懸臂式掘進機在軟巖隧洞開挖中的應用

徐仁軍

(中國水利水電第十一工程局有限公司，河南 鄭州 450001)

1 概 述

水工隧洞作為一種特殊的引水輸水建筑物，在我國農業灌溉工程、城鄉供水工程、發電引水工程等工程建設中得到廣泛應用，相應的施工技術也隨著時代發展而不斷進步。早期興建的水工隧洞多采用鉆爆法開挖，鉆孔方法由人工鑿孔發展到用鑿巖臺車或多臂鉆車鉆孔。爆破技術從火雷管逐個引爆單個藥包發展到應用毫秒爆破、預裂爆破及光面爆破等。開挖支護理念發展到以隧道工程經驗和巖體力學理論為基礎，及時進行錨噴支護使圍巖自身的承載能力得到最大限度發揮的新奧法。隨著施工技術不斷發展，TBM、盾構法等非開挖技術應運而生，近年來在引水隧洞中得到廣泛應用。21世紀以來，我國成功建設的錦屏二級發電引水工程、大伙房引水工程、南水北調中線穿黃工程等極具挑戰性的水工隧洞工程分別是鉆爆法、TBM掘進法、盾構法施工的典型代表。

分析發現，軟巖隧洞采用鉆爆法需按“管超前、嚴注漿、短進尺、快封閉、強支護、勤量測”的十八字方針，進度慢，易發生變形坍塌，安全風險大；使用TBM投資大，價格昂貴，對于一般工程難以接受。由此，筆者結合四川省蓬溪船山灌區西梓干渠延長段引水隧洞工程施工具體特點，引進懸臂式掘進機，節約了施工成本，且相較鉆爆法而言，在圍巖裂隙發育地段開挖較鉆爆發更易控制設計斷面的輪廓尺寸和超欠挖，生產效率大幅提高；Ⅳ類圍巖最大月進尺可達250 m，最小月進尺也能到達180 m；Ⅴ類圍巖最大月進尺可達150 m，最小月進尺也能達到120 m。

2 懸臂式掘進機的工作原理

懸臂式掘進機為電動自行、開挖、集渣、裝車流水作業的履帶式連續開挖機械，由切割部、鏟板部、第一運輸部、主機部、行走部、后支承、液壓系統、水系統、電氣系統構成(見圖1)。

懸臂式掘進機的工作原理是利用設備支承部承緊洞底板產生的作用力推進液壓缸推壓切割頭，將狼牙棒似的截齒切入巖石，并在巖面上作同心圓軌跡滾動破巖實現洞挖；將切割的隧洞石渣利用鏟板部裝到第一運輸部并通過第二運輸部(技術改造增加)卸料至自卸汽車運至洞外，是煤礦掘進巷道常用的設備，其發展應用使得礦井巷道掘進速度和效率大幅度提高。我國掘進機技術雖經近幾十年的努力有了較大的提高，但與西方發達國家比還有距離，懸臂式掘進機在水利工程中的運用及總結卻少之又少，尤其是在洞挖條件復雜，地質巖性為軟巖、較軟巖、泥巖、粉砂質泥巖、滲水、冒水、小斷面隧洞開挖、彎道控制、施工組織等方面均未提出比較有效的施工方法及相關文獻。

圖1 懸臂式掘進機示意

3 懸臂式掘進機選型

3.1 軟巖特性

軟巖的定義：定性描述認為，軟巖是松散、破碎、柔軟、強風化及膨脹性一類巖體的總稱，定量指標以巖石單軸抗壓強度值Rc作為評估軟巖的依據，其中15

隧洞開挖后，將引起應力重分布。由于軟巖強度低，對工程擾動極其敏感，在受拉或受壓條件下將產生塑形區，使圍巖和支護發生變形。從隧洞開挖后的圍巖變形看，在軟弱圍巖中開挖，多呈現拱頂崩塌、掌子面失穩、底鼓現象嚴重、長時間的持續變形或變形不收斂、初期支護嚴重變形等力學現象。軟巖隧洞發生變形的共同特征為斷面縮小、拱腳下沉、拱頂上抬、拱腰裂開、地基鼓起等。軟弱圍巖對隧洞爆破要求較高，規范上作了明確規定要采用弱爆破、短進尺，但對如何控制才算達到弱爆破，未有詳細說明。即便是采用弱爆破工藝進行軟巖隧洞的開挖掘進，也很難避免爆破作業對圍巖的擾動。一旦施工方法和施工措施不當，極易發生初期支護變形侵限或隧洞塌方等工程災害。

