EBZ260懸臂式掘進(jìn)機(jī)在軟巖隧洞開挖中的應(yīng)用

唐 光 雯, 王 波, 王 小 紅

(中國(guó)水利水電第十工程局有限公司，四川 都江堰 611830)

1 概 述

毗河供水一期工程由引水樞紐、總干渠、干渠、充水渠及灌區(qū)渠系工程等組成，所處區(qū)域主要為川中丘陵地貌，地形特征為渾圓狀、長(zhǎng)條狀平頂山丘、山梁與侵蝕洼地、沖溝，地面高程一般為300～520 m，相對(duì)高差50～150 m。該段隧洞穿越山脊、山嘴、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，除總干渠龍泉山和金水橋隧洞砂巖屬中硬巖外，其余均屬軟巖～較軟巖。Ⅲ類圍巖約占隧洞總長(zhǎng)度的18%，砂巖為中厚～厚層狀中硬巖或較軟巖，成洞條件及圍巖穩(wěn)定性相對(duì)較好，施工時(shí)局部存在掉塊及小規(guī)模坍塌；Ⅳ類圍巖約占隧洞總長(zhǎng)度的64%，由弱風(fēng)化砂巖、新鮮粉砂質(zhì)泥巖組成，層狀～薄層狀結(jié)構(gòu)；Ⅴ類圍巖約占隧洞總長(zhǎng)度的18%，由強(qiáng)風(fēng)化巖體、弱風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖、斷層破碎帶、褶皺核部、地表水體影響較強(qiáng)和地下水活動(dòng)強(qiáng)烈洞段組成，呈碎裂狀、碎塊狀及薄層狀結(jié)構(gòu)。圍巖成洞條件及穩(wěn)定性差，巖層傾角大多小于5°，特別是粉砂質(zhì)泥巖層間結(jié)合力弱，施工時(shí)洞頂存在脫層坍塌等問題。項(xiàng)目部經(jīng)過多次現(xiàn)場(chǎng)開會(huì)論證，最終決定引進(jìn)煤礦用懸臂式掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行隧洞掘進(jìn)[1，2]。

2 懸臂式掘進(jìn)機(jī)

2.1 懸臂式掘進(jìn)機(jī)的結(jié)構(gòu)組成

EBZ260懸臂式掘進(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(tái)、液壓系統(tǒng)、除塵噴霧系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)、護(hù)板、標(biāo)識(shí)與涂裝構(gòu)成。

2.2 適用范圍

EBZ260懸臂式掘進(jìn)機(jī)適用于煤巷、半煤巖巷以及全巖的巷道掘進(jìn)，亦可在鐵路、公路、水電、水利工程等軟巖隧洞施工中使用。該掘進(jìn)機(jī)最大定位截割斷面可達(dá)30 m2，施工中經(jīng)濟(jì)截割巖石硬度為30 MPa，最大截割巖石硬度為40 MPa，要求環(huán)境溫度為0 ℃～30 ℃，坡度為±18°。懸臂式掘進(jìn)機(jī)在毗河水利工程的軟巖隧洞掘進(jìn)中除去臨時(shí)支護(hù)等時(shí)間，掘進(jìn)機(jī)每天凈工作時(shí)間為12 h，最高日進(jìn)尺為12 m，平均日進(jìn)尺為9 m。懸臂式掘進(jìn)機(jī)在毗河供水一期工程小斷面隧洞實(shí)際施工中，其掘進(jìn)效果證實(shí)了其性能優(yōu)越，能確保在中小斷面隧洞掘進(jìn)施工中的安全和工期要求。

2.3 掘進(jìn)機(jī)的維護(hù)與保養(yǎng)

為了能更好地在隧洞掘進(jìn)時(shí)正確使用懸臂式掘進(jìn)機(jī)，使用前應(yīng)詳細(xì)閱讀掘進(jìn)機(jī)使用說明書，操作時(shí)應(yīng)正確進(jìn)行操作，使用期間及時(shí)對(duì)掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行維護(hù)與保養(yǎng)。

