懸臂式掘進機在小斷面超長隧道施工中的應用

孫柏坤

(中國葛洲壩集團路橋工程有限公司，湖北 宜昌 443000)

0 引言

在水利水電等基礎設施建設領域，經常會涉及到大量的隧道工程。目前，隧道的開挖方式主要有鉆爆開挖和機械開挖2 種[1-2]，傳統的鉆爆法施工受水文地質條件、外部環境和人為因素的影響較大，施工安全性較差，對光面爆破的技術要求高，易出現超欠挖等現象。同時，小斷面隧道由于其斷面小、作業空間狹窄、施工環境惡劣和平行作業難度大等特點，其施工難度會大幅增加[3-4]。

懸臂式掘進機由于自身的結構優勢，具有掘進速度快、適用性強、開挖效率高和對圍巖的擾動小等優點，能夠適應不同隧道斷面、各類地質條件下的隧道開挖作業。本文闡述懸臂式掘進機的工作原理和施工特點，通過合理的施工布置、設備選型、工序安排和現場調度等方式，對懸臂式掘進機開挖技術要點進行分析，總結懸臂式掘進機在小斷面超長隧道施工中的應用。

1 工程概況

肯尼亞某供水項目(以下簡稱“該項目”)位于肯尼亞首都內羅畢北部，是肯尼亞2030 年遠景目標項目的重要組成。該項目的施工內容主要包括修建1 條長11.7 km 的馬蹄形斷面隧道，在隧道沿線的3 條山間河流的河道上修建混凝土分流堰和進水口，通過引水隧道將部分河水引流至內羅畢北部一座大壩內，用于發電、灌溉、供水等多種用途。該項目還包括2 條長度分別為269 m 和617 m 的支洞，以及1 座深度為50 m 的豎井，采用英國的施工技術標準。

根據施工組織設計，該項目在隧道進口和出口各設1 個工作面，2 個支洞和1 個豎井上下游各設1 個工作面，共計8 個工作面同時開挖。出口段為8#工作面，擬采用懸臂式掘進機配合有軌運輸的方式進行開挖出渣。8#工作面擬定長度為2 627 m，洞內每隔700 m 設置1 個錯車道。8#工作面隧道地質條件以強風化—全風化的火山碎屑巖為主，局部存在軟弱巖層地段，巖石強度在5～30 MPa 范圍內，開挖斷面直徑為4.0 m，初期支護采用“250 mm 厚的掛網錨噴+鋼拱架”的支護形式，永久襯砌采用250 mm 厚的鋼筋混凝土結構，襯砌后直徑為3.0 m，如圖1 所示。

圖1 隧道設計斷面形式

2 小斷面隧道施工難點分析

該項目為肯尼亞首條超長隧道，開挖斷面小，加之采用英國施工技術標準，對隧道施工質量、環境污染、水土流失、生態保護和施工作業環境等方面的要求極高。該項目隧道圍巖的地質條件較差，以強風化—全風化的火山碎屑巖為主，Ⅳ類、Ⅴ類圍巖的占比達58%，且隧道的埋深較淺，最淺處僅14 m。同時隧道開挖斷面小、作業空間狹窄、單工作面開挖進尺長，導致洞內作業環境差、出渣施工效率低。合理選用開挖出渣施工設備組合，將決定隧道的整體施工效率。

小斷面隧道作業空間狹窄，大型開挖設備無法滿足要求，同時出渣設備的選型也是難題，若采用小型電瓶車出渣，因其單臺運輸量小，設備投入數量大，洞內狹窄錯車會車次數多，對行車安全存在重大隱患。經項目考察和技術論證，懸臂式掘進機在軟巖隧道中的開挖效率較高，且可以滿足小斷面隧道尺寸要求；有軌電瓶車運輸配合梭車及自制渣土車出渣，其運輸效率高、單臺運輸量大、出渣車沿軌道行駛，安全性得到很大保障。因此，該項目隧道8#工作面采用懸臂式掘進機開挖有軌運輸出渣施工技術，大幅度提高了隧道的開挖出渣施工效率，同時懸臂式掘進機配合有軌運輸施工技術的應用，在肯尼亞工程建設尚屬首例技術，得到了業主、監理和各界團體協會的一致肯定。

3 主要設備選型

3.1 開挖設備選型

現階段，小斷面隧道開挖主要采用鉆爆法和機械開挖法2 種形式，其中機械開挖法包括懸臂式掘進機、盾構機和全斷面巖石隧道掘進機(tunnel boring machine，TBM)等。

鉆爆法開挖會產生大量的粉塵，對圍巖的擾動大，存在很大的安全隱患，對操作人員的鉆爆水平要求高，還要根據不同的圍巖地質條件調整爆破設計，超欠挖難以控制，整體工作量較大、不經濟。

