淺談掘進(jìn)機(jī)在高原隧洞施工中的應(yīng)用

劉春暉，周 揚(yáng)，何偉剛

（1.中國人民武裝警察部隊(duì)水電第三總隊(duì)，610036，成都；2.江蘇科興項(xiàng)目管理有限公司，210029，南京）

淺談掘進(jìn)機(jī)在高原隧洞施工中的應(yīng)用

劉春暉1，周 揚(yáng)1，何偉剛2

（1.中國人民武裝警察部隊(duì)水電第三總隊(duì)，610036，成都；2.江蘇科興項(xiàng)目管理有限公司，210029，南京）

隧道掘進(jìn)機(jī)在現(xiàn)代化隧洞施工中得到了廣泛應(yīng)用，并且取得許多經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)。主要介紹在西藏拉洛水利樞紐及灌區(qū)工程施工過程中，德羅引水隧洞作為高海拔地區(qū)首次采用懸臂式掘進(jìn)機(jī)作業(yè)的應(yīng)用情況，簡要分析掘進(jìn)機(jī)使用的優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用前景，為高原地區(qū)同類隧洞施工提供參考。

高原；懸臂式掘進(jìn)機(jī)；隧洞施工；優(yōu)缺點(diǎn)；拉洛水利樞紐工程

一、工程概況

拉洛水利樞紐位于西藏日喀則地區(qū)薩迦縣境內(nèi)，德羅引水隧洞進(jìn)水口布置在拉洛大壩軸線上游約 6.2 km處，為塔式進(jìn)水口，隧洞緊接進(jìn)水口布置，隧洞總長7 520.76 m，進(jìn)出口底板高程分別為4 283.50 m、4 280 m，整條隧洞主要以Ⅳ、Ⅴ類圍巖為主。

二、工程現(xiàn)狀

21世紀(jì)我國隧洞和地下工程項(xiàng)目越來越多，如此多的隧洞工程建設(shè)，為隧道掘進(jìn)機(jī)的應(yīng)用和發(fā)展提供了廣闊空間。我國的隧洞掘進(jìn)機(jī)技術(shù)相對于一些發(fā)達(dá)國家起步較晚，但隧洞掘進(jìn)機(jī)獨(dú)特的施工優(yōu)點(diǎn)勢必會(huì)在未來的隧洞施工中成為主要施工方法。

2015年11月德羅隧洞正式引進(jìn)一臺徐工集團(tuán)EBZ260懸臂式掘進(jìn)機(jī)。該掘進(jìn)機(jī)由切割機(jī)構(gòu)、鏟板總成、第一運(yùn)輸機(jī)、本體總成、行走機(jī)構(gòu)、后支承、操縱臺、液壓系統(tǒng)、除塵噴霧系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、護(hù)板、標(biāo)志和涂裝構(gòu)成。掘進(jìn)機(jī)整機(jī)長11 677 mm、高5 056 mm、最大切割巖石抗壓強(qiáng)度≤90 MPa，行走速度6 m/min，裝載能力4.3 m3/min，總功率447 kW。掘進(jìn)機(jī)由出口方向往進(jìn)口方向掘進(jìn)。

掘進(jìn)機(jī)在德羅隧洞正式開挖時(shí)間為2015年11月10日，截至2016年9月30日，共計(jì)使用324天，完成進(jìn)尺總計(jì)790 m。平均進(jìn)尺每天2.44 m。未工作時(shí)間為110天，實(shí)際平均進(jìn)尺為每天3.69 m。

三、掘進(jìn)機(jī)使用情況

掘進(jìn)機(jī)自運(yùn)行以來，其進(jìn)尺能力受到諸多因素的影響。

1.掘進(jìn)機(jī)操作手的工作經(jīng)驗(yàn)和操作技能直接影響斷面的形成和進(jìn)尺速度

使用期間，共計(jì)有4個(gè)操作手進(jìn)洞施工，4個(gè)人技術(shù)水平高低不等。在巖石條件相同的條件下，同樣的時(shí)間內(nèi)不同的操作手完成的進(jìn)尺相差接近2倍，而且所開挖的斷面超欠挖控制差距較大。

