懸臂掘進(jìn)機(jī)在水利水電隧洞工程中的應(yīng)用

王 鑫

(山西省中部引黃工程建設(shè)管理局，山西 太原 030000)

懸臂掘進(jìn)機(jī)是一種可以分割、裝車、輸送以及除塵為一體的聯(lián)合機(jī)械設(shè)備[1]。在地質(zhì)構(gòu)造較為復(fù)雜的區(qū)域，懸臂掘進(jìn)機(jī)得到廣泛應(yīng)用，成為重要的掘進(jìn)方法。該方法可提高掘進(jìn)速度，因懸臂掘進(jìn)機(jī)體積較小，在隧洞工程施工中使用特別靈活方便，并且可以大幅度縮減施工費(fèi)用和施工時(shí)間。

1 工程概況及懸臂掘進(jìn)機(jī)參數(shù)設(shè)定

此工程位于格拉西部BLN區(qū)，BQ- 5輸水路線分布在主要排水體系的周圍，從3號(hào)進(jìn)水口到NL下游出水口，全長共10.8km。隧洞工程施工主要目標(biāo)為：8條輸水隧洞，長度為3659m，挖掘的斷面形狀為橢圓形，挖掘的底部寬約為3.8m，最大挖掘高度約為4.9m，隧洞半徑約為1.9m。工程地質(zhì)構(gòu)造十分復(fù)雜，且地下水豐富，不可調(diào)控因素較多，給設(shè)計(jì)施工方案帶來一定困難[2]。每個(gè)隧洞周圍的巖石是由第四系的板巖、第五系的頁巖以及砂石巖組成[3]。因地下水較豐富，巖石粘接程度小，并且周圍巖石的滲水性強(qiáng)，可能有水壓力的產(chǎn)生。

懸臂掘進(jìn)機(jī)的選用，要根據(jù)施工的實(shí)際情況而定。此次研究的隧洞工程跨越居民住宅區(qū)域，并且BQ- 5輸水線只能從建好的管道線路之間通過，部分地區(qū)與建好的管道線路的間距不到3.6m。由于隧洞的挖掘斷裂面多呈橢圓形，挖掘的最大面積為16.25m2，所以利用懸臂式掘進(jìn)機(jī)對(duì)隧洞工程進(jìn)行施工[4]。懸臂式掘進(jìn)機(jī)操作時(shí)需要注意：當(dāng)周圍巖石的抗壓強(qiáng)度變化范圍為60～120MPa時(shí)，要采用重型懸臂掘進(jìn)機(jī)，其切割額定功率≥180kW；當(dāng)其抗壓強(qiáng)度≤60MPa時(shí)，要采用輕型懸臂掘進(jìn)機(jī)，其切割額定功率≤90kW。

水利水電隧洞工程中隧洞的地質(zhì)構(gòu)造情況極為復(fù)雜，周圍巖石的穩(wěn)定性、粘接性、滲水性等影響因素難以控制，在選擇懸臂掘進(jìn)機(jī)機(jī)型時(shí)，要選用≥220kW的重型懸臂掘進(jìn)機(jī)，可達(dá)到適應(yīng)周圍巖石性質(zhì)的效果，懸臂掘進(jìn)機(jī)的抗壓強(qiáng)度≥110MPa，確定開挖的位置，并規(guī)定其挖掘?qū)挾燃s為8m，寬度約為7m，進(jìn)而提高懸臂掘進(jìn)機(jī)的工作效率和開挖速度[5]。重視對(duì)懸臂掘進(jìn)機(jī)的形狀、體積和尺寸的分析，為了更好地適應(yīng)工作的空間環(huán)境以及工作中的相關(guān)需求。選擇合適的懸臂掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行施工，在一定程度上增加了開挖速度，同時(shí)提高了隧洞工程的總體進(jìn)度和施工質(zhì)量[6]。依據(jù)此隧洞工程的地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境和斷面的面積大小，選擇EZ180和EZ140懸臂掘進(jìn)機(jī)開挖，其開挖范圍為：上方6.2m，下方0.6m，兩側(cè)間距為7.1m。