盾構機和TBM 的掘進速度快，開挖、出土和拼裝襯砌等過程的自動化程度高、對外界環境的擾動和影響小，但是對于馬蹄形斷面隧道和多變的地質條件的適用性差。同時，盾構機和TBM 整機設備的購置費昂貴，且肯尼亞當地無相應裝備，需從國內采購運輸至現場，施工成本高，影響項目經濟性。

懸臂式掘進機適用于各類不同地質、不同斷面的隧道工程施工，尤其針對圍巖強度小于50 MPa 的地層，其掘進速度可達15 m3/h，相較于爆破作業產生的粉塵量少、振動小，設備本身的防塵、吸塵和噴霧等裝置有利于改善洞內施工環境，經簡單的通風即可達到規范要求的作業條件。另外，采用懸臂式掘進機開挖的洞渣料粒徑相對較小且均勻，便于運輸和堆放，對周邊環境的污染較小。

經上述選型對比，該項目8#工作面掘進開挖采用懸臂式掘進機。

3.2 出渣設備選型

隧道施工的洞內運輸方式分為有軌式和無軌式2 種。有軌式運輸是在洞內鋪設小型鋼軌軌道，用軌道式運輸車出渣和進料，有軌運輸大多采用電瓶車或內燃車牽引，采用斗車或梭式礦車運送石渣，是一種適用性強且較為經濟的運輸方式；無軌運輸則是采用無軌運輸車進行出渣和進料。針對該項目實際情況，對二者的優點和缺點進行對比，對比情況見表1 所列。

表1 有軌運輸與無軌運輸優缺點對比

通過上述出渣設備選型，結合開挖效率、洞內行車安全和施工作業環境等因素，該項目采用有軌運輸方式進行出渣，牽引設備采用電瓶車，運渣設備采用梭式礦車和自制出渣車，牽引設備和運渣設備配置比例為1∶5，以滿足現場出渣工作的需要。

3.3 供電設備選型

掘進機工作電壓為1.14 kV，需采用變壓器將電網電壓調整至掘進機工作電壓。隨著隧道掘進深度的加大，電壓降損失將會變得越來越大，當電壓降過大，不能滿足掘進機工作需要時，將實施高壓進洞，在隧道洞口處布置1 臺升壓變壓器，將電壓升高至10 kV 輸送至洞內，在洞內掘進機后面布置1 臺降壓變壓器，將電壓降低至掘進機的工作電壓，輸送給掘進機使用。

4 掘進機施工工藝流程

在已完工初期支護上安裝激光導向儀，定位出開挖輪廓線關鍵點，掘進機采用由下而上“S”形方向，左右切割的方法進行掌子面開挖。同時，第一組電機車和出渣車停在掘進機尾部皮帶機下方，掘進機伸出鏟板，轉動的星輪將渣料輸送至掘進機運輸機，渣料經運輸機、皮帶機轉運至出渣車內。待出渣車裝滿渣料，由電機車牽引運輸至洞外，停在錯車道內的第二組電機車和出渣車行駛至掘進機尾部繼續裝渣，如此循環作業直至完成該循環進尺開挖出渣施工。

施工初期支護，延伸軌道，進行下一循環開挖出渣施工，在條件允許的情況下，可以加大掌子面和初期支護之間的距離，實現小斷面超長隧道開挖出渣和初期支護的平行作業，掘進機開挖有軌運輸出渣施工工藝流程如圖2 所示。

圖2 掘進機開挖有軌運輸出渣施工工藝流程圖

5 施工技術要點

5.1 洞內輔助設施施工

1)施工供風

在洞口布置22 m3/min 和17 m3/min 的電動空壓機各1 臺，進行集中供風。高壓風管采用φ159×4.5 mm 無縫鋼管，安裝在隧洞側墻上，離地高度0.9 m。在端部布置1 個2 m3儲風罐，在距掌子面30 m 處主風管端接分風器，用高壓軟管接至各風動工具。

2)施工通風

洞口配置1 套多級串聯風機，洞內每掘進600 m 設置1 臺對旋軸流風機，掌子面設置1 臺輔助風機進行通風，多級串聯風機配套風管采用φ500 mm 正壓PVC 波紋管。

