓線環向截割作業，達到斷面設計要求。環向截掃作業時，控制好截割頭移動速度，不可過快。

5)出渣。

XTR260通過前推板將切割下來巖體推擠至設備兩側，通過挖掘機裝車，運輸至洞外。但其前推板設計，雖降低了設備成本和結構自重，但不能實現切割出渣同步作業，出渣效率受到一定影響。

不同開挖工藝截割路線圖見圖2。

3.3 控制措施

懸臂掘進機對不同巖層采取不同工藝進行切割：對硬度較小(f<6，f為巖石普氏系數)的巖石，截割頭水平擺動循環向上切割；對巖層硬度不同、軟硬不均時，先剝離硬巖周邊軟巖，截割頭自下而上左右擺動切割；對硬度較大的巖石(6≤f≤10)，根據巖層的節理情況確定鉆進深度，鉆進時截割臂應處于水平狀態且位于機器中心位置。

3.3.1軟巖掘進控制

掘進機在隧道軟巖和極軟巖地層開挖時，應根據圍巖變形量情況，在設計開挖線基礎上，預留適當的變形量，確保二襯施工完畢后，不侵入設計建筑界限。

1)泥巖。

在泥巖地層中，應選用“大螺距螺旋線截割頭+長形截齒”截割頭。為防止粘土粘住截割頭，掘進過程要及時清理截割頭上粘土，避免干燥后硬化，糊住截割頭。

2)砂巖。

較普通石灰巖而言，砂巖對截割頭的損耗更大，施工時應選用砂巖專用截割頭，同時通過降低截割頭轉速，降低截齒損耗。

3)軟硬不均巖層。

遇到軟巖中夾雜局部裸露硬巖時，應先對硬巖周圍部分巖體切割，將其剝落后，再進行分解裝載。作業時，推板與地面處壓接密實，防止機體振動影響切割效果。

3.3.2硬巖掘進控制

大塊硬巖對掘進機截齒損傷很大，施工時應根據巖石硬度及節理發育等因素綜合對比，確定鉆進位置和深度。為減少截齒損耗，對100 MPa以上無裂隙巖石應先切削周邊軟巖，改變切割線路進行擠壓破碎，將整塊巖石剝落。對大面積硬巖可采用松動爆破釋放巖石應力，同時更換更小的截割頭，安裝硬巖截齒。硬巖鉆進過程，單次最大鉆進深度控制在22 cm，以掏槽孔為起點橫向擴展，最大擴展尺寸不超過70 cm。

3.4 降塵作業

掘進機切割過程中會持續產生粉塵，且截割頭持續與巖層摩擦溫度也會上升。為改善洞內作業環境，確保截割頭溫度處于合理狀態，施工時采取噴水進行除塵降溫。截割頭啟動后，打開設備自帶的外噴霧控制閥，對截割頭噴霧后方可切割巖石。為確保降塵效果，施工前應檢查設備冷卻系統及噴霧系統，確保噴霧系統無堵塞且流量不小于40 L/min。

3.5 精度控制

為控制好超欠挖，施工時采用激光導向系統進行標記開挖輪廓。根據隧道斷面尺寸情況，安裝5個～7個激光導向器。激光導向器安裝于已施工好的二襯上，其光束能夠長距離聚焦、穿透力強，標記點清晰干擾小，斷面修整時通過激光束標記點可有效控制超欠挖。

4 結語

懸臂式掘進機能夠具有震動小、安全風險低、環境適應性強等特點，通過激光導向定位與描紅標記定位相結合能較好控制超欠挖，但實施過程中需關注以下幾點：掘進機調整時會導致12 m～16 m中隔墻不能施工，對于小斷面CD法不適用；由于掘進機總質量大，易對CRD法的臨時仰拱造成破壞，故其不適用于CRD法施工。為防止開挖時懸臂掘進機截割頭破壞已施作好的初支結構，初支施工距掌子面要留有0.8 m左右的空間。懸臂掘進機開挖過程中持續產生粉塵，且隨摩擦時間增長，截割頭溫度會上升，施工時需持續對切削面截割頭噴水降溫、降塵。

參考文獻:

[1] 安國明.隧道施工專題講座——山嶺工法中[J].工程機械與維修,2008(9):112.

[2] 彭秀芹.XTR260懸臂式隧道掘進機回轉機構設計及有限元分析[J].江蘇建筑職業技術學院學報，2016(9):40.

[3] 鞠林林.小斷面、長隧洞懸臂式縱軸掘進機開挖工法[J].水利建設與管理，2017(5):78-82.

[4] 付 進,劉欣意.國內懸臂式掘進機隧洞開挖的成本分析[J].四川水利,2016(1):50.

[5] 漆泰岳,李 斌.懸臂掘進機在復雜斷面地鐵隧道中的應用研究[J].現代隧道技術,2011(8):32-38.