2 懸臂掘進(jìn)機(jī)施工過程

懸臂掘進(jìn)機(jī)切割斷面需要通過移動(dòng)切割頭來完成工作，適用于任何情況的斷面型隧洞工程[7]。與全面掘進(jìn)機(jī)相比，懸臂掘進(jìn)可進(jìn)行連續(xù)工作、無振動(dòng)和隨時(shí)對(duì)巖石進(jìn)行支撐的優(yōu)點(diǎn)，不僅可以避免隧洞工程的超挖現(xiàn)象，也能夠減少支撐巖石的支護(hù)材料費(fèi)用。在進(jìn)行隧洞挖掘之前，首先要測量出挖掘邊線，測量方法為利用導(dǎo)向儀器發(fā)射出激光來確定邊線的位置和范圍，在懸臂掘進(jìn)機(jī)準(zhǔn)備就緒時(shí)即可挖掘施工；將挖掘隧洞過程大致分為清理挖掘區(qū)域、測量邊線、掘進(jìn)機(jī)開挖、渣料裝車、渣料運(yùn)輸、支持工作，并反復(fù)進(jìn)行此流程，直到所要的隧洞形成；懸臂掘進(jìn)機(jī)施工過程中的程序?yàn)椋壕蜻M(jìn)機(jī)電機(jī)、打開首要運(yùn)輸機(jī)、打開星輪和打開切割頭施工。

當(dāng)隧洞工程施工需求量較大時(shí)，懸臂掘進(jìn)機(jī)的應(yīng)用較多。施工時(shí)從隧洞工程的底部切割出一個(gè)導(dǎo)洞，并移動(dòng)掘進(jìn)機(jī)的位置并確定，然后切割頭采取由上到下、兩側(cè)循環(huán)切割的方法進(jìn)行施工。在切割過程中遇到較硬的巖石時(shí)，其掘進(jìn)順序通常為從下至上左右切割；利用晃動(dòng)的切割機(jī)械臂，通過切割頭的快速轉(zhuǎn)動(dòng)來切割周圍的巖石，實(shí)現(xiàn)周圍巖石的挖掘[8]。切割后掉落的石渣會(huì)由下方的鏟板收集并通過傳送帶把石渣運(yùn)送到第一運(yùn)送車，同時(shí)利用第一運(yùn)送機(jī)輸送到第二運(yùn)送車，直至輸送到處理石渣的卡車上，最終完成掘進(jìn)工作。在隧洞掘進(jìn)時(shí)，通常會(huì)選用定向儀器進(jìn)行檢測，懸臂掘進(jìn)機(jī)利用巷道的激光點(diǎn)確定位置并進(jìn)行切割。由于懸臂掘進(jìn)機(jī)的耗電量極大，一般情況下可以達(dá)到400kVA，所以在隧洞工程施工時(shí)要連接高壓電源。此外，依據(jù)實(shí)際挖掘情況，采取不同的掘進(jìn)速度，保證懸臂掘進(jìn)機(jī)的安全使用。懸臂掘進(jìn)機(jī)的挖掘過程如圖1所示。

圖1 懸臂掘進(jìn)機(jī)挖掘過程

懸臂掘進(jìn)機(jī)開挖完成后，在支護(hù)階段先將鋼制支撐的上半弧置于切割頭上，通過掘進(jìn)機(jī)將其送至隧洞頂部，并且將鋼管穿入鋼支撐的每個(gè)環(huán)扣中，進(jìn)行暫時(shí)安裝，等到安裝完成后再撤回切割頭[9]；掛鋼網(wǎng)片階段，把馬道板的一部分鋪設(shè)在切割頭上，另一部分則在環(huán)扣中穿插鋼筋固定，用來支撐馬道板[10]。在支撐工作中，工作平臺(tái)容易搭建、簡單方便，縮減了傳統(tǒng)支撐技術(shù)的搭建時(shí)間和運(yùn)輸時(shí)間，節(jié)省了支撐搭建的成本，有效提升了施工效率和質(zhì)量。

