鄂北地區(qū)水資源配置工程復(fù)雜環(huán)境下淺埋隧洞懸臂式掘進(jìn)機(jī)工法研究

饒?chǎng)? 陳小松 潘亞輝 劉運(yùn)佳

摘要：鄂北地區(qū)水資源配置工程優(yōu)良隧洞為淺埋隧洞，臨近構(gòu)筑物多，附近地質(zhì)條件復(fù)雜，隧洞施工對(duì)爆破振動(dòng)和沉降要求嚴(yán)格。介紹了EBZ200H懸臂式掘進(jìn)機(jī)在優(yōu)良隧洞的應(yīng)用，包括懸臂式掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)法和鉆爆法的工法比選，掘進(jìn)機(jī)設(shè)備選型， 施工方法、進(jìn)度和開(kāi)挖費(fèi)用分析等。施工實(shí)踐表明，采用懸臂式掘進(jìn)機(jī)施工對(duì)圍巖擾動(dòng)小、施工效率高、技術(shù)合理且經(jīng)濟(jì)效益顯著。

關(guān)鍵詞：淺埋隧洞;隧洞掘進(jìn);懸臂式掘進(jìn)機(jī);鄂北地區(qū)水資源配置工程

中圖法分類(lèi)號(hào)：TV554文獻(xiàn)標(biāo)志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2020.11.007

Abstract： The Youliang tunnel of North Hubei Water Transfer Project is a shallow buried one with lots of structures in the adjacent area and complicated geological conditions， so the construction has strict requirements for blasting vibration and settlement. The application of EBZ200H boom-type roadheader in Youliang tunnel is introduced， including comparison and selection of boom-type roadheader method and drilling and blasting method， selection of tunneling machines， analysis of construction methods， progress and excavation cost. The construction practice showed that the construction of boom-type roadheader had small disturbance on the surrounding rock mass and was highly efficient.So the consturction was technically reasonable with satisfying economical benefits achieved.

Key words： shallow buried tunnel;tunnel drilling; boom-type roadheader; North Hubei Water Transfer Project

1 工程概況

鄂北地區(qū)水資源配置工程（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“鄂北工程”）是國(guó)務(wù)院確定的172項(xiàng)重大水利工程之一。鄂北工程從丹江口水庫(kù)清泉溝隧洞進(jìn)口引水，渠首設(shè)計(jì)引水流量為38 m3/s。優(yōu)良隧洞位于輸水線(xiàn)路樁號(hào)C6K131+119.847～131+945段，長(zhǎng)度為858.027 m，底板高程120.07～120.01 m，設(shè)計(jì)縱坡為1∶11 000，輸水流量為26.7 m3/s。隧洞斷面為馬蹄形，凈尺寸為6.5 m×6.5 m（寬×高）。

2 工程地質(zhì)條件

優(yōu)良隧洞埋深13.0～14.0 m，上覆巖體厚5～10 m，為淺埋隧洞。圍巖類(lèi)別為Ⅴ類(lèi)，極不穩(wěn)定。圍巖為中元古界上巖組（Pt2b）灰綠色、灰白色白云鈉長(zhǎng)石英片巖，呈強(qiáng)風(fēng)化～弱風(fēng)化狀。巖體透水率為0.71～3.39 Lu，為微至弱透水。該段圍巖單軸飽和抗壓強(qiáng)度30.7 MPa（弱風(fēng)化），飽和吸水率為0.56%，巖石強(qiáng)度為中硬巖;巖體完整性系數(shù)為0.51～0.54，巖體完整性差;結(jié)構(gòu)面狀態(tài)平直粗糙，裂隙寬度約5 mm;地下水活動(dòng)狀態(tài)為有滲水或滴水現(xiàn)象;主要節(jié)理裂隙產(chǎn)狀：①片理產(chǎn)狀11°∠42°，隧洞走向121°，片理走向與洞線(xiàn)交角20°左右;②發(fā)育3組裂隙（鉆孔巖芯），傾角分別為20°～30°，40°～50°，70°～90°。

