掘進扒渣一體機在小斷面隧洞施工中的應用

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(中國水利水電第十工程局有限公司，成都，610072)

1　工程概況

毗河供水一期工程屬四川省重點水利工程，該工程由引水樞紐、總干渠、干渠、充水渠及灌區(qū)渠系工程等組成。蟠書灌區(qū)由蟠書補水渠(總長3.951km)、書永分干渠(46.625km)、長河支渠(8.653km)、云峰支渠(9.63km)、龍臺支渠(4.603km)組成。灌區(qū)隧洞總長約為39km，其中長河、云峰、龍臺支渠均屬于小斷面隧洞，總長約為18.696km，設計過水流量1.3m3/s～1.8m3/s，隧洞開挖斷面為2.1m×2.4m的城門洞型，襯砌后的斷面尺寸為1.5m×1.8m。

2　地層情況

渠道隧洞穿越山脊、山咀、埡口和溝間山體，地層為白堊系上統(tǒng)灌口組(K2g)、下統(tǒng)白龍組(K1b)和蒼溪組(K1c)，侏羅系上統(tǒng)蓬萊鎮(zhèn)組(J3p)和遂寧組(J3s)地層，巖性為砂巖和粉砂質(zhì)泥巖互層，在安岳境內(nèi)巖層特性屬軟巖～較軟巖。通過巖石取樣進行抗壓試驗，強度在2.0MPa～16MPa之間，適合掘進機施工工藝。

3　隧洞開挖方式及設備選型

本工程具有線性長、涉及鄉(xiāng)鎮(zhèn)多、附近房屋及附屬設施密集、隧洞埋深淺、地質(zhì)情況復雜等特點，特別是多數(shù)隧洞穿越高壓天燃氣管道，隧洞周邊及軸線上方民房較多，采用傳統(tǒng)的鉆爆法施工，對民房影響較大，監(jiān)理、建設單位等單位也不同意采用此方案掘進。除了該方法之外，項目部又想到采用液壓錘進行軟巖剝離，但由于洞徑較小，設備需要改造，采用柴油設備機械進入隧洞施工，發(fā)動機燃燒產(chǎn)生的尾氣很難在短時間內(nèi)抽出去，沒有配套的運渣機械設備，綜合施工效率也不高，難于滿足本項目施工進度要求。

針對上述情況，尋找一種快速的施工設備及方法，采用配套的專項機械設備組成機械化施工作業(yè)線，形成較高的、均衡的生產(chǎn)能力是確保項目按期完成的關(guān)鍵。綜合分析上述兩個方法的弊端，結(jié)合本項目小斷面隧洞斷面幾何尺寸、合同工期要求及成本分析對比，提出一種采用煤礦開采用的掘進機來進行隧洞巖石開挖，經(jīng)過對國內(nèi)市場上一些主流掘進機的調(diào)研，發(fā)現(xiàn)目前使用的掘進機一般尺寸都較大，無法滿足本工程小斷面尺寸要求，通過分析，決定選用符合隧洞斷面尺寸為2.1m×2.4m的扒渣機改裝成可掘進扒渣一體機。

4　掘進機器改裝

扒渣機主要適用于隧洞鉆爆后進行石渣收集，為適應小斷面隧洞施工的成套專項作業(yè)，對扒渣機進行改裝，在扒渣機抓斗上部安裝銑挖鉆頭，液壓系統(tǒng)做適當?shù)母脑?，同時在機身部位安裝了礦用濕式除塵風機。掘進扒渣一體機從而具備了隧洞開挖、集渣、排煙等為一體的功能，與懸臂式掘進機功能相似。通過現(xiàn)場試驗，掘進扒渣一體機單日最高進尺為7m，月平均進尺為120m。采用掘進扒渣一體機洞挖施工的資源配置見表1。

表1掘進扒渣一體機洞挖施工資源配置

5　掘進施工

5.1　施工準備

5.1.1技術(shù)準備

根據(jù)相關(guān)資料對隧洞進行施工總體布置、規(guī)劃，在施工資源配置上充分考慮不利因素；同時計算設計隧洞施工臨時用電，根據(jù)斷面尺寸、人員投入計算洞內(nèi)需要的用風量及通風設備選型等。

施工前做好掘進扒渣一體機的改裝工作，特別對液壓系統(tǒng)、電器等設備的檢測保養(yǎng)，以及通風排煙的設備安裝就位，預防施工中發(fā)生故障。

5.1.2風、水、電及臨建布置

(1)供風：通過計算，施工用風可采用一臺13m3空壓機供應，用于臨時支護。

(2)供水：由于洞口附近無可利用河流、水庫，施工用水采用鉆井取水。

(3)供電：施工用電在洞口位置布置一臺360kVA(變1140kVA)變壓器，以滿足隧洞施工用電。

(4)其它臨建：臨建布置主要包括鋼筋加工棚、材料堆放區(qū)、庫房、現(xiàn)場辦公區(qū)等。

5.2　施工工藝流程

開挖前，測量放線完成后，掘進機就位施工。在隧洞掘進過程中，經(jīng)常校核布置在頂拱、兩側(cè)邊墻的激光指向儀，確保隧洞開挖斷面符合設計、規(guī)范要求。洞挖施工程序為：洞口開挖→測量放線→掘進機掘進→石渣運輸→支護施工→下一個循環(huán)。掘進扒渣一體機開挖見圖1。

