懸臂式掘進(jìn)機(jī)在小斷面隧道掘進(jìn)工程中的應(yīng)用

王梯普，李遠(yuǎn)征，魏武巍，張 漢，李泉智，李春早

懸臂式掘進(jìn)機(jī)在小斷面隧道掘進(jìn)工程中的應(yīng)用

王梯普，李遠(yuǎn)征，魏武巍，張 漢，李泉智，李春早

(中交一公局第七工程有限公司，河南 鄭州 451450)

小斷面隧道掘進(jìn)工程具有斷面尺寸小、爆破施工夾制作用大、開挖功效低等特點(diǎn)。針對貴安新區(qū)某小斷面隧道掘進(jìn)施工技術(shù)難點(diǎn)，針對懸臂式掘進(jìn)機(jī)施工的適用性、應(yīng)用效果及施工不足進(jìn)行分析研究，并從人力與機(jī)械配置等3個方面進(jìn)行優(yōu)化。工程實(shí)踐表明：較傳統(tǒng)鉆爆法，采用懸臂式掘進(jìn)機(jī)人員投入可減少133%，機(jī)械配置可減少140%，開挖成本可節(jié)約12.92 元/m3，既保證了施工進(jìn)度和質(zhì)量，又解決了安全與環(huán)保問題，為類似工程施工提供了經(jīng)驗(yàn)借鑒。

懸臂掘進(jìn)機(jī)；小斷面掘進(jìn)；隧道；鉆爆法

0 引 言

小斷面隧道的開挖建設(shè)，是地質(zhì)勘查、灌引水、地下礦山開采等重點(diǎn)工程連接貫通的關(guān)鍵工序[1]。施工工藝的自動化、多樣化、效率化、重型化及經(jīng)濟(jì)化是當(dāng)前隧道掘進(jìn)工程的主流發(fā)展方向[2]。盾構(gòu)法及礦山鉆爆法是常見的隧道工程掘進(jìn)開挖方法，隨著此類工程建設(shè)數(shù)量的不斷增多，眾多研究者對其開挖方法進(jìn)行了大量的研究工作[3]。張子新等[4]通過采用大型模型試驗(yàn)、數(shù)值仿真和工程驗(yàn)證手段，系統(tǒng)研究地面出入式盾構(gòu)法隧道新技術(shù)的關(guān)鍵問題，揭示地面出入式盾構(gòu)法穿越不同階段的地表沉降規(guī)律，并以南京某隧道工程的開挖應(yīng)用為工程背景，分析了該新方法在工程中主要施工參數(shù)的合理選擇和有效的控制技術(shù)；楊友生等[5]從鉆爆法隧道施工主要施工機(jī)械配置、配置方案優(yōu)化措施、配套機(jī)械管理及專用設(shè)備使用成本等方面，簡述了鉆爆法隧道施工機(jī)械化配套實(shí)施控制要點(diǎn)。盡管盾構(gòu)法及鉆爆法對地質(zhì)條件適應(yīng)性強(qiáng)，特別適用于堅(jiān)硬與破碎巖石隧道及大量短隧道的施工[6]，但前者受小斷面施工尺寸的制約，無法滿足施工條件；后者因施工工序繁瑣、爆破振動對臨近水系或原有地質(zhì)結(jié)構(gòu)造成較大的破壞、炸藥單耗高且審批嚴(yán)格，常因其供應(yīng)不及時(shí)而停工，從而延誤工期。為使工程如期進(jìn)行，采用新工藝開挖方法是當(dāng)前小斷面隧洞工程開挖建設(shè)的新課題。

懸臂式掘進(jìn)機(jī)開挖法在煤巷建設(shè)工程中的應(yīng)用較為成熟，隨著科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展，在非煤隧洞領(lǐng)域的應(yīng)用前景也越來越好[7]。與上述施工方法相比，懸臂式掘進(jìn)機(jī)克服其不足且具有施工進(jìn)度快、圍巖擾動少、安全風(fēng)險(xiǎn)低、不需購置昂貴器械、不受開挖斷面尺寸影響以及開挖質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)。

為此，本文以貴安新區(qū)某小斷面隧道掘進(jìn)為應(yīng)用實(shí)例，從人力與機(jī)械配置、開挖成本及開挖功效3個方面將懸臂掘進(jìn)機(jī)和礦山鉆爆法做了研究和對比，針對施工不足提出相應(yīng)的優(yōu)化方案，為類似小隧洞工程建設(shè)提供經(jīng)驗(yàn)參考。