3 優(yōu)良隧洞與臨近構(gòu)筑物分析

優(yōu)良隧洞周邊地質(zhì)環(huán)境較為復(fù)雜，臨近構(gòu)筑物有各類(lèi)民房、工業(yè)廠(chǎng)房、加氣站及G316國(guó)道。對(duì)隧洞的線(xiàn)路進(jìn)行經(jīng)濟(jì)、施工難易度等評(píng)價(jià)和比選，再根據(jù)施工社會(huì)穩(wěn)評(píng)報(bào)告，選定優(yōu)良隧洞最終走向。

優(yōu)良隧洞自樁號(hào)C6K131+119.847開(kāi)始進(jìn)洞，在樁號(hào)C6K131+231.623處下穿G316國(guó)道，繼續(xù)旁穿5層居民房、1層廠(chǎng)房、加氣站、2層廠(chǎng)房、化工廠(chǎng)至樁號(hào)131+945出洞（見(jiàn)圖1）。

為保證隧洞施工安全，對(duì)優(yōu)良隧洞C6K131+119.847～C6K131+712.875段進(jìn)行超前管棚支護(hù)。 優(yōu)良隧洞與臨近地面構(gòu)筑物相互位置關(guān)系見(jiàn)表1。

4 隧洞施工工法比選

目前，我國(guó)常用的隧洞施工工法主要有傳統(tǒng)鉆爆法和掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)法[1]。兩種工法的應(yīng)用均比較成熟，其中，鉆爆法具有資金投入低、對(duì)各種地質(zhì)條件適用強(qiáng)、鉆爆速度相對(duì)較慢、對(duì)臨近環(huán)境擾動(dòng)較大等特點(diǎn)[2];掘進(jìn)機(jī)法具有一次性投入大、機(jī)械化程度高、掘進(jìn)速度快、施工安全保證度高和對(duì)臨近環(huán)境友好等特點(diǎn)[3]。

隧洞掘進(jìn)機(jī)按照作業(yè)面的截割方式可分為全斷面掘進(jìn)機(jī)和部分?jǐn)嗝婢蜻M(jìn)機(jī)。全斷面掘進(jìn)機(jī)一般用于6 km以上的長(zhǎng)隧洞施工。部分?jǐn)嗝婢蜻M(jìn)機(jī)是一種集截割、裝載、轉(zhuǎn)運(yùn)運(yùn)輸、行走和噴霧除塵于一體的高度機(jī)械化綜合掘進(jìn)設(shè)備，與全斷面掘進(jìn)機(jī)相比，具有一次性投入少、施工準(zhǔn)備短、多次利用性高、機(jī)體小且靈活性高以及適用于各種大小形狀斷面等優(yōu)點(diǎn)。目前，部分?jǐn)嗝婢蜻M(jìn)機(jī)主要為懸臂式掘進(jìn)機(jī)。

優(yōu)良隧洞臨近構(gòu)筑物較多，考慮鉆爆施工對(duì)爆破振動(dòng)及沉降控制要求高，施工難度大，爆破施工時(shí)影響范圍內(nèi)居民需進(jìn)行搬遷（搬離），協(xié)調(diào)難度大。因此，考慮采用非爆破開(kāi)挖方式即懸臂式掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行隧洞開(kāi)挖。同時(shí)，考慮到將整段隧洞全部采用懸臂式掘進(jìn)機(jī)費(fèi)用較高，選擇采用懸臂式掘進(jìn)機(jī)對(duì)優(yōu)良隧洞樁號(hào)C6K131+120～C6K131+470（共計(jì)350 m）進(jìn)行掘進(jìn)。

