懸臂式掘進(jìn)機(jī)在小斷面、長(zhǎng)隧洞中的應(yīng)用

王 超， 楊 運(yùn) 鵬， 阿 里 木 江， 劉 金 平

(中國(guó)水利水電第十工程局有限公司 一分局，四川 成都 610072)

1 概 述

隨著國(guó)內(nèi)勞動(dòng)力價(jià)格明顯上漲，地方政府對(duì)爆破器材的管控愈加嚴(yán)格，不僅工期易受影響，而且開(kāi)挖單價(jià)還高(特別是在以軟巖為主的地區(qū)，由于裂隙發(fā)育、巖石較軟、爆破效果不好而導(dǎo)致硬巖區(qū)域的洞挖炸材的消耗要比正常時(shí)高20%及以上)，導(dǎo)致鉆爆法的使用局限性越來(lái)越大[1]。

而對(duì)于在多數(shù)居民聚集區(qū)施工，則不能使用爆破方式開(kāi)挖。對(duì)于此，懸臂式掘進(jìn)機(jī)等非鉆爆法開(kāi)挖方式就得到了廣泛應(yīng)用，從而有效規(guī)避了因鉆爆法帶來(lái)的炸材管控、安全等方面的制約。雖然目前懸臂式掘進(jìn)機(jī)在水利水電工程中的應(yīng)用較少，但由于其具有的優(yōu)越性，相信其會(huì)逐步應(yīng)用到越來(lái)越多的水利工程項(xiàng)目中去。

毗河供水一期工程新生灌區(qū)段渠道總長(zhǎng)度為54.94 km，其中最長(zhǎng)的隧洞為長(zhǎng)溝隧洞，長(zhǎng)度為3 842 m。長(zhǎng)溝隧洞采用城門洞型斷面，呈1/2 000的下坡，設(shè)計(jì)斷面尺寸為：3.5(3.4) m×3.55 m，洞身段采用混凝土襯砌，C20鋼筋混凝土全斷面襯砌。隧洞穿越地貌主要為丘陵，其由侏羅系上統(tǒng)蓬萊鎮(zhèn)組(J3p)等地層的砂巖、頁(yè)巖及粉質(zhì)頁(yè)巖不等厚互層組成；巖層產(chǎn)狀近于水平，巖層傾角大多<5°，屬軟巖～較軟巖；巖體透水性差，一般砂巖為相對(duì)含水層，粉砂質(zhì)泥巖為隔水層，主要為Ⅳ、V類圍巖。

2 施工中的重、難點(diǎn)問(wèn)題分析

(1)長(zhǎng)溝隧洞全長(zhǎng)3 842 m，隧洞斷面僅11.1 m2，屬于小斷面、長(zhǎng)隧洞(L≥2 000 m且S<20 m2)，是新生灌區(qū)的關(guān)鍵線路。

(2)長(zhǎng)溝隧洞的特點(diǎn)是“小”而“長(zhǎng)”。而小斷面無(wú)法在施工中運(yùn)用大型、高效的機(jī)械設(shè)備；長(zhǎng)則受距離限制，給供風(fēng)、供水、供電、排煙、出渣等帶來(lái)一系列困難。

(3)由于隧洞覆蓋層薄，風(fēng)化嚴(yán)重，造成巖石強(qiáng)度低，于成洞不利；由于線路長(zhǎng)、且因前期地質(zhì)勘探工作較粗，涌水資料不詳，給施工方案的選擇和施工帶來(lái)困難[2]。

3 施工方案比選

在不考慮施工支洞的情況下，項(xiàng)目部計(jì)劃從隧洞上下游兩端同時(shí)施工，共有鉆爆施工和掘進(jìn)機(jī)施工兩種方案可供選擇，筆者介紹了從進(jìn)度、安全、質(zhì)量控制、周邊環(huán)境影響等方面進(jìn)行的比較與考慮。

3.1 進(jìn)度方面

鉆爆施工：按單工作面進(jìn)尺120 m/月計(jì)，上下游雙工作面同時(shí)開(kāi)挖，全部完成則需16個(gè)月時(shí)間；襯砌32個(gè)月時(shí)間。以上合計(jì)48個(gè)月，能夠滿足合同工期(48個(gè)月)要求，但基本無(wú)自由時(shí)差。

掘進(jìn)機(jī)施工：按單工作面進(jìn)尺150 m/月計(jì)，上下游雙工作面同時(shí)開(kāi)挖，全部完成則需12.8個(gè)月時(shí)間；襯砌32個(gè)月時(shí)間。以上合計(jì)44.8個(gè)月，小于合同工期(48個(gè)月)且具有一定的自由時(shí)差。