(1)掘進(jìn)機(jī)應(yīng)使用同一品牌的液壓油，并按說明書中的規(guī)定及時(shí)更換液壓油。

(2)懸臂式掘進(jìn)機(jī)工作時(shí)，當(dāng)油溫超過70 ℃時(shí)應(yīng)及時(shí)停止掘進(jìn)機(jī)工作，并對(duì)液壓系統(tǒng)及冷卻水系統(tǒng)實(shí)施檢查，待油溫降低后再開機(jī)工作。

(3)在掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)期間，應(yīng)按照使用說明書的規(guī)定及時(shí)給掘進(jìn)機(jī)加潤(rùn)滑油和潤(rùn)滑脂。

(4)掘進(jìn)機(jī)截割時(shí)要關(guān)注截齒是否已損壞，若截齒損壞應(yīng)及時(shí)更換，若不及時(shí)更換會(huì)損傷截齒座。截割時(shí)，要觀察截齒是否旋轉(zhuǎn)順暢，若不順暢需用鐵錘擊打，使截齒旋轉(zhuǎn)順暢。

(5)掘進(jìn)機(jī)在現(xiàn)場(chǎng)裝配時(shí)，對(duì)各種螺栓的裝配一定要按說明書對(duì)各螺栓扭緊力矩進(jìn)行鎖緊。掘進(jìn)機(jī)工作期間，要定期檢查各部分螺栓是否出現(xiàn)松動(dòng)，避免因螺栓松動(dòng)造成設(shè)備的損壞。

2.4 除塵要求

在隧洞采用懸臂式掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)時(shí)，根據(jù)隧洞的長(zhǎng)、短其通風(fēng)方式可采用“長(zhǎng)壓、短抽”“長(zhǎng)壓、短抽、短壓”的方式，EBZ260懸臂式掘進(jìn)機(jī)除塵噴霧系統(tǒng)采用環(huán)形三層水幕除塵，分內(nèi)、外噴霧水路。外供水經(jīng)一級(jí)過濾后分為兩路，第一路經(jīng)球閥、二級(jí)過濾、減壓閥直接通往切割機(jī)構(gòu)，由切割頭內(nèi)的噴霧噴嘴噴，以起到冷卻截齒及減塵作用；第二路經(jīng)球閥、二級(jí)過濾、減壓閥、水冷卻器(冷卻液壓系統(tǒng)用油)及切割電機(jī)(冷卻切割電機(jī))后再分為兩路：一路通往噴水架，由外噴霧噴嘴噴出，另一路通往風(fēng)機(jī)。其特點(diǎn)為：

(1)掘進(jìn)施工時(shí)，采用長(zhǎng)壓、短抽通風(fēng)除塵系統(tǒng)能有效實(shí)現(xiàn)粉塵的就地凈化，特別是對(duì)呼吸性粉塵具有較高的除塵效率。

(2)掘進(jìn)機(jī)采用獨(dú)特高效、高適應(yīng)性濕式除塵技術(shù)，達(dá)到了耗水量小，脫水效率高、有效節(jié)約水資源的效果。掘進(jìn)機(jī)定時(shí)排污、換水對(duì)作業(yè)環(huán)境不會(huì)造成污染。

(3)掘進(jìn)機(jī)在截割施工期間，為保證施工時(shí)的除塵效果，每班截割后應(yīng)及時(shí)清洗除塵器。

(4)掘進(jìn)機(jī)使用除塵裝置時(shí)，一定要根據(jù)風(fēng)筒的壓入風(fēng)量確定除塵風(fēng)機(jī)的吸入風(fēng)量。除塵器風(fēng)量的計(jì)算公式為：

Q吸=S×V(0.8～0.9×)Q壓

式中S為隧洞掘進(jìn)斷面積，m2；V為壓入風(fēng)速m/s；Q吸為除塵風(fēng)機(jī)吸入的風(fēng)量；Q壓為風(fēng)筒壓入的風(fēng)量。

2.5 洞內(nèi)的通風(fēng)、排水與測(cè)量

施工時(shí)隧洞的空氣質(zhì)量主要取決于通風(fēng)設(shè)計(jì)和隧洞開挖方式以及洞內(nèi)的運(yùn)輸方式。掘進(jìn)機(jī)開挖不會(huì)產(chǎn)生有害氣體，運(yùn)輸采用低污染的內(nèi)燃機(jī)車(以上機(jī)械僅有較少的廢氣污染)，從而使得掘進(jìn)機(jī)施工時(shí)隧洞中的通風(fēng)效果較好。

