懸臂式掘進機在深埋軟巖隧道開挖中的應用研究

摘 要：目前國內交通、水利等領域對長大隧道的需求不斷增大，出現大量深埋軟巖隧道，傳統的鉆爆法不適應深埋軟巖隧道的開挖，機械開挖避免爆破振動效應對圍巖的不利影響，更有利于軟巖隧道圍巖與支護的穩定。近年來懸臂式掘進機截割功率不斷增大，截割與出渣同步，功能愈加全面，在軟巖隧道開挖中展示出明顯優勢。懸臂式掘進機在深埋軟巖隧道開挖中的應用，總結懸臂式掘進機的發展方向。

關鍵詞：懸臂式掘進機;軟巖隧道;隧道開挖;截割

中圖分類號：U45? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：2096-6903（2022）07-0056-03

0 引言

懸臂式掘進機目前主要應用在煤礦巷道掘進施工中，而在公路隧道施工中較少使用。山嶺隧道目前主要采用鉆爆法開挖，爆破振動效應會對圍巖產生較大的影響，尤其是深埋軟巖隧道，在爆破作用下，圍巖松動圈半徑更大。為避免爆破對圍巖的擾動，部分軟巖隧道采用挖掘機開挖，然而挖掘機破巖效率較低、較硬巖挖掘機破巖困難。目前，懸臂式掘進機不斷向重型化發展，截割功率增加，破巖效率不斷提高，大量應用于煤礦巷道掘進施工中，而在山嶺隧道中的應用較少。

四川省樂漢高速豹貍崗特長隧道全線為V級圍巖，為擠壓大變形隧道，采用鉆爆法開挖段二襯開裂破壞嚴重，后采用挖掘機破巖，施工進度緩慢。在引進懸臂式掘進機（型號EBZ260）開挖后，大大提高了施工進度，為保證隧道按時貫通打下堅實基礎。本文就懸臂掘進機在深埋軟巖隧道開挖中的應用做總結分析。

1 懸臂式掘進機性能特點

懸臂式掘進機是一種可以實現巖體截割、轉載、噴霧除塵以及履帶行走等多功能為一體的機械，由支撐結構、行動結構、本體結構、切割結構、裝運結構以及電控系統組成[1]。根據截割頭布置方式的不同，將懸臂式掘進機分為縱軸式掘進機和橫軸式掘進機;根據巖石抗壓強度的適用性可分為半煤巖掘進機（巖石單軸抗壓強度小于60 MPa）和硬巖掘進機（單軸抗壓強度為60～150 MPa）[2]。相較于TBM、盾構機這些全斷面掘進機，懸臂式掘進機具有施工準備時間短、靈活機動、投資少、便于支護等優點。同時，對于軟巖大變形隧道，全斷面掘進機容易出現卡機等問題，一旦卡機，可造成嚴重經濟損失，并耽誤施工工期，而懸臂式掘進機不存在卡機等問題。

本工程采用的EBZ260型懸臂式掘進機整機重量80 t，切割范圍達到6.03 m寬，5.06 m高，切割電機功率260 kW，總功率447 kW，可適用于IV級、V級圍巖隧道掘進，但隨著圍巖強度增高，掘進效率降低。

2懸臂式掘進機施工工藝及維護保養

2.1 懸臂式掘進機施工工藝

開挖前準備，采用挖掘機將地面鋪平，進行測量放線，采用激光導向儀控制開挖方向，然后懸臂式掘進機到位開始截割。掘進機依次啟動油泵電機、第二運輸機、第一運輸機、星輪以及截割頭，即可進行截割作業。本隧道采用上下臺階開挖，掘進機分上下左右4部分開挖，在上臺階開挖時，掘進機先在左側掘進，左側掘進完成，將掘進機開到右側，再掘進右側。總體采取從左至右，從下到上的截割方式（現場掘進如圖1所示）。當圍巖硬度較大，巖性一致時，采用低速截割，掏槽位置位于機器中心且與截割部位水平。一次掏槽鉆進深度不宜超過22 cm，通過擴窩后才繼續鉆進，根據巖石硬度及節理發育情況決定掏槽深度，一般不超過70 cm，掏槽后進行橫向切割。當圍巖硬度不一致時，先對較軟巖體進行截割掏槽，然后橫向切割，遇到部分硬巖，先將突出巖塊周圍巖石截割完成，使得硬巖墜落。對于墜落的大塊巖石，采用挖掘機進行處理。將巖體切削后，將切削的洞渣轉入第一運輸機，通過第一運輸機轉運至第二運輸機，第二運輸機直接將洞渣裝入出渣車，截割作業與出渣同步進行。