5 懸臂式掘進(jìn)機(jī)施工方法

5.1 設(shè)備選型

根據(jù)優(yōu)良隧洞圍巖巖石單軸抗壓強(qiáng)度和隧洞洞徑，選用三一重工EBZ200H懸臂式掘進(jìn)機(jī)（見(jiàn)圖2）。

EBZ200H型懸臂式掘進(jìn)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如下：①整機(jī)質(zhì)量83 t（含二運(yùn)、除塵系統(tǒng)）。②截割范圍，高3.3～4.8 m，寬4.2～6.0 m。③總功率387 kW（含二運(yùn)、除塵系統(tǒng)）。④外形尺寸11.5 m×3.6 m×2.0 m（長(zhǎng)×寬×高）。⑤截割電機(jī)功率200，150 kW。⑥最大/經(jīng)濟(jì)截割巖石單項(xiàng)抗壓強(qiáng)度≤90 MPa。⑦爬坡能力為±18°。⑧行走速度0～6.5 m/min。⑨供電電壓1 140 V。⑩需水量和最小冷卻水量分別為120 L/min和30 L/min。

5.2 施工方法

采用懸臂式掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行隧洞開(kāi)挖時(shí)，通過(guò)截割頭沿掌子面滾動(dòng)，形成對(duì)巖面的滾動(dòng)擠壓，截割頭的截齒克服巖體摩擦阻力，通過(guò)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生切削力進(jìn)行巖石切割，實(shí)現(xiàn)破巖。

（1）EBZ200H型懸臂式掘進(jìn)機(jī)在洞外組裝完成后進(jìn)行整體試運(yùn)轉(zhuǎn)。調(diào)試完成后方可進(jìn)洞掘進(jìn)。進(jìn)口洞外布設(shè)1臺(tái)掘進(jìn)機(jī)專(zhuān)用1 250 kVA變壓器。

（2）啟動(dòng)懸臂式掘進(jìn)機(jī)，依次開(kāi)動(dòng)油泵電機(jī)→第1運(yùn)輸機(jī)→星輪→截割頭。優(yōu)良隧洞開(kāi)挖寬度為8.4 m，采用上下兩臺(tái)階法進(jìn)行開(kāi)挖。掘進(jìn)機(jī)開(kāi)挖工作面采用橫向反復(fù)式截割，截割時(shí)將截割頭從工作面中間底部進(jìn)刀，左右移動(dòng)先割出槽窩，然后按照S型或Z型左右循環(huán)向上的截割路線(xiàn)層層截割。

（3）每個(gè)臺(tái)階掌子面采用“一次切割成型，二次局部修整”的方式。根據(jù)初次截割的形狀斷面進(jìn)行二次局部精修以達(dá)到設(shè)計(jì)斷面尺寸要求。

（4）掌子面切割后，采用掘進(jìn)機(jī)自帶裝運(yùn)鏟板集渣，經(jīng)第1運(yùn)輸機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)至第2運(yùn)輸機(jī)，第2運(yùn)輸機(jī)直接裝自卸汽車(chē)運(yùn)至規(guī)劃渣場(chǎng)。

5.3 進(jìn)度分析

優(yōu)良隧洞圍巖類(lèi)別為V類(lèi)，隧洞開(kāi)挖按照短進(jìn)尺要求，每次循環(huán)開(kāi)挖長(zhǎng)度不得超過(guò)1.0 m，隨挖隨襯。EBZ200H型懸臂式掘進(jìn)機(jī)鉆渣速度為0.8～1.0 m3/min。實(shí)行每天3班生產(chǎn)，8 h工作制，日進(jìn)尺約為2.5 m。每月實(shí)際有效工作天數(shù)為25 d，懸臂式掘進(jìn)機(jī)月進(jìn)尺62.5 m。掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)效率是鉆爆法的2.0～2.5倍。懸臂式掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)時(shí)間分析見(jiàn)表2。

6 懸臂式掘進(jìn)機(jī)隧洞開(kāi)挖費(fèi)用分析

懸臂式掘進(jìn)機(jī)沒(méi)有相應(yīng)的臺(tái)時(shí)定額和開(kāi)挖定額，從優(yōu)良隧洞EBZ200H型懸臂式掘進(jìn)機(jī)的掘進(jìn)過(guò)程臺(tái)時(shí)費(fèi)用組成和隧洞巖石開(kāi)挖費(fèi)用構(gòu)成2個(gè)方面，對(duì)懸臂式掘進(jìn)機(jī)隧洞石方開(kāi)挖費(fèi)用進(jìn)行分析。