(1)洞內(nèi)通風(fēng)。采用軸流式風(fēng)機(jī)配合波紋管從掘進(jìn)機(jī)掌子面往洞外抽風(fēng)降塵，在掌子面形成負(fù)壓，洞外新鮮的空氣從掘進(jìn)巷道內(nèi)流入，從而保證整個(gè)巷道內(nèi)的空氣質(zhì)量。

(2) 洞內(nèi)施工排水。施工時(shí)為順坡排水，考慮到隧洞長(zhǎng)度較大、坡度較緩，采用了以自然排水為主、輔以人工水泵抽水的方式進(jìn)行排水。按隧洞設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)在其右側(cè)開挖了斷面尺寸為0.3 m×0.3 m 的排水溝并間隔300～500 m設(shè)集水坑，坑內(nèi)設(shè)水泵1臺(tái)，裂隙水及施工污水從排水溝順坡排或?qū)⑵涑橹炼赐獾乃鼗蛞苿?dòng)水容器凈化后排出。

(3)逆坡排水時(shí)，主要采用集水坑接力抽取的方法，即在右側(cè)間隔300～500 m的合適位置設(shè)集水坑，坑內(nèi)設(shè)水泵1臺(tái)，裂隙水及施工污水接力抽取后排出。

(4)將隧洞內(nèi)的施工污水和地下水排出到洞口，在洞口外事先預(yù)埋了一根直徑為1 m的混凝土預(yù)制管，預(yù)制管與修建的沉淀池相連(沉淀池容積約為200 m3)，洞內(nèi)排出的污水和地下水只有經(jīng)沉淀池處理后才能排到排水溝中。

(5)洞內(nèi)測(cè)量。采用在隧洞斷面特征點(diǎn)設(shè)置激光指向儀的方式對(duì)隧洞邊墻與頂拱進(jìn)行控制，使掘進(jìn)機(jī)在截割施工時(shí)有效控制邊線與頂拱。

3 施工工藝

EBZ260懸臂式掘進(jìn)機(jī)的施工工藝主要分為以下幾種工況：

(1)利用截割頭上下、左右移動(dòng)截割，可以截割出初步斷面形狀，該截割斷面與實(shí)際所需要的形狀和尺寸有一定的差別，可以進(jìn)行二次修整以達(dá)到斷面尺寸的要求。當(dāng)截割較軟的巖石時(shí)，采用高速截割可以達(dá)到快速掘進(jìn)的目的，切割下來的巖渣塊小并方便出渣，截割采用左右循環(huán)向上的截割方法，其切割路線見圖1。

圖1 掘進(jìn)機(jī)切割路線圖

(2)當(dāng)掘進(jìn)機(jī)截割的圍巖硬度大(7≤f≤10)且圍巖為同種巖石時(shí)，掘進(jìn)機(jī)采用低速截割，掏槽時(shí)應(yīng)將截割部位處于水平和機(jī)器中心位置進(jìn)行鉆進(jìn)，并根據(jù)巖石硬度和節(jié)理發(fā)育情況決定鉆進(jìn)的深度，一次鉆進(jìn)的最大深度以不超過220 mm為宜，然后用截割頭擴(kuò)窩后再繼續(xù)鉆進(jìn)。掏槽的深度取決于巖石的硬度及發(fā)育情況，最大的掏槽深度以不超過700 mm為宜，然后利用掏槽進(jìn)行橫向切割[3]。

(3)當(dāng)掘進(jìn)機(jī)截割面的圍巖硬度不一致時(shí)，掏槽孔位置應(yīng)選在巖石硬度較軟處進(jìn)行鉆孔，然后在掏槽孔處進(jìn)行橫向切割[4]。施工中掘進(jìn)機(jī)良好的截割方法能夠得到更多與更好的自由面，截割巖體時(shí)更容易使巖石破裂并達(dá)到快速對(duì)巖體截割的目的，且能降低掘進(jìn)機(jī)截齒的損壞并降低截齒的消耗率。掘進(jìn)機(jī)采用的切割方式見圖2。

