掘進機在小斷面隧道施工中的應用研究

潘相輝

摘 要：甘肅省引洮供水二期工程6標段總干渠18#隧洞為背景，針對小斷面隧道的開挖研究，采用EBZ260型掘進機進行隧洞開挖，掘機施工是依靠電機使截割部旋轉帶動截齒切割巖石，屬于物理割巖，與鉆爆相比減少了掘進對周圍巖石的擾動，另外在環境保護及改善作業環境方面也有著較大提升，不會產生有毒有害氣體，與鉆爆施工工藝相比，在循環作業時間上也有較大效率。

關鍵詞：小斷面隧道；掘進機；激光；鉆爆；出碴

1 引言

甘肅省引洮供水二期工程總干渠施工第六標段，總干渠18#隧洞斷面尺寸寬×高=3.9×4.001（m），全長1298.95m。隧洞主要巖層為粉砂質泥巖，以泥質膠結為主，巖性軟弱，屬極軟巖，遇水易軟化崩解，失水干縮，抗風化能力差。目前國內隧道施工多采用鉆爆法進行隧道開挖，對于Ⅳ、Ⅴ級圍巖爆破施工，由于圍巖巖性軟弱，開挖斷面較難控制，超挖現象較為嚴重，爆破施工后洞內煙塵較大，施工環境差，民爆火工品使用存在一定安全風險都等。

2 工程概況

甘肅省引洮供水二期工程總干渠施工第6標段總干渠18#隧洞，隧洞全長1298.95m，設計圍巖為AnZm×3前震旦系片麻巖古風化殼的強分化層、N2P粉砂質泥巖。采用EBZ260型掘進機進行隧洞開挖，在進度方面具有開挖速度快、開挖出碴可同時作業、機械化程度高等特點；在質量方面具有對圍巖擾動小、開挖斷面成型規則、超欠挖小等特點；安全文明施工方面具有施工震動、煙塵、噪音小，安全性高，對周邊居民房屋的擾動小。

在距離工作面50m處安裝激光指向定位系統，調試完成后在掌子面形成清晰可見的開挖輪廓線，準確對開挖輪廓進行定位，為掘進機開挖做指引；掘進機通過旋轉截割部，使截割頭上截齒與巖石在壓力作用下發生碰觸，利用物理作用把巖石從圍巖母體中剝離出來，再利用掘進機上鏟板、星輪、第一運輸機、第二運輸機等配套設施把剝落的碴石從掘進面轉送至出碴車上，由出碴車把碴石從洞內運至洞外排碴場。

3 關鍵施工技術

3.1 施工工藝流程

設備檢查→邊仰坡施工→超前管棚施工→激光指向儀安裝→激光指向儀調試→掘進機開挖施工→掘進機出碴施工→掘進機出碴施工→開挖斷面修整→鋼拱架安裝→錨桿、網片安裝→噴射混凝土→出渣清底。

3.2 設備檢查

掘進機運行前，首先檢查電源電壓，掘進機電壓為1140V、緊急制動系統是否靈活、液壓系統油管油溫及抗磨液壓油數量，行走部、一運輸送、鏟板及星輪、截割部運轉操及油路；截割部運轉及截齒缺損情況，二運皮帶的運轉檢查。

3.3 邊仰坡施工

進洞前，首先完成洞頂排水溝、洞外截水溝，以便預計引離地表水。然后，自上而下進行邊仰坡開挖，嚴禁掏底取土或使用大量爆破，施工中盡量減少對原巖層的擾動，最后按設計坡度對邊仰坡一次修整到位，并分層進行邊坡防護，以防巖土風化，雨水滲透而坍塌。隧道洞口邊，仰坡采用錨噴防護，坡面修整好后按設計要求成孔，成孔后及時施工水泥基藥卷錨桿。 安裝鋼筋網時，依托錨桿頭掛焊Φ6.5鋼筋網，逐點焊牢，同時邊敲擊筋條貼合巖面凹凸起伏（間距不大于3cm），保持平順，特別凹陷處應增加掛網錨桿固定。噴射小石子砼前對巖面應先噴水濕潤，以免砼層成殼脫落，在網片生銹前及時從上向下噴射。噴射小石子砼的配合比、外加劑摻量、氣壓、水量、噴距、每次噴厚、層次等應經現場工藝試驗確定。

3.4 超前管棚施工

隧洞拱頂180°范圍內施工超前小管棚，采用φ42超前小管棚，管棚長度L=3m，環向間距30cm，仰角1°～3°。

3.5 激光指向儀安裝

隧洞掘進超過50m后，在距掌子面前50m處安裝激光指向定位系統，定位系統包括測量部（YGB-800型激光指向儀5臺）、校準部（激光對中環10組）、蓄電池等構件。

測量部激光指向儀安裝位置，延隧洞斷面環向布置，如圖1所示，拱頂布置1臺（1-1），拱架連接板處布置2臺（1-2、1-3），拱架腰線處布置2臺（1-4、1-5）。在激光指向系統前方20m及40m處各安裝一組校準部（激光對中環），根據“三點一線”的原理，用于對激光指向儀進行校準。校準部激光對中環布設位置與測量部激光指向儀安裝位置對應，并使激光指向儀發射激光束能穿過兩組對中環照在掌子面上。如圖2所示。