在截割作業整個過程中，打開掘進機噴霧系統，可冷卻液壓系統，降低油溫;可冷卻截割電機，延長電機壽命;可冷卻截割齒，減小截割齒耗損，同時可降低隧道內粉塵。當圍巖流水較多時，為避免隧道掌子面前積水過多，可切換外噴水三通閥把噴霧水從第二運輸機后部放出。開挖出初步斷面后，與實際所需斷面輪廓若有一定差異，通過二次修整達到尺寸輪廓要求。截割完成后，掘進機退出工作面，停放在隧道二襯完工段。開挖出渣完成后依次進行立拱架、掛網、噴漿作業，即完成一個施工循環。

2.2 懸臂式掘進機的維護與保養

按照懸臂式掘進機使用說明書，保證使用過程中操作正確，同時在使用期間對機械進行維護保養。對機械部位和電氣設備進行維護修理要斷電，高溫和環境惡劣條件下盡量不開蓋板，蓋板打開后避免長時間放置。按照掘進機說明更換液壓油，且保證液壓油為同一品牌，保證液壓油質量及油量;定期檢查液壓系統的壓力，出現異常需要專業人士進行調控。按時給掘進機加潤滑油;定期檢查掘進機各部分螺栓是否松動，以免因為螺栓松動在掘進過程中造成設備損壞。零部件老化或工程性能損壞要及時修理或更換，避免引起更大損失。截割時回轉臺處于復雜應力狀態下，通常因為突然繃現裂紋而報廢，由于未掌握動態特性及其壽命，常通過定期更換的方式來避免施工中突然報廢。定期檢查履帶，是否有斷裂、變形損壞以及松緊程度，及時修補。

掘進機工作時，油溫若超過70℃應停止掘進工作，并檢查冷卻水系統，確保無故障，等油溫冷卻再開機。檢查是否有油缸及管路漏油現象，鏟板油缸、回轉油缸、截割部升降油缸、后穩定器油缸及其管路接頭等，在掘進機運行不斷振動下，液壓管路接頭容易松動，若有漏油，應及時處理。截割時要注意觀察截齒，判斷截齒的旋轉是否順暢，若旋轉不順暢，則采用鐵錘敲擊，使其旋轉順暢，若工作中截齒損壞，要及時更換，否則會損壞截齒座。每班次截割后，需要及時清理除塵器，以保證除塵效果。

3懸臂式掘進機在隧道開挖中的優缺點

3.1 懸臂式掘進機在隧道開挖中的優勢

懸臂式掘進機操作方便，可適應復雜地質條件，維護方便。與傳統鉆爆法相比，掘進機可減少超挖，節省襯砌材料費用;而且沒有了鉆炮眼、裝藥、躲避放炮、排煙降塵、出渣等工序，需要的工人數量少，工序簡單，施工效率高。同時，采用掘進機開挖，施工人員距離掌子面較遠，大大降低了掌子面落石、塌方對工人的人身安全風險。掘進機采用電力驅動，極少產生有毒有害氣體，且自帶除塵功能，大大改善隧道內的空氣質量，保障了施工人員身體健康。與挖掘機破巖相比，懸臂式掘進機截割巖石效率高很多，為縮減工期提供保障。

3.2 懸臂式掘進機在隧道開挖中的不足

隨著圍巖強度的增加，掘進機截割速度降低，強度較高、完整性較好的圍巖對截齒的損耗大，機械耗損費用增加。對于不同強度的圍巖，應該采用不同的掘進參數，如擺動速度、進給速度、截割深度等，一般截割參數與巖石強度成反比。但是掘進參數由操作工人調整，對技術人員經驗要求較高。

4 淺析懸臂式掘進機發展方向

4.1 智能化控制

現代掘進機朝著智能化、自動化、信息化、無人駕駛的方向快速發展。為了實現掘進機高效高質量完成掘進工作，掘進機控制系統必須根據工作面的地質條件對截割部、行走部等實現智能化控制。實時監控機身位置、機身姿態參數、截割頭姿態，實時感知工作面巖層特征，實現對工作面的自動開挖成型控制，并且達到對掘進機的遠程監控。

傳統的人工駕駛掘進機施工作業，通過全站儀、激光源等確定掘進機機身位置，司機手動控制機身行走和懸臂擺動完成截割作業，掘進過程中，可能還停機通過人工測量位置進行糾偏。相對無人駕駛來說，傳統掘進方法測量工作量大，效率低，掘進精度有限、人員依舊在施工區范圍。要實現無人駕駛掘進機或者人員遠程控制掘進機，掘進機機身空間姿態及空間自動實時定位顯得尤為重要，同時，為精確控制開挖位置，準確定位截割頭空間位置同樣重要。