2.掘進(jìn)機(jī)的常規(guī)保養(yǎng)和維修需要的時(shí)間大幅度延誤了施工進(jìn)度

自德羅隧洞出口使用掘進(jìn)機(jī)以來，因?yàn)闄C(jī)器維修故障而導(dǎo)致直接停工時(shí)間接近一個(gè)月。由于該類型的懸臂式掘進(jìn)機(jī)在西藏是首次引進(jìn)使用，在整個(gè)西藏地區(qū)都沒有售后服務(wù)和維修保養(yǎng)的直營店，導(dǎo)致掘進(jìn)機(jī)的配件基本上都需要廠家發(fā)貨。西藏地理位置比較偏遠(yuǎn)，而部分配件較重，不能空運(yùn)，導(dǎo)致維修期較長。除去較為頻繁、耗時(shí)較短的掘進(jìn)機(jī) “二運(yùn)”損壞，包括輪胎、軸承、皮帶、傳送輪等，掘進(jìn)機(jī)維修中，掘進(jìn)機(jī)大臂油缸維修更換、掘進(jìn)機(jī)“一運(yùn)”收料盤故障以及掘進(jìn)機(jī)鉆頭軸承維修也都耗費(fèi)了大量時(shí)間。

3.掘進(jìn)機(jī)鉆進(jìn)時(shí)，出渣車故障也直接影響掘進(jìn)機(jī)的施工效率

在施工過程中，掘進(jìn)機(jī)的“二運(yùn)”坡角較高，可以直接通過皮帶傳送至出渣車內(nèi)。但是受洞內(nèi)通行條件的限制，有時(shí)需要裝載機(jī)協(xié)助出渣，降低了掘進(jìn)機(jī)的效率。越來越長的運(yùn)距導(dǎo)致出渣車的數(shù)量有所增加，因而出渣車的故障問題也嚴(yán)重影響了掘進(jìn)機(jī)的工作效率。洞內(nèi)粉塵過大也是導(dǎo)致出渣車發(fā)生故障的原因之一。雖然該型號掘進(jìn)機(jī)有噴霧除塵系統(tǒng)，但是噴灑能力有限以及抽塵風(fēng)機(jī)功率過小，幾乎起不到除塵作用，直接導(dǎo)致出渣車和掘進(jìn)機(jī)長時(shí)間暴露在嚴(yán)重的粉塵中施工，加大了機(jī)械設(shè)備的負(fù)荷，導(dǎo)致故障率提高。

4.底板澆筑及冬季停工等其他因素導(dǎo)致掘進(jìn)機(jī)未能正常施工

由于整條隧洞主要以Ⅳ、Ⅴ類圍巖為主，洞內(nèi)會(huì)有不同程度的滲水溢出，導(dǎo)致巖石風(fēng)化、泥化現(xiàn)象嚴(yán)重。雖然按照設(shè)計(jì)高程預(yù)留30 cm保護(hù)層開挖底板，但經(jīng)過出渣車來回碾壓，一段時(shí)間后底板就會(huì)出現(xiàn)大量超挖，滲水量越大的地方超挖越厲害，所以每隔150 m就要進(jìn)行一次底板澆筑，總計(jì)底板澆筑耗時(shí)51天。冬季停工時(shí)間為2016年1月9日—2016年3月23日。

四、掘進(jìn)機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)

鑒于該類型的掘進(jìn)機(jī)是第一次在西藏地區(qū)使用，經(jīng)過近一年時(shí)間的運(yùn)行后，總結(jié)出以下優(yōu)缺點(diǎn)。

1.優(yōu)點(diǎn)

①西藏地區(qū)屬于維穩(wěn)敏感地區(qū)，對于火工產(chǎn)品的管控相當(dāng)嚴(yán)格，特別在“3.14”、各大節(jié)慶期間都有可能停止火工產(chǎn)品的使用，而掘進(jìn)機(jī)則不會(huì)受此限制；②掘進(jìn)機(jī)施工投入人工少，操作人員均位于駕駛室內(nèi)工作，無需暴露在裸露圍巖下，如遇地質(zhì)不良地段發(fā)生塌方，施工人員安全能最大程度得到保障，不會(huì)發(fā)生群死群傷的現(xiàn)象；③掘進(jìn)機(jī)鉆進(jìn)主要是利用截齒切割巖石進(jìn)行開挖，相對于鉆爆施工對圍巖的擾動(dòng)較小，較大提高了圍巖的穩(wěn)定性；④開挖斷面一次成型，超欠挖可以控制到規(guī)范要求的最小值（這與操作手的能力有很大關(guān)系），可減少初期支護(hù)工程量；⑤開挖速度快 （要求各個(gè)方面配合協(xié)調(diào)到位），可以達(dá)到鉆爆法的2～3倍。

