懸臂掘進機隧道施工研究與應用

張楠

（徐州徐工基礎工程機械有限公司，江蘇徐州221600）

0 引 言

國內懸臂掘進機主要應用于煤礦井下巷道，少有山體隧道專用的懸臂式掘進機，但各掘進機廠家已陸續開始重視國內山體隧道市場。徐工基礎工程機械事業部推出XTR系列山體隧道專用懸臂掘進機，通過近幾年的推廣使用，積累了大量的懸臂式隧道掘進機的使用經驗。本文對懸臂掘進機隧道施工工藝和施工適應性研究進行簡單介紹。

1 隧道開挖方式對比

目前國內隧道施工方式主要有兩大類[1]：一類是盾構法施工，這是我國現有長距離和大斷面地鐵隧道所采用的形式，用盾構機施工，開挖斷面固定，施工成本高，運輸組裝不變，適用于長距離隧道等大型工程；另一類是礦山法施工，包括炮掘和懸臂式掘進機施工，國外使用懸臂式掘進機施工已有幾十年的歷史，安全可控，機動靈活，施工效率高。而國內公路、鐵路、水利等隧道大都依然采用炮采施工，存在尺寸超差不受控、施工危險、破壞生態環境等問題，且炸藥管控越來越嚴格，成本高，效率低。炮掘、盾構、懸臂掘進機隧道施工優劣勢對比如表1所示。

通過對比可看出，隨著懸臂掘進機優勢顯著，應用范圍亦逐步擴大，懸臂式掘進機將成為未來國內隧道施工的優勢技術之一。

2 懸臂掘進機施工工藝簡介

懸臂式隧道掘進機是集切割、裝運、行走等為一體的聯合掘進設備，通過機器前端切割機構的上、下、左、右擺動及切割頭旋轉破巖，可實現不同形狀的斷面掘進。掘進落下的物料通過鏟板裝至第一運輸機運到機器后方，并通過皮帶運輸機或挖機與卡車配套，將物料運至隧道之外。可廣泛用于地鐵、礦山、水利等中等隧道全斷面施工[3,5]，也可用于公路、鐵路等大斷面隧道分層施工[2,4]。

表1 隧道開挖方式優劣勢對比

2.1 全斷面開挖施工

一面一次成次性開挖——斷型（如圖1）。

圖1 全斷面施工

掘進機在前方施工，機器后方聯接第二運輸機，掘進機后的渣料通過第二運輸機掉落于卡車中，卡車穿過支護臺車將渣料排到隧洞外。

當掘進機截割完一個循環后，掘進機將支護臺車挑到掌子面，工人開始支護噴漿作業，掘進機后退一定距離停靠于隧道一側，方便其他車輛的通過。

掘進機出渣方式也可以采用挖機出料代替第二運輸機。

2.2 上下臺階分層開挖施工

分層開挖——斷面分上下層（如圖2）。

圖2 分層施工

斷面尺寸較大的隧道，可采用懸臂掘進機進行兩臺階開挖，具體開挖步驟如下：

1）上臺階施工。進行上臺階斷面的掘進開挖，后方采用挖機、裝載機或卡車直接接料，將割落的渣料運至指定位置。采用掘進機施工，可掘進、出渣同步作業。

上臺階掘進一個循環（根據設計要求，一般1～3榀拱架）后，掘進機退至后方，支護臺車、噴錨設備等移至掌子面，進行立拱架、噴漿作業。

支護完成后，掘進機行至掌子面，再次進行上臺階掘進出渣作業。如此掘進出渣、支護循環作業，至上臺階總進尺達到一定步距后，掘進機退至下臺階進行作業。

2）下臺階施工。上臺階開挖后剩余斷面均為下臺階開挖斷面，采用掘進機一次性向前掘進至與上臺階總進尺相近的距離。后方采用挖機、裝載機或卡車直接接料，將割落的渣料運至指定位置。下臺階掘進時，支護臺車、噴錨設備等移至上臺階掌子面，同步進行立拱架、噴漿作業。下臺階掘進完成時，需留有傾斜便道，用于懸臂式隧道掘進機行至上層進行作業。

下機臺階掘進開挖完成后，掘進通過傾斜便道行至上臺階。支護臺車、噴錨設備等移至下臺階掌子面，開始進行立拱架、噴漿作業。

掘進機行至上臺階后，再次進行上臺階的掘進出渣作業，如此上下臺階交替作業，完成整個大斷面隧道的開挖施工。

掘進機開挖循環流程如圖3所示。

3 懸臂掘進機隧道施工適應性研究

3.1 不同巖石工況應對措施

3.1.1 硬巖掘進

圖3 掘進機開挖循環流程圖

大面積的無裂隙巖層，可采取以下方式進行施工，提高掘進效率、降低截齒損耗：1）采用硬巖截割頭配備硬巖型截齒；2）采用鉆脹掘組合工法，釋放巖石應力后掘進，實現塊狀截割。