3.6 激光指向儀調試

激光指向系統安裝完成后，采用全站儀對其測量部進行調試，使5臺激光指向儀發出的激光同時照在掌子面上，激光點在掌子面上形成一圈清晰的環形輪廓，即作為開挖斷面的輪廓線。激光指向系統中每個激光指向儀前20m及40m處各安裝一個激光對中環，并調試對中環使激光束穿過對中環打在掌子面上。此處對中環用于對激光束位置進行復核，日常檢查中若發現激光束未穿過對中環，則判定測量部發生位移，須立刻對測量部進行調試。

3.7 掘進機開挖施工

掘進機通過旋轉截割頭截割巖石，利用截割頭上截齒把巖石從母體中剝離下來，截割的進刀一般是從隧洞左下角開始，向巖石內割巖，進刀深度為截割頭三分之二為宜，EBZ260型掘進機截割頭長1200mm，每循環進刀為800mm。然后沿隧洞底板向隧洞右側緩緩推進，截割到隧洞右側輪廓線時向上進刀，然后向左側割巖，按照“之”字線路由下到上依次割巖。

隧洞采用掘進機向前掘進，隧洞輪廓線間距誤差小于50 mm，隧洞周邊不應欠挖，平均線性超挖值應小于100 mm。

一般情況，當截割較軟的圍巖時，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利用從下而上截割；當遇有硬巖時，不應勉強截割，對有部分露頭硬石時，應首先截割其周圍部分，使其墜落。對大塊墜落體，采用爆破方法處理后再進行裝載。

3.8 掘進機出碴施工

在截割巖石的同時，掘進機通過鏟板星輪轉動，將從巖層中剝落的碎巖傳送至掘進機中間溜槽的第一運輸系統；第一運輸系統通過溜槽內刮板滑動將碎巖轉送至掘進機后的二運皮帶上；第二運輸系統通過二運皮帶電滾筒轉動帶動皮帶傳動，碎石經過二運皮帶傳送至出碴車上，由出碴車轉運至洞外棄碴場。

3.9 開挖斷面修整

根據激光指向儀系統定位輪廓線對開挖斷面進行檢查，用截割頭對已截割完成隧洞進行修整，不許欠挖，超挖控制在100mm以內。

3.10 鋼拱架安裝

拱頂、側墻斷面檢查合格并排除浮石后，進行鋼拱架安裝，拱架采用I16工字鋼加工全封閉鋼拱架，安裝間距0.8m，鋼拱架平面垂直于隧洞中線，其傾斜度不大于2°，鋼架的任何部位偏離鉛垂面不宜大于5cm。拱架連接筋采用φ25螺紋鋼，環向布置間距50cm。

施工平臺由掘進機改造而成，在掘進大臂及機身上加裝護欄、上下踏步，以掘進機機身作為施工作業平臺，進行拱架安裝及噴射混凝土施工，從而提高了循環作業效率。

3.11 錨桿、網片施工

拱頂、側墻設φ20水泥基藥卷錨桿L=2.5m，梅花形布置，7/6根每延米，排距1.0m。拱頂、側墻范圍內設φ6.5×200×200mm鋼筋網。

3.12 噴射混凝土施工

噴射順序為：先墻后拱，從墻基（100mm）開始自下而上進行，噴槍頭與受噴面應盡量保持垂直。初噴厚度不小于50mm，噴漿時，必須采用濕料，噴射前，必須沖洗巖幫，噴頭與受噴面的距離以0.9m-1.2m，角度為不小于75[°]為宜，復噴厚度不小于100mm，。

3.13 出碴、清底

噴射混凝土施工完成后，掘進機出下部回彈噴漿料，清理底板多余碴石。

4 結束語

本文通過掘進機在小段面隧道施工中的應用研究，掘進機在Ⅳ、Ⅴ級圍巖的小斷面隧洞中投入使用，與通常鉆爆法相比，減少因圍巖穩定性較差而造成安全事故發生率，同時減少了有毒有害氣體產生，從根本上保證了安全和施工質量。掘進機截割巖石屬于物理方法截割巖石，截割速度快，可以實現掘進、棄碴運輸連續作業，提高了掘進效率，縮短建設施工周期，降低了工人勞動成本；改善了作業環境，節能，環保，降低工程措施費用，節約工程成本，同時縮短工期，經濟效益顯著。

參考文獻：

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