1 工程實(shí)例應(yīng)用

1.1 工程概況

貴安新區(qū)某小斷面隧道掘進(jìn)主洞總長5124.50 m，最小開挖斷面尺寸為3.0 m×3.4 m；1#支洞總長298.06 m，最小開挖斷面尺寸為4.5 m×4.6 m，拐彎半徑為60 m，坡度為8.91%；2#支洞總長347.13 m，最小開挖斷面尺寸為4.7 m×4.6 m，拐彎半徑為60 m，坡度為13.36%；隧洞主、支洞斷面均為城門洞型。場區(qū)屬溶蝕低山丘陵地貌，場區(qū)內(nèi)巖石（最大抗壓強(qiáng)度測試）為85 MPa，測區(qū)地震動峰值加速度為0.05 g，地震動反應(yīng)譜特征周期為0.35 s。隧洞整體埋深為20.0~80.0 m，平均埋深約50.0 m，其中，Ⅲ類圍巖1964.87 m，占37%；Ⅳ類圍巖2669.63 m，占53%；Ⅴ類圍巖490 m，占10%，主要分布于隧洞進(jìn)出口段及斷層發(fā)育段。工程施工環(huán)境較為復(fù)雜，隧洞存在兩處斷層帶：引5+499.06～引5+559.06和最長斷層帶引2+536.00～引3+771.29；隧洞進(jìn)口左側(cè)50 m有一居民飲水源，距隧洞進(jìn)口178 m處有村民房屋；東縱線新寨互通立交跨線橋0#橋臺樁基與隧洞主線相交于主洞引K3+988.96-K3+994.23處。多種復(fù)雜因素綜合影響，使得工程難度進(jìn)一步增加。

1.2 設(shè)備選型

項(xiàng)目隧洞主洞最小開挖斷面為Ⅲ級圍巖，其斷面尺寸為3.0 m×3.4 m，符合主洞施工的掘進(jìn)機(jī)型號有EBZ160H和EBZ230K等2種懸臂式掘進(jìn)機(jī)，1#支洞最小開挖斷面尺寸為4.5 m×4.6 m，2#支洞最小開挖斷面尺寸為4.7 m×4.6 m，符合支洞施工的掘進(jìn)機(jī)型號共有EBZ200H、EBZ260H和EBZ318H等3種懸臂式掘進(jìn)機(jī)。根據(jù)掘進(jìn)機(jī)廠家提供的機(jī)械類型及技術(shù)參數(shù)，主洞施工掘進(jìn)機(jī)方面；EBZ230K掘進(jìn)機(jī)在尺寸上更小巧、靈活，EBZ230K掘進(jìn)機(jī)鏟板寬度比EBZ160H型小，開挖作業(yè)時(shí)兩側(cè)鏟板預(yù)留空間大于50 cm，方便操作，行走方便；支洞施工掘進(jìn)機(jī)方面：需考慮支洞進(jìn)入主隧洞時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)方便，且支洞作業(yè)時(shí)更加靈活，同時(shí)考慮在支洞作業(yè)設(shè)計(jì)坡度較大，其中EBZ200H掘進(jìn)機(jī)符合最優(yōu)條件，其機(jī)身在3種機(jī)型中最短，質(zhì)量最輕，其他功能沒有差異。

結(jié)合本工程隧洞圍巖等級及斷面尺寸情況，在咨詢廠家技術(shù)人員的基礎(chǔ)上最終確定采用EBZ230K和EBZ200H掘進(jìn)機(jī)，2種掘進(jìn)機(jī)性能主要參數(shù)如表1所示。

表1 2種掘進(jìn)機(jī)性能參數(shù)

2 施工工藝[8]

2.1 掘進(jìn)施工工藝

懸臂式掘進(jìn)機(jī)在掘進(jìn)點(diǎn)首次就位后，從掌子面最底端切削出1條水平凹槽，切削完成后向前移動完成再次就位，就位后截割頭采取自下而上、左右循環(huán)的削巖路徑。鏟板部耙爪同時(shí)將截割頭切削下來的碴石轉(zhuǎn)入至出碴車運(yùn)至隧洞外碴石臨時(shí)存放點(diǎn)[6-7]。完成底端切削至頂端后，對切削面進(jìn)行二次修整，以達(dá)到設(shè)計(jì)斷面的標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)遇到堅(jiān)硬巖石（≥100 MPa）時(shí)，為降低掘進(jìn)難度及截齒消耗量，可先切削周圍軟巖，使大塊硬巖墜落，對大塊墜落體采用適當(dāng)辦法處理后再進(jìn)行裝載。一次切削完成后，將懸臂式掘進(jìn)機(jī)退至不影響初期支護(hù)施工距離，隨后在掌子面架設(shè)鋼拱支架，完成噴射混凝土等初期支護(hù)施工，至此完成一次掘進(jìn)施工，待初期支護(hù)具有足夠支撐強(qiáng)度后，重復(fù)上述施工工藝，直至施工完成。掘進(jìn)機(jī)施工工藝如圖1所示。