3 懸臂掘進(jìn)機(jī)應(yīng)用結(jié)果

隧洞入口EZ180懸臂掘進(jìn)機(jī)從開始挖掘，歷經(jīng)5個(gè)月共完成420m，其利用二類支撐。EZ140懸臂掘進(jìn)機(jī)則用了3個(gè)月共完成350m，其利用六類支撐。六類支撐周圍巖石平均挖掘距離為1.6m，二類支撐周圍巖石平均挖掘距離為4.8m。在隧洞挖掘初期，在洞口可以發(fā)現(xiàn)隧洞地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境較差、斷面面積較小、懸臂掘進(jìn)機(jī)操作生疏，同時(shí)掘進(jìn)機(jī)仍有自身的不足之處，例如清除渣料的不全面、懸臂掘進(jìn)機(jī)卡鏈現(xiàn)象頻繁出現(xiàn)等因素，導(dǎo)致每天掘進(jìn)距離只有0.8m，嚴(yán)重延長了施工周期。隨著施工的繼續(xù)進(jìn)行，操作技術(shù)也有所提升，故障發(fā)生率也逐漸減少，提高了平均挖掘距離。

隧洞掘進(jìn)的工作速度受地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境、巖石的完整性、巖石的軟硬程度、巖石的抗壓強(qiáng)度以及支撐工作的完善等因素的影響。傳統(tǒng)掘進(jìn)機(jī)受到這些因素的制約較大，與其相比，懸臂掘進(jìn)機(jī)可以很大地完善掘進(jìn)過程中的諸多不足，并解決了許多掘進(jìn)中的實(shí)際問題。通過實(shí)際應(yīng)用做了數(shù)據(jù)的整理和分析，得到了巖石抗壓強(qiáng)度與懸臂掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)速度的關(guān)系，如圖2所示。由圖2可得，隨著巖石抗壓強(qiáng)大的增大，懸臂掘進(jìn)機(jī)的掘進(jìn)速度反而隨之降低。此外，切割頭的切齒的破損程度、切割參數(shù)等對(duì)掘進(jìn)速度也有著很大影響；同時(shí)對(duì)其選擇可以按照巖石的抗壓強(qiáng)度進(jìn)行不同的選擇，在實(shí)際施工中，依據(jù)現(xiàn)場需要進(jìn)行切齒的選用，利用冷卻的方式可以大幅降低切齒的損耗程度。切割參數(shù)的是指隧洞的切割距離、掘進(jìn)速度、切割數(shù)量，一般情況下對(duì)于硬度較小的巖石，其參數(shù)設(shè)定值較大；反之，對(duì)于硬度較大的巖石，其參數(shù)設(shè)定值則較小。

圖2 懸臂掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)速度與巖石抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

4 結(jié)語

在水利水電隧洞工程施工中采用懸臂式掘進(jìn)機(jī)為同類工程施工積累了一些經(jīng)驗(yàn)，該機(jī)械洞挖施工與傳統(tǒng)掘進(jìn)法施工相比較，其施工更安全、掘進(jìn)速度更快且穩(wěn)定。懸臂式掘進(jìn)機(jī)施中鋼制支撐馬道板可使施工平臺(tái)的搭建更加方便快捷，同時(shí)，懸臂掘進(jìn)機(jī)對(duì)于周圍巖石的破壞較小，能夠準(zhǔn)確地對(duì)隧洞進(jìn)行挖掘，提高了掘進(jìn)效率和質(zhì)量。由于其自身使用簡單和安裝方便的特點(diǎn)，大幅縮短了工期，使得企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益最大化。但懸臂掘進(jìn)機(jī)在施工中仍存在一些不足，掘進(jìn)機(jī)不易改變開挖直徑和形狀，地質(zhì)的適應(yīng)性也容易受到一定限制，這方面還需要進(jìn)行深入研究。