3.2 實例分析

四川省蓬溪船山灌區為武都引水第二期灌區工程的發展灌區，是繼武引二期灌區之后的一項具有灌溉、城鄉工業生活供水等功能的綜合性大型水利工程。西梓干渠延長段是該工程其中的一個標段，總渠線長度為27.37 km，隧洞共計14條，總長度19.19 km，其中大平山隧洞最長，約3 855 m；獅子山隧洞最短，為91 m。隧洞斷面形式為城門洞型，斷面尺寸分為兩種，分別為上游段4.3 m×4.4 m(梨樹山隧洞至樓房巖隧洞)，下游段3.7 m×4.25 m(鼓樓山隧洞至玉鳳山隧洞)。工程沿線分布地層為蓬萊鎮組下段工區第十二層～第十四層(J3p1_～J3p1_)及上段工區第一層～第四層(J3p2_①～J3p2_④)的砂、泥巖類地層，其中砂巖飽和抗壓強度為10.0～14.8 MPa，為軟巖；泥巖天然抗壓強度一般為4.1～8.3 MPa，均為極軟巖。

針對本工程隧洞特點，選用懸臂式掘進機型號為EBZ200A型，切割電機為200/110 kW，油泵電機為100 kW，切割頭轉速為46/23 r/min，定位切割高度4.65 m、寬度5.7 m，接地比壓0.132 MPa，總重54 t，總長10.525 m，總寬3.2 m，總高2 m。星輪轉速30 r/min，裝載能力5.5 m3/min，第一運輸機速度56 m/min，龍門高度400 mm，行走速度為0～7 m/min，爬坡能力±18。液壓泵為二聯柱塞泵，液壓系統壓力最大25 MPa，供電電壓為AC 1 140 V，裝機總功率310 kW。

4 懸臂式掘進隧洞開挖掘進施工技術

4.1 開挖支護施工流程

(1)一般洞段機械全斷面開挖施工工藝流程

測量放樣→掘進、出渣、通風除塵→安全檢查→安全處理→支護→下一循環。

(2)機械開挖時穿過斷層破碎帶等不良地質洞段開挖施工工藝流程

測量放樣→超前錨桿→掘進、出渣、通風除塵→安全檢查→安全處理→初噴混凝土→鋼支撐、噴射混凝土→下一循環。

4.2 掘進機開挖

本方法主要使用3個激光指向儀，其中2個安裝在兩側邊墻起拱處，1個安裝在拱頂位置。激光指向儀的激光束中心距開挖設計線距離統一為25 cm。激光指向儀安裝牢固后，利用測量儀器測量激光指向儀激光中心線的位置和方向，同步實施風機安裝與調試；然后懸臂式掘進機及第二運輸機就位、調試，之后開始首次掘進開挖。

掘進開挖：使用懸臂式掘進機的切割頭向前切割出一個探洞作為擴挖至設計線的臨空面，切割時應將鏟尖與底板壓接以防止機體的振動。利用切割頭上下、左右移動切割，可切割出初步斷面形狀，如此切割斷面與實際所需要的形狀和尺寸有一定的差別，可進行二次修整以達到斷面尺寸的要求。當切割較軟的巖石時，采用左右循環向上的切割方法；當切割稍硬巖石時，采用由下而上左右切割的方法；當遇有硬巖時，不應勉強切割；對有部分露頭硬石時，首先應切割其周圍部分，使其墜落。

開挖巖體裝載：對大塊墜落體，采用適當辦法處理后再進行裝載。在后續掘進過程中，使用懸臂式掘進機的切割頭自下而上、自左至右地切割巖石，使用懸臂式掘進機的星形鏟板將切割下來的巖石運送至第一運輸機；通過第一運輸機將切割下來的巖石運至懸臂式掘進機的尾部，使切割下來的巖石進入第二運輸機；通過第二運輸機將巖石置于運輸車輛里，然后使用運輸車輛將巖石運出洞外。