圖1 掘進(jìn)機(jī)施工工藝

2.2 施工切割方式

懸臂式掘進(jìn)機(jī)的截割方式是從掃底開始截割，再按S型或Z型左右循環(huán)向上的截割路線逐級截割上部巖石[8]。選用右旋截割頭截割硬巖，先由右向左從掃底開始截割，再按從左至右、自下往上的方式或從右往左、自上而下逐步進(jìn)行截割。如遇節(jié)理發(fā)育較好巖石，則應(yīng)沿巖石節(jié)理方向逐步切割。掘進(jìn)機(jī)切割方式如圖2所示。

圖2 掘進(jìn)機(jī)切割方式

針對不同硬度的巖石可定制不同的截齒，科學(xué)合理選擇最佳截割頭，可提高施工效率，當(dāng)局部遇有硬巖時(shí)，可以選用小直徑切割頭。小直徑截割頭切割力大、破巖能力強(qiáng)，能降低掘進(jìn)難度及截齒消耗量。

2.3 出碴方式

鏟板部耙爪將切割頭從掌子面巖石切削下來的石碴裝入一運(yùn)裝載機(jī)，由裝載機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)至二運(yùn)轉(zhuǎn)載機(jī)，最后由二運(yùn)轉(zhuǎn)載機(jī)將石碴直接裝入出碴車運(yùn)出洞外。出碴采用5 t自卸汽車出碴，出碴與開挖同步進(jìn)行，節(jié)省施工時(shí)間[9]。

2.4 初期支護(hù)

當(dāng)懸臂式掘進(jìn)機(jī)完成一次切削施工，經(jīng)測量復(fù)核無欠挖現(xiàn)象后應(yīng)及時(shí)進(jìn)行初噴混凝土封閉作業(yè)及加設(shè)鋼拱架作業(yè)（Ⅳ級圍巖加強(qiáng)段和Ⅴ圍巖有鋼拱架）。隧洞初期支護(hù)按新奧法原理采用噴錨支護(hù)。初期支護(hù)噴射砼采用洞外拌合站集中攪拌混凝土，掘進(jìn)機(jī)開挖一定進(jìn)尺后退回錯車道內(nèi)，支護(hù)作業(yè)班組開始進(jìn)行噴錨支護(hù)，完成開挖到支護(hù)的作業(yè)循環(huán)。

3 與傳統(tǒng)爆破開挖方法對比分析

懸臂式掘進(jìn)機(jī)開挖與傳統(tǒng)鉆爆法相比：人員配置由14人減為6人，人員投入率減少達(dá)133%；機(jī)械配置由12臺減為5臺，機(jī)械配置減少率達(dá)140%。人員配置減少的原因是在掌子面只需一臺懸臂式掘進(jìn)機(jī)與一臺挖掘機(jī)配合作業(yè)，既避免了傳統(tǒng)鉆爆法開挖施工的多人班組，又大幅減少了手風(fēng)鉆等器械設(shè)備的使用，施工作業(yè)效率提升十分顯著。

在巖石抗壓強(qiáng)度為60 MPa時(shí)，采用傳統(tǒng)鉆爆法時(shí)開挖成本為65.10 元/m3，較懸臂式掘進(jìn)機(jī)開挖每立方米將多增加12.92 元，說明采用懸臂式掘進(jìn)機(jī)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)良好。傳統(tǒng)鉆爆法施工經(jīng)濟(jì)指標(biāo)高于懸臂式掘進(jìn)機(jī)，人工費(fèi)及材料費(fèi)（炸藥、雷管等）高昂是其主要原因，而懸臂式掘進(jìn)機(jī)靠截齒切削掌子面巖體，減少了該方面的費(fèi)用支出。

懸臂式掘進(jìn)機(jī)較傳統(tǒng)鉆爆法開挖更加高效，單次掘進(jìn)施工可節(jié)約2.5 h。其原因是懸臂式掘進(jìn)機(jī)為流水式作業(yè)施工，掘進(jìn)機(jī)將石碴切削完畢后直接由底部耙抓運(yùn)轉(zhuǎn)至裝載機(jī)再轉(zhuǎn)運(yùn)至自卸車，避免了傳統(tǒng)鉆爆法施工鉆孔鑿眼至出碴排碴整個緩慢的過程，節(jié)約循環(huán)作業(yè)時(shí)間，提升作業(yè)效率。