(4)掘進(jìn)機(jī)截割臥底或收集底料時(shí)，應(yīng)注意觀察鏟板的位置，此時(shí)應(yīng)確保將鏟尖與底板壓接后再進(jìn)行作業(yè)，以防止截割頭處于最低位置時(shí)其星輪與截割部的下面相碰，該情況會(huì)損壞掘進(jìn)機(jī)。

(5)掘進(jìn)機(jī)在隧洞內(nèi)截割時(shí)機(jī)械應(yīng)保持穩(wěn)定，當(dāng)機(jī)械出現(xiàn)不穩(wěn)定時(shí)，不能用鏟板將機(jī)體抬起或用鏟板側(cè)面靠住洞壁巖石用以保證截割時(shí)的穩(wěn)定性，這種方式會(huì)損壞掘進(jìn)機(jī)。

圖2 掘進(jìn)機(jī)切割方式示意圖

(6)掘進(jìn)機(jī)在截割硬度較大的圍巖時(shí)，懸臂式掘進(jìn)機(jī)易發(fā)生側(cè)擺脫，此時(shí)應(yīng)及時(shí)打開側(cè)支撐以增加掘進(jìn)機(jī)的穩(wěn)定性。掘進(jìn)機(jī)準(zhǔn)備前行時(shí)，在推動(dòng)行走手柄前應(yīng)先收回側(cè)支撐，否則會(huì)損壞機(jī)器。

(7)懸臂式掘進(jìn)機(jī)在截割圍巖時(shí)，應(yīng)打開外噴水霧控制閥，噴水量不能小于30 L/min，噴水壓力不能大于3 MPa[5]。截割時(shí)是否打開內(nèi)噴霧可根據(jù)施工使用情況確定。外噴霧的作用：①冷卻液壓系統(tǒng)，避免掘進(jìn)機(jī)油溫過高；②冷卻截割電機(jī)；③冷卻截割齒，降低截割齒的消耗率；④掘進(jìn)機(jī)截割時(shí)降低粉塵。

(8)懸臂式掘進(jìn)機(jī)在截割含水過多的巖層時(shí)，為減少隧洞齊頭部位積水過多的狀況，可以通過切換外噴水三通閥將噴霧水自二運(yùn)后部放出，隨皮帶運(yùn)輸機(jī)輸送到出渣車后運(yùn)輸出洞外。

4 開挖效果

毗河供水一期工程引水隧洞采用EBZ260懸臂式掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行隧洞掘進(jìn)的隧洞有：鞍臺(tái)山隧洞、巨齒齡隧洞、麻柳溝隧洞及碉堡梁隧洞。其中鞍臺(tái)山隧洞出口段于2015年9月8日正式掘進(jìn)，至2016年4月29日完成1 515.11 m隧洞掘進(jìn)；巨齒齡隧洞進(jìn)口段于2015年9月9日正式掘進(jìn)，至2016年4月4日完成1 105.5 m隧洞掘進(jìn)。除去臨時(shí)支護(hù)等時(shí)間，掘進(jìn)機(jī)每天的凈工作時(shí)間為12 h，最高日進(jìn)尺為12 m，平均日進(jìn)尺為9 m。EBZ260懸臂式掘進(jìn)機(jī)在毗河供水一期工程中小斷面隧洞實(shí)際施工過程中開挖速度快、超挖少、安全高效，開挖質(zhì)量有保證，隧洞開挖工作進(jìn)展順利，各條隧洞如期完成。在實(shí)際隧洞開挖過程中，EBZ260懸臂式掘進(jìn)機(jī)取得以下效果。

(1)EBZ260懸臂式掘進(jìn)機(jī)的截割頭采用國(guó)際一流技術(shù)，設(shè)計(jì)單刀力大，切割頭采用仿真技術(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，外形為圓錐臺(tái)形結(jié)構(gòu)，在其圓周螺旋分布了74把截齒，截齒布置合理，破巖能力強(qiáng)。切割減速機(jī)為兩級(jí)行星齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，輸入轉(zhuǎn)速為1 487/736 r/min，輸出轉(zhuǎn)速為54/27 r/min。截割電機(jī)功率為260/200 kW，截割扭矩大，是行業(yè)EBZ200標(biāo)準(zhǔn)型截割扭矩的1.5倍。能有效、經(jīng)濟(jì)地截割硬度為40 MPa的全巖斷面，最大定位截割斷面可達(dá)30.5 m2。