經(jīng)市場(chǎng)咨詢(xún)，購(gòu)買(mǎi)1臺(tái)EBZ200H懸臂式掘進(jìn)機(jī)價(jià)格約為380萬(wàn)，租賃價(jià)格約為20萬(wàn)元/月。優(yōu)良隧洞350 m掘進(jìn)段總工期10個(gè)月。其中，管棚支護(hù)占2期4個(gè)月，掘進(jìn)機(jī)開(kāi)挖占2期6個(gè)月，掘進(jìn)機(jī)按10個(gè)月進(jìn)行租賃。因此，臺(tái)時(shí)設(shè)備租用費(fèi)=200000×10/（6×24×25）=555.56（元/臺(tái)時(shí)）。設(shè)備安裝、調(diào)試及拆除需耗時(shí)15 d，安拆費(fèi)用8萬(wàn)元。折算每臺(tái)時(shí)安裝拆卸費(fèi)=80000/（6×24×25）=22.22（元/臺(tái)時(shí)）。機(jī)上操作人員1人，為高級(jí)熟練工，消耗1.6工時(shí)。EBZ200H型懸臂式掘進(jìn)機(jī)總功率387 kW（含二運(yùn)、除塵系統(tǒng)），掘進(jìn)機(jī)所耗電量為其額定功率的0.8～0.9倍。折算臺(tái)時(shí)耗電量=387×0.85=329（kW·h）。蓄水量為7.2 m3。因此掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)過(guò)程中的臺(tái)時(shí)費(fèi)用為984.89元/臺(tái)時(shí)。

掘進(jìn)機(jī)開(kāi)挖以磨巖為主，對(duì)巖石擾動(dòng)小，超挖控制很有利。掘進(jìn)機(jī)一般平均徑向超挖量?jī)H為3～5 cm。該工程按照超挖5 cm考慮，隧洞總開(kāi)挖斷面面積59.09 m2。

按照上述掘進(jìn)機(jī)進(jìn)度分析，掘進(jìn)進(jìn)尺2.5 m/d。每開(kāi)挖100 m3所需機(jī)械臺(tái)班為100/（59.09×2.5/24）=16.25臺(tái)時(shí)。掘進(jìn)機(jī)施工時(shí)需5～6人進(jìn)行配合，每開(kāi)挖100 m3巖石需消耗24個(gè)工時(shí)。掘進(jìn)機(jī)截齒為易耗品，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，每開(kāi)挖100 m3消耗2～6個(gè)截齒。截齒單價(jià)為500元/個(gè)，本次費(fèi)用測(cè)算考慮截齒消耗為4個(gè)。

EBZ200H型懸臂式掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行隧洞石方開(kāi)挖單價(jià)分析見(jiàn)表3。

7 結(jié) 語(yǔ)

優(yōu)良隧洞EBZ200H型掘進(jìn)機(jī)進(jìn)場(chǎng)日期為2018年8月20日， 8月28日開(kāi)始掘進(jìn)，組裝級(jí)調(diào)試時(shí)間為9 d。

優(yōu)良隧洞掘進(jìn)完工日期為2019年7月3日，總計(jì)掘進(jìn)長(zhǎng)度為350 m（C6K131+119.847～C6K131+469.847）;單日最大掘進(jìn)長(zhǎng)度為4 m（兩個(gè)循環(huán)），日實(shí)際平均掘進(jìn)長(zhǎng)度為2.5 m，月實(shí)際平均進(jìn)尺約為38.0 m。

優(yōu)良隧洞下穿國(guó)道，臨近構(gòu)筑物較多，隧洞施工過(guò)程中對(duì)振動(dòng)和沉降要求較高，采用懸臂式掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行施工對(duì)圍巖擾動(dòng)小、施工效率高、成型斷面好，技術(shù)合理且經(jīng)濟(jì)效益顯著。

參考文獻(xiàn)：

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（編輯：李 慧）