此外，在施工安全性方面，懸臂式掘進(jìn)機(jī)對圍巖擾動較少，避免了對圍巖的大范圍擾動造成的滲水、突泥等地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，大大降低了安全事故發(fā)生的概率；在施工環(huán)保性方面，掘進(jìn)機(jī)開挖圍巖斷面比爆破斷面規(guī)則、完整，圓順度高、無松散石塊，安全保障高，如存在局部欠挖無需補(bǔ)炮，處理速度快，可完成實(shí)時(shí)初期支護(hù)，自帶噴霧系統(tǒng)，可減小因切割巖面產(chǎn)生的大量粉塵且冷卻作業(yè)面，與通風(fēng)機(jī)配合排煙降塵，有效凈化掘進(jìn)操作現(xiàn)場的環(huán)境，提高了作業(yè)人員作業(yè)環(huán)境空氣質(zhì)量及可視度。

4 施工優(yōu)劣分析及施工優(yōu)化

4.1 施工優(yōu)劣分析

采用懸臂掘進(jìn)機(jī)施工的主要優(yōu)點(diǎn)：

（1）作業(yè)時(shí)破碎全斷面巖石，多次上下左右連續(xù)移動切割頭來完成工作，不受氣候條件影響。

（2）可控制超欠挖量；初期支護(hù)時(shí)，掘進(jìn)機(jī)后退至不影響后續(xù)施工工序位置（錯車道），等待下一掘進(jìn)工序。

（3）懸臂式掘進(jìn)機(jī)小巧，在隧洞中有較大的靈活性，施工準(zhǔn)備時(shí)間短。

（4）工作機(jī)構(gòu)外形尺寸小、各重要部位都具有可換性，便于維修和支護(hù)作業(yè)。

（5）可連續(xù)掘進(jìn)，掘進(jìn)工序少、效率高、速度快、施工安全、勞動強(qiáng)度低，對隧洞圍巖擾動小、無振動破壞、易維護(hù)，同時(shí)避免對地表建筑的影響。

采用懸臂掘進(jìn)機(jī)施工的主要不足。

（1）因懸臂式掘進(jìn)機(jī)切割頭截齒較長，開挖時(shí)可能對完成的初期支護(hù)造成損傷。

（2）因隧洞為小斷面隧洞施工，使得無法在掘進(jìn)時(shí)同步完成二次襯砌施工。

（3）因掘進(jìn)機(jī)械整體大小限制切削部位長度，無法進(jìn)行多臺階掘進(jìn)施工。

4.2 施工優(yōu)化措施

針對懸臂式掘進(jìn)機(jī)自身特性與施工環(huán)境不適應(yīng)性，可通過如下優(yōu)化措施對施工工藝進(jìn)行優(yōu)化。

（1）改進(jìn)懸臂式掘進(jìn)機(jī)切割頭伸縮范圍。實(shí)踐證明，當(dāng)切割頭與掌子面的凌空面距離控制在50 cm時(shí)，掘進(jìn)施工效率最佳；距離控制在80 cm時(shí)，可避免對初期支護(hù)造成損傷[10]。

（2）新增聯(lián)絡(luò)通道。受小斷面開挖斷面面積制約，可開挖新增聯(lián)絡(luò)通道，解決無法采用二襯臺車襯砌施工與掘進(jìn)同步施工的難題。

（3）設(shè)計(jì)新型切割頭。設(shè)計(jì)適用于小斷面隧洞開挖的切割頭，不受器械整體長度制約，可以滿足多臺階或全斷面開挖施工。

5 結(jié) 語

（1）采用懸臂式掘進(jìn)機(jī)較傳統(tǒng)鉆爆法施工人員投入率可減少133%，機(jī)械配置減少率達(dá)140%。較傳統(tǒng)鉆爆法相比，懸臂式掘進(jìn)機(jī)開挖施工可節(jié)約經(jīng)濟(jì)成本12.92元/m3。

（2）懸臂式掘進(jìn)機(jī)開挖施工對圍巖產(chǎn)生的力學(xué)擾動及超欠挖程度較小，不僅保證安全性，大幅度提升了施工進(jìn)度、解決了環(huán)保問題，還保證了開挖質(zhì)量，節(jié)約了完工時(shí)間。

（3）懸臂式掘進(jìn)機(jī)于隧洞工程中的應(yīng)用勢必越來越廣，但其操作復(fù)雜、設(shè)備自重較大、機(jī)械臂轉(zhuǎn)動范圍小、截齒易磨損等問題不可忽視，是亟待解決的問題。

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(2018-11-25)

王梯普(1987—)，內(nèi)蒙古赤峰人，工程師，主要研究方向：隧道及隧道工程掘進(jìn)與管理，E-mail：290729639@ qq.com。