3.1.2 泥巖掘進

采用大螺距螺旋線截割頭坡配備長型截齒，防止黏泥糊住切割頭。同時及時清理截割頭上的黏泥，避免淤泥干燥后硬化，不易清除，影響施工進度。

3.1.3 砂巖掘進

掘進機砂巖工況施工容易造成截齒磨損，比普通石灰巖磨損快，效率略有降低。施工時可采用砂巖專用切割頭，必要時采用低速切割，降低截齒損耗。

相應截割頭如圖4所示。

圖4 硬巖截割頭、泥巖截割頭、砂巖截割頭

3.2 超欠挖控制

掘進機超欠挖控制靈活，施工中可采取以下措施提高施工精度：1）使用激光導向儀定位，施工斷面輪廓清晰可見，如圖5所示；2）使用遙控功能，避免盲區施工。

3.3 掘進施工除塵

掘進機開挖時持續產生粉塵，可采取以下措施改善隧道施工環境，提高施工整體效率：1）增加抽風管道；2）全斷面施工采用機載除塵方式，如圖6所示；3）大斷面分層施工采用履帶式行走除塵車進行隧道除塵，如圖7所示。

3.4 自動卷纜

自動卷纜系統，配合整機行走自動卷進、卷出電纜，避免人工拖拽電纜，提高工作效率和安全性，如圖8所示。

3.5 挖機類履帶底盤

挖機類行走底盤，更適用于隧道內路面行走，如圖9所示。

4 XTR6/260懸臂式隧道掘進機應用分析

XTR6/260 懸臂式隧道掘進機已成功應用于徐州地鐵3號線銅銅區間、貴陽地鐵1號線火沙區間、重慶市政曾家巖隧道、濟南玉函路地下公路隧道、大瑞鐵路秀嶺隧道、吉爾吉斯南北第二公路隧道等國內外重大工程項目，其在硬巖地層、易塌方地層、溶洞地層等重點難點工程施工中發揮了重要的作用，主要解決的問題如下：

1）以前傳統開挖要6個人，除碴要十幾個人，而且要在危險區作業，現在只用2個人操作機器，危險區不用有人，不使用傳統的爆破法開挖火工品，消除了傳統的重大事故安全隱患；

2）針對多變地層施工效率慢的問題，攻克了多變低層高效截割問題，研究了砂巖、泥巖、大齒座等不同類型截割裝置，保證了隧道的高效施工；

圖5 激光定位

圖6 機載除塵

圖7 自移式隧道除塵車

圖8 電纜卷纜

圖9 挖機類履帶

3）針對高溫、含水量大的問題，開發了水冷、風冷雙系統散熱，保證了設備的連續作業，電控系統防水防潮等級全面提升，保證了施工安全；

4）針對粉塵大、環境惡劣的問題，研制濕式振弦除塵風機，風量大、除塵效果好，粉塵污染得到有效控制；

5）采用掘進機施工效率比爆破法增加了30%，取得了單月掘進130 m的良好成績；

6）極大降低了對圍巖的擾動，有效防止了隧道塌方，掌子面施工也更加圓順，避免了超挖導致脫空的質量隱患。

通過大量的施工應用統計，XTR6/260懸臂式隧道掘進機在隧道施工中，針對灰巖不同硬度的截割能力如圖10所示（不同的截割頭及使用的截齒，將導致截齒的損耗量不同，該曲線僅作為參考）。

圖10 施工效率曲線

通過巖石硬度、切削能力、截齒損耗量的關系圖可得出：在90 MPa以下的巖石施工時，XTR6/260懸臂式隧道掘進機施工效率高，截齒損耗少；巖石硬度超過90 MPa后，施工效率低，截齒損耗將急劇增加。

5 結 語

懸臂式隧道掘進機是一款專門針對地鐵、公路、鐵路、水利等中大斷面隧道設計的掘進設備，已成功應用于地鐵建設、城市地下空間建設、公路、鐵路網建設等工程中, 主要適用于中軟巖（Ⅲa級、IV級、V級圍巖）施工，希望通過以上的介紹和分析，能為隧道施工單位懸臂掘進機選型及施工工序的組織提供參考。