(2)增加了具有可調(diào)力的水平支撐。EBZ260懸臂式掘進(jìn)機(jī)設(shè)計(jì)了一套后支撐系統(tǒng)，支撐伸出后可頂?shù)蕉幢?、收回后與機(jī)身同寬的水平支撐油缸其壓力可調(diào)，掘進(jìn)機(jī)截割時(shí)，其有效地加強(qiáng)了掘進(jìn)機(jī)工作時(shí)的穩(wěn)定性。掘進(jìn)機(jī)接地比壓小，適應(yīng)底板范圍廣，0.168 MPa的接地比壓使其設(shè)備能適應(yīng)軟底板。

(3)據(jù)測(cè)試，掘進(jìn)機(jī)在截割硬度高的砂巖隧洞時(shí)粉塵含量高達(dá)1 000 mg/m2。而懸臂式掘進(jìn)機(jī)除塵噴霧系統(tǒng)采用環(huán)形三層水幕除塵，分內(nèi)、外噴霧水路，內(nèi)噴霧水壓力為3 MPa。外來水經(jīng)一級(jí)過濾后分為兩路，第一路經(jīng)球閥、減壓閥直接通往切割機(jī)構(gòu)，由切割頭內(nèi)噴霧嘴噴出，起到冷卻截齒及滅塵作用，從而有效減少了截割時(shí)產(chǎn)生的粉塵對(duì)操作手的傷害，保證了隧洞中工作人員的身心健康。

(4)裝運(yùn)效率高。第一運(yùn)輸機(jī)位于機(jī)體中部，巖渣裝運(yùn)很容易在鏟板和第一運(yùn)輸機(jī)處卡料，這是制約進(jìn)尺的關(guān)鍵。掘進(jìn)機(jī)第一運(yùn)輸機(jī)前溜槽通過銷軸與鏟板相連，構(gòu)成雙搖桿滑移機(jī)構(gòu)，鏟板轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)第一運(yùn)輸機(jī)實(shí)現(xiàn)隨動(dòng)。采用液壓馬達(dá)直接驅(qū)動(dòng)鏈輪、帶動(dòng)刮板鏈組實(shí)現(xiàn)巖渣料的運(yùn)輸，使巖渣料輸料連續(xù)通暢，卡料次數(shù)減少，進(jìn)而提高了裝運(yùn)效率。

5 結(jié) 語(yǔ)

隨著中國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)步伐的加快，水利、水電與交通等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項(xiàng)目增多，隧洞工程越來越多，加之社會(huì)對(duì)隧洞施工質(zhì)量的要求越來越高，工期越來越短，提高隧洞施工質(zhì)量和工作效率已成為施工單位的迫切需要。隨著施工工藝的發(fā)展，技術(shù)的進(jìn)步，隧洞施工已由過去的半機(jī)械化逐漸發(fā)展到綜合機(jī)械化。實(shí)踐證明：在淺埋、圍巖破碎隧洞施工中，采用懸臂式掘進(jìn)機(jī)在掘進(jìn)中具有靈活性、連續(xù)性的特點(diǎn)。同時(shí)，其在掘進(jìn)時(shí)具有高效、安全的優(yōu)越性能，在國(guó)內(nèi)隧洞工程中已得到愈來愈多的應(yīng)用。毗河供水一期工程總干渠隧洞洞挖采用掘進(jìn)機(jī)施工取得了良好的效果，表明在隧洞施工中采用懸臂式掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)經(jīng)濟(jì)可行。懸臂式掘進(jìn)機(jī)施工不僅施工效率高、斷面成型好，而且可以簡(jiǎn)化施工設(shè)備，節(jié)約人力，特別是其不需要爆破，對(duì)圍巖擾動(dòng)小，施工安全得到了保證。