鋼尺量測與開挖面修整：用鋼尺量測激光指向儀中心線與開挖設計線之間的距離，若切割斷面與開挖設計線的形狀和尺寸有差別，則進行修整，直到達到切割斷面尺寸的要求。

4.3 支護

支護控制參數:IV類圍巖φ22砂漿錨桿，L=2 m,間排距1.2 m×1.2 m梅花形布置，掛網φ6@20×20 cm，C20噴射混凝土厚度8 cm。V類圍巖φ22砂漿錨桿，L=2 m,間排距1 m×1 m梅花形布置，掛網φ6@20×20 cm，I14鋼支撐@80 cm，C20噴射混凝土厚度15 cm。

懸臂式掘進機切割頭距操作駕駛室5 m，在掘進過程中不論是IV類圍巖還是V類圍巖均能在保證操作人員安全的前提下進行，故掘進機開挖最低能夠保證每一安全循環進尺為5 m以內。

4.4 和鉆爆法比較

(1)從施工工藝來看，鉆爆法施工工藝流程為：測量放樣→鉆孔爆破→通風除塵→出渣→安全處理→支護→下一循環。懸臂式掘進機施工工藝流程為：測量放樣→掘進、出渣、通風除塵→出渣→安全處理→支護→下一循環。兩種施工工藝流程僅在掘進和通風除塵上有所區別，而懸臂式掘進機掘進、出渣和通風除塵能同時實現，較鉆爆法相比減少了工序之間的轉換。

(2)從施工進度來看，鉆爆法每一循環進尺控制標準：IV類圍巖每一循環進尺為1～2 m，V類圍巖每一循環進尺為0.5～1 m；掘進機開挖最低能夠保證每一安全循環進尺為5 m以內。顯而易見，從進度方面懸臂式掘進機優于鉆爆法施工。

(3)從施工安全性來看，由于鉆爆法對于爆破參數的控制和地質條件等方面要求較高，若地質條件較差，圍巖穩定性較差，采用爆破方式對圍巖擾動較大，易在排危過程中出現安全事故。懸臂式掘進機施工則不然，它是將巖體粉碎成末，切割過程中對周圍巖體擾動較小，切割完成后周邊巖體較為完整，不易引發安全事故。

(4)從施工質量來看，鉆爆法在圍巖裂隙發育地段開挖易產生超挖較嚴重情況，斷面成型質量差，超欠挖控制較為困難；而掘進機開挖則在斷面成型質量、超欠挖控制上控制較好，特別是在城門洞型、弧形斷面上開挖控制明顯。

(5)從施工成本來看，鉆爆法開挖在超欠挖方面難以控制，在隧洞一期支護和二襯加大了回填量，對臺車剛度、強度要求也進一步提高，增加了臺車制作成本、超填成本和人工投入；而懸臂式掘進機開挖在隧洞斷面形成工程中對圍巖的擾動小，并能有效的控制隧洞斷面的超欠挖，避免因為超挖超填造成的成本投入。

綜上所述，掘進機開挖在軟巖隧洞施工中明顯優于鉆爆法施工(見表1)。

表1 兩種施工方法比較

5 經濟社會效益

軟巖隧洞中懸臂式掘進機開挖技術的實施，不僅解決了軟巖隧洞中彎道控制、斷面小、距離長交通不便、地下水發育洞段泥化等難點，還填補了水利工程隧洞地下水控制先進技術的空白，是企業內部乃至同類型施工中的先進技術；有效的控制了隧洞超欠挖，提高了斷面成型質量，降低了項目成本，對企業的發展和后續類似隧洞掘進機施工提供了寶貴的經驗。

6 結 語

懸臂式掘進機軟巖隧洞開挖施工技術在項目實踐應用過程中，不僅有助于操作人員熟練掌握掘進機操作工藝及施工方法，同時也為企業進一步積累了小斷面、軟巖隧洞相關施工經驗。

總結出一套長距離、小斷面軟巖隧洞科學、經濟的施工方法，能夠有效控制隧洞超欠挖和安全安全控制的關鍵點及控制要素，兼具實用性、經濟性和社會性特點，有非常高的推廣價值。