目前，關于掘進機機身定位及姿態監測方法主要包括：基于激光導向器的位姿測量、基于陀螺儀的位姿測量、基于超寬帶技術的位姿測量、基于iGPS的位姿測量、基于機器視覺的位姿測量以及各方式組合導航的掘進機機身位姿測量方法。科技不斷發展的情況下，由人工控制截割頭截割會逐步實現自動截割，通過設置開挖形狀及路徑，自動控制截割頭的運動，截割頭的實時定位是完成斷面自動成形的基礎。通過控制連接掘進機機身與截割頭間的桿件及關節的變化量，來精確控制計算截割頭相對機身的空間位置，從而實現精準截割。

為方便掘進機更高效更安全對巖體的截割，應發展對巖體完整性及巖石強度的智能識別，以應對復雜的地質條件，目前的圖像識別技術可以實現對明顯節理的自動識別標注，同時可通過在機身設置傳感器，測試圍巖的強度，實現讓掘進機根據巖體特征自動調整截割參數，以保護截割頭截齒，減小機身振動。

4.2 多功能化

懸臂式掘進機朝著多功能化方向發展，對不同工程的適應性越來越強。掘進機的配套除塵系統，極大改善施工作業空間內空氣質量，減少工人患塵肺病的可能;將紅外線定位與截割軌跡、遙控技術相結合，從而可實現遠程遙控施工;自動化系統功能更加完備，實現掘進機故障自動檢測診斷，更加適應復雜的施工環境;實現掘進機上的錨桿支護功能，提高安裝錨桿支護的可靠性，可為掘進機多功能化邁進一大步。

4.3 輕量化設計

目前，懸臂式掘進機向著重型化發展，切割功率快速增加。我國第一臺掘進機質量10 t，截割功率20 kW，逐漸發展到現在大型懸臂式掘進機質量135 t，截割功率達到350 kW。重型大功率掘進機具有破巖能力強、掘進效率高、截割范圍大、機身穩定性好等優點。然而，在隧道軟弱地層中，重型掘進機在使用過程中會沉陷，影響機身位置參數，對開挖掘進定型產生不利影響。不僅僅是隧道，現在的厚層煤礦也在逐漸減少，越來越多的去開采中薄層煤礦。因此，在滿足掘進機的截割范圍、截割功率、自身穩定性的基礎上，對掘進機進行輕量化設計同樣重要。

懸臂式掘進機輕量化設計需要保證零部件的功能、強度、剛度需求;保證機身前后左右的整體平衡性;保證截割時掘進機的穩定性配重。在優化結構設計方面，可以考慮提高裝在機構鏟板板材性能，以減小板材厚度;鏟板前部的無效受料面積較多，對支撐和裝載無益，可以減小前部面積;采用做減料處理的鑄造扒爪，而非切割扒爪等[3]。懸臂式掘進機整機為前重后輕，為平衡質量，改善履帶對地作用力分布，提高行走性能，可將部分零部件（泵站油箱、液壓附件等）靠后放置。在結構形式上，同等截割功率下，縱軸式截割機構比橫軸式截割機構輕;提高履帶行走結構轉向比，可增加截割穩定性，從而降低對機械自重的依賴。

5 結語

國內長大隧道的建設項目越來越多，對施工質量的要求越來越高，施工工期越來越短。如何提高軟巖隧道的施工效率，保證隧道施工質量，是施工單位亟需突破的瓶頸。目前隧道向綜合機械化施工過渡，通過在豹貍崗特長隧道的施工中證明：在深埋軟巖隧道中應用懸臂式掘進機，掘進效率高、保證施工工期;斷面成型好，減少噴混耗材;工序簡單，所需工人少，節省人力;無需爆破，減少圍巖擾動;截割時電力驅動，還自帶降塵功能。深埋軟巖隧道應用懸臂式掘進機，實現高效、安全、綠色、環保施工。

參考文獻

[1] 王鵬.掘進機結構的分析及電控系統的設計[J].機械管理開發， 2020，35（6）：205-206+249.

[2] 李旭.懸臂式掘進機關鍵結構的力學特性研究[D].北京：中國礦業大學，2017.

[3] 王本林.懸臂式掘進機輕量化設計探討[J].煤礦機械，2020， 41（11）：71-73.

收稿日期：2022-03-11

作者簡介：劉復紅（1978—），男，四川成都人，本科，工程師，從事工程項目管理工作。