圖1　掘進扒渣一體機開挖示意

掘進機進場調(diào)試好后，在開挖前，通過測量儀器放出開挖輪廓線，并在隧洞口安裝5個激光指向儀(根據(jù)隧洞斷面大小安裝激光指向儀個數(shù)，本工程的斷面一般安裝3～5個)。

5.3　主要施工方法

前期工作準備好后，將掘進機移動到隧洞洞口掌子面，啟動設備開始洞挖施工。施工順序從下到上掘進，當掘進1m3～2m3洞渣時，停止掘進，使用螺旋鉆頭開始集渣，同時四輪拖拉機出渣車倒至掘進機出料口，石渣料開始上車，運輸至棄渣場棄渣，如此循環(huán)，達到邊開挖邊出渣的效果。根據(jù)洞內(nèi)巖層情況，同時考慮操作人員的施工安全，在掘進4m～6m后，停止掘進，支護到掌子面后再繼續(xù)掘進。

由于隧洞數(shù)量多，而且隧洞長短不同，特別是長隧洞出渣，直接影響隧洞的開挖速度，隧洞出渣車的數(shù)量配置至關(guān)重要。根據(jù)隧洞長度，在采用掘進扒渣一體機進行洞挖施工的情況下，隧洞掘進150m～200m，應設置一處錯車道，確保出渣車能夠正常錯車通行，不影響隧洞出渣效率。根據(jù)現(xiàn)場經(jīng)驗，500m以下的隧洞，渣場距離洞口在500m以內(nèi)的可配備3臺出渣車，長度超過500m的隧洞根據(jù)現(xiàn)場實際情況增加1～3臺出渣車，若單座隧洞超過600m，綜合考慮可采取雙邊掘進。

為便于管理，對出渣車分別編號為1#，2#，3#……，若1#出渣車在掌子面裝料，2#就在臨近掌子面的錯車道等待，3#在后一個的會車道上等待，以此循環(huán)。當掌子面的1#出渣車運渣行駛至掌子面附近的會車道時，在此停靠的2#出渣車開往掌子面開始裝渣，當1#出渣車出了洞外后開始卸渣時，在洞外等待的出渣車開始進洞,開進錯車道進行等待，這樣循環(huán)往復，有序進行，配置的設備能有效利用，提高出渣效率。

5.4　掘進扒渣一體機施工技術(shù)要領(lǐng)

(1)在隧洞開挖前按照設計斷面輪廓線進行施工放線，為減少測量工作，可在掘進10m左右時，安裝激光指向儀，不定期對指向儀進行復核，防止因運輸車輛刮蹭影響激光指向儀的精確性。

(2)隧洞的開挖樁號和斷面在每個開挖循環(huán)完成后測量復核，從而控制隧洞超欠挖及彎道轉(zhuǎn)彎半徑。

(3)由于掘進扒渣一體機開挖鉆頭為螺旋式，當鉆頭接觸掌子面向下旋轉(zhuǎn)時，形成圓弧，由此掘進過程中開挖輪廓線控制尤為重要，除操作人員嚴格按照施工放樣掘進外，操作人員視線清晰，是控制超欠挖的關(guān)鍵，防止機手視線模糊操作的隨意性。

(4)根據(jù)巖層情況，洞內(nèi)巖層為Ⅲ、Ⅳ類，掘進4m～6m為一個循環(huán)，巖層為Ⅴ類，掘進1m～2m為一個循環(huán)；為了保證操作人員的安全，每個循環(huán)長度不宜超過司機位置至鉆頭的長度。

(5)洞內(nèi)巖層為粉砂質(zhì)泥巖，遇水易軟化，開挖過程中不宜采用噴水降塵，在掘進扒渣一體機上安裝降塵裝置，可有效控制掌子面及操作空間粉塵濃度。同時洞外配備一臺軸流式通風機，采取抽排結(jié)合循環(huán)排煙。為確保周圍居民及項目職工生活環(huán)境不受粉塵的影響，在軸流風機出風口安裝自動水淋式降塵，將粉塵進行收集。

6　應用效果分析

毗河供水一期六分部引進了掘進扒渣一體機進行小斷面隧洞施工，與傳統(tǒng)鉆爆法相比，在小段面隧洞開挖施工中具有非常明顯的優(yōu)勢，技術(shù)方案是完全可行的，經(jīng)濟上也優(yōu)于傳統(tǒng)的鉆爆法施工，還大大改善了現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境條件，利于作業(yè)人員身心健康，產(chǎn)生了較好的經(jīng)濟效益和社會效益。

本項目采用舊的扒渣一體機改裝而成，改進技術(shù)工藝沒有進行系統(tǒng)設計及分析，改裝后的設備故障率較高，修改成本增加，設備的使用效率還未完全發(fā)揮出來，需要進一步探索、創(chuàng)新和改進。

7　結(jié)語

傳統(tǒng)的小斷面隧道施工主要依賴小型機具施工，工效低、工期長，受狹小工作面、勞動生產(chǎn)率低的制約，一直以來小斷面隧洞是制約項目成敗的關(guān)鍵，解決專用機械設備的問題，形成專項機械化作業(yè)線一直在探索中。隧洞是水利水電工程的重要組成部分之一，探索與實踐綜合施工配套技術(shù)的組織與實施，促進非標機械設備的開發(fā)是十分必要的。