2.缺點(diǎn)

①對操作手要求高，否則發(fā)揮不出設(shè)備該有的施工能力；②維修不方便，該問題可以通過在使用地區(qū)開設(shè)售后服務(wù)中心來改變；③除塵問題還需進(jìn)一步解決；④費(fèi)用較高，如不能完全發(fā)揮出設(shè)備的施工能力，其開挖成本會(huì)比常規(guī)鉆爆法高。

五、結(jié) 論

綜上所述，懸臂式掘進(jìn)機(jī)在西藏地區(qū)的首次使用效果是值得肯定的，雖然沒有達(dá)到預(yù)期的施工效果，但是只要解決好上述缺點(diǎn)中的前3條內(nèi)容，懸臂式型掘進(jìn)機(jī)在西藏地區(qū)的應(yīng)用前景無限。

[1]陳加勝.懸臂式掘進(jìn)機(jī)行走和截割智能控制研究[C].西安:安科技大學(xué),2006.

[2]徐楠，等.懸臂式掘進(jìn)機(jī)自動(dòng)截割控制的研究[EB/OL].http://www.paper.edu.cn/ releasepaper/contert/201108-176,2011.

責(zé)任編輯 張瑜洪

圖3 壩體三維有限元網(wǎng)格

③計(jì)算結(jié)果及分析。壩坡抗滑穩(wěn)定計(jì)算分析成果詳見表2，結(jié)果表明各工況壩坡采用不同的料場材料參數(shù)抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均能滿足規(guī)范要求。

（3）壩體有限元分析

①計(jì)算方法及模型。采用非線性三維有限元法模擬壩體分層填筑與蓄水過程，分析壩體應(yīng)力及變形?？紤]瀝青混凝土心墻與混凝土基座、筑壩材料之間材料性質(zhì)相差較大，在荷載作用下，相互之間存在相對滑移，采用在防滲墻與混凝土基座、過渡料界面設(shè)置接觸單元模擬滑移。壩體三維有限元網(wǎng)格，見圖3。

②計(jì)算工況及參數(shù)。計(jì)算分完建期和蓄水期兩種工況，壩體填料參數(shù)根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)取較低值。其中，完建期工況大壩上下游無水荷載，首先模擬上游圍堰施工過程，然后分級模擬大壩施工過程，大壩從建基面最低高程分層均勻填筑到設(shè)計(jì)壩高 4 305 m；蓄水期工況在大壩填筑完成后，分級模擬上游蓄水至正常水位4 298 m高程，下游無水荷載作用。

③計(jì)算結(jié)果及分析。計(jì)算結(jié)果表明瀝青混凝土心墻蓄水期順河向位移最大值為5.2 cm，相對于最大壩高為61.5 m的心墻壩來說仍然較小，其最大撓跨比約為0.08%，心墻發(fā)生撓曲破壞的可能性不大；心墻大主應(yīng)力最大值為2.07 MPa，小主應(yīng)力最大值為0.98 MPa，均出現(xiàn)在心墻底部，心墻全高程無拉應(yīng)力出現(xiàn)，其應(yīng)力水平最大值為0.64，心墻受力狀態(tài)良好，未發(fā)現(xiàn)剪切破壞單元，心墻發(fā)生剪切破壞的可能性較?。恍膲ι嫌蚊嫠畨毫εc心墻豎向應(yīng)力比值較小，比值均在0.51以下，因此，可以認(rèn)為心墻發(fā)生水力劈裂的可能性不大。壩體應(yīng)力、變形最大值見表3?？傮w而言，壩體的應(yīng)力、變形值不大，壩體應(yīng)力水平小于1，整個(gè)壩體處于安全狀態(tài)。

責(zé)任編輯 張金慧

Application of tunnel boring machine to tunnel construction in high altitude areas

Liu Chunhui，Zhou Yang，He Weigang

Tunnel Boring Machine(TBA)has been widely adopted in tunnel construction in modern age that has obtained successful experiences and valuable lessons.The paper makes an introduction on the application of TBA,for the first time to the construction of Deluo Tunnel in high-altitude Tibet.Advantages and disadvantages of TBA and its application prospective are briefly analyzed.The project shall be a good example for the construction of similar tunnels in high altitude areas.

highland;cantilever tunneling machine;tunnel construction;advantage and disadvantage;Laluo Multipurpose Hydraulic Project

TV512

B

1000-1123（2016）20-0056-02

2016-10-18

劉春暉，工程師。