3)施工供水

在洞口設1 座高位水箱，利用自來水往高位水箱加水，再由高位水箱自流至工作面，洞內采用φ50 mm 鋼管向工作面供水。

4)施工排水

施工廢水和洞內滲水采用自流方式至洞外沉淀池內，經沉淀后的水可用于灑水除塵進行循環利用。

洞內風水電等輔助設施的布置詳如圖3所示。

圖3 洞內風水電布置示意圖

5.2 掘進機開挖施工

5.2.1 施工測量

在已完工初期支護上安裝3 個激光導向儀，其中，2 個安裝在側墻的腰線上，1 個安裝在拱頂處。通過激光導向儀定位出開挖輪廓線關鍵點，作業人員依據關鍵點操作掘進機進行精準開挖。在直線段上每300～400 m 移動激光導向儀一次，定期用全站儀對激光導向儀進行校準，確保其指示方向準確。

5.2.2 掘進機開挖有軌出渣

1)掘進機開挖

用懸臂式掘進機的切割頭向前切割出1 個探洞作為擴挖至設計線的臨空面，操作掘進機切割頭上下、左右移動切割，先切割出初步斷面形狀，然后二次修整至設計輪廓斷面。掘進機操作室位于機體左側，修整右側輪廓斷面時操作人員視線存在一定的盲區，須派專人進行指揮，防止超挖。根據實際地質條件，每循環開挖進尺宜控制在2～3 m 范圍內。

2)有軌出渣

有軌出渣軌道路線固定、單一，重難點在于現場施工調度。首先對電機車和出渣車進行分組編號，出渣過程中固定各組出渣車的先后次序，不輕易調整改變。在洞挖剛開始時，將第1 組出渣車停在掘進機尾部皮帶機下方，第2 組出渣車停在錯車道內做好接料準備，第3 組出渣車在洞口處做好準備。當第1 組出渣車裝滿渣料后即向洞外行駛，當其行駛至錯車道時，錯車道內的第2 組出渣車行駛至掘進機尾部皮帶機下方裝渣，當第1 組出渣車出洞后，第3 組出渣車向洞內行駛停放在錯車道內，第1 組出渣車卸渣結束后在洞口做好準備，如此循環直至完成該循環進尺開挖出渣作業。

調度過程中執行“進洞車輛讓行出洞車輛”的原則，洞內錯車道距離宜綜合考慮電壓降問題，該項目每700 m 設置1 個錯車道，錯車道內停放1 臺移動式變壓器。

5.2.3 初期支護施工

該項目采用鋼拱架噴混支護。每循環開挖完成后，首先施工5 cm 厚噴射混凝土，掛設一層規格為100 mm×100 mm×5 mm 的鋼筋網，然后采用自制簡易臺架輔助安裝鋼拱架，最后施工20 cm 厚噴射混凝土，如圍巖地質條件允許，可增加最大不支護距離，實現開挖出渣和初期支護之間平行作業。

5.2.4 軌道鋪設

初期支護施工完成后，及時延伸軌道，確保有軌運輸順暢。初期支護施工時預埋軌道螺栓，然后澆筑C20 混凝土作為軌道基礎，利用螺栓和墊塊將軌道固定在混凝土基礎上。軌道標準選用18 kg/m 的輕軌，軌距為600 mm，軌道軸線與隧道軸線一致，當開挖至錯車道區域時，鋪設雙線軌道，以提高洞內有軌出渣效率。

6 懸臂式掘進機施工效果

采用上述懸臂式掘進機開挖，配合有軌運輸出渣技術，該項目懸臂式掘進機實際應用主要指標見表2 所列。可見，在該項目Ⅳ類圍巖地質條件下的月最大進尺為143.2 m，單次循環進尺最大為5.8 m，開挖效率14.47 m3/h，超欠挖量可控制在50 mm 以內。與鉆爆法開挖相比，超欠挖比例大幅減少且不會產生任何有毒有害氣體，對圍巖的擾動小，隧道施工安全性得到有效保障。同時，懸臂式掘進機開挖的噪音值僅為56 dB，洞內空氣粉塵濃度為1.85 mg，滿足英國標準《Health and safety in tunnelling in the construction industry - Code of practice》(BS 6164: 2019，建筑行業隧道施工的健康和安全實踐守則)的要求。

表2 該項目懸臂式掘進機實際應用主要指標

7 結語

根據工程應用情況，小斷面超長隧道采用懸臂式掘進機開挖，具有施工效率高、開挖進尺長、超欠挖量少、圍巖擾動小、安全性好、環境影響小等優點。有軌運輸出渣設備的配合，使得隧洞開挖機械化程度大幅提高，有效保障小斷面隧洞的出渣效率和洞內交通運輸安全，縮短工程建設整體工期。

隨著工業技術的不斷發展，懸臂式掘進機的機械性能將大幅提高，在水利水電、市政和礦井等建設領域具有較廣泛的應用場景，特別是在小斷面軟巖隧道中的應用效果良好。