3.2 安全方面

鉆爆施工：必須在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置炸藥庫(kù)，且還需通過(guò)公安消防等部門的驗(yàn)收并對(duì)相關(guān)人員進(jìn)行培訓(xùn)；在炸藥的運(yùn)輸、存儲(chǔ)、使用等環(huán)節(jié)存在難以預(yù)控的風(fēng)險(xiǎn)，一旦發(fā)生，危害極大。目前該地區(qū)火工產(chǎn)品的價(jià)格相對(duì)較高，管理成本高。

掘進(jìn)機(jī)施工：無(wú)需火工產(chǎn)品，僅需高壓供電，而且有專業(yè)的機(jī)械售后服務(wù)。

3.3 質(zhì)量方面

鉆爆施工：該地區(qū)無(wú)導(dǎo)爆索，且光面爆破實(shí)施較困難，易造成隧洞斷面周邊輪廓超、欠挖，特別是在巖層風(fēng)化破碎嚴(yán)重的地方易發(fā)生坍塌。

掘進(jìn)機(jī)施工：具有斷面標(biāo)準(zhǔn)規(guī)則、能連續(xù)作業(yè)、快速施工，安全、勞動(dòng)強(qiáng)度小、對(duì)地層擾動(dòng)小、襯砌支護(hù)質(zhì)量好、通風(fēng)條件好等特點(diǎn)，能有效減少對(duì)圍巖及臨時(shí)支護(hù)的干擾。

3.4 周邊環(huán)境影響方面

鉆爆施工：該隧洞進(jìn)出口及覆蓋層較薄處多為民居民房、電桿、通訊線等，爆破噪聲污染大、振動(dòng)大，對(duì)民房及居民環(huán)境擾動(dòng)較大，安全風(fēng)險(xiǎn)不易控制，拆遷量大。

掘進(jìn)機(jī)施工：噪聲污染小，對(duì)周圍環(huán)境擾動(dòng)較小，安全風(fēng)險(xiǎn)易控制。

3.5 成本方面

針對(duì)該工程實(shí)施成本分析測(cè)算得知：采用掘進(jìn)機(jī)施工其綜合單價(jià)略高于鉆爆法開(kāi)挖。但綜合考慮進(jìn)度、安全、質(zhì)量以及對(duì)周邊環(huán)境影響等多方面并進(jìn)行對(duì)比分析得知：采用掘進(jìn)機(jī)開(kāi)挖明顯優(yōu)于鉆爆法開(kāi)挖。

綜上所述，最終決定選用掘進(jìn)機(jī)施工方案。

4 設(shè)備選型

根據(jù)實(shí)施工程特性，最終決定選擇EBZ160型掘進(jìn)機(jī)，其主要技術(shù)性能參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 EBZ160型掘進(jìn)機(jī)主要技術(shù)性能表

5 掘進(jìn)機(jī)施工

5.1 供電布置

每臺(tái)掘進(jìn)機(jī)需配備專用變壓器，掘進(jìn)機(jī)的工作電壓為1 140 V。根據(jù)對(duì)用電設(shè)備進(jìn)行計(jì)算后為工作面設(shè)置了500 kVA變壓器1臺(tái)(掘進(jìn)機(jī)專用)和630 kVA變壓器1臺(tái)。

由于隧洞線路較長(zhǎng)，當(dāng)隧洞掘進(jìn)超過(guò)一定距離時(shí)造成掌子面電壓降比較大，可能會(huì)出現(xiàn)因電壓損失而造成掘進(jìn)機(jī)自動(dòng)鎖機(jī)現(xiàn)象。為避免此類現(xiàn)象的發(fā)生，特采取高壓進(jìn)洞方案[3]：施工時(shí)，前1 km電源主要由布設(shè)在洞外的變壓器提供；1 km后，高壓進(jìn)洞，每1 000 m變壓器向前移動(dòng)一次。

5.2 施工方法

(1)工藝流程。洞挖施工流程：工作面清理→測(cè)量放線→掘進(jìn)機(jī)施工→石方運(yùn)輸→支護(hù)施工→下一個(gè)循環(huán)。

掘進(jìn)機(jī)施工工藝流程：掘進(jìn)機(jī)切割→同時(shí)鏟板出渣→噴錨支護(hù)或錨網(wǎng)支護(hù)→安全文明施工，掘進(jìn)機(jī)檢修等。

掘進(jìn)機(jī)操作流程：開(kāi)動(dòng)電機(jī)→開(kāi)動(dòng)第一運(yùn)輸機(jī)→開(kāi)動(dòng)星輪→開(kāi)動(dòng)截割頭。

(2)施工工藝。工作面采用“一次截割成形”，即截割頭從工作面中間截面的底部開(kāi)始截割[4]，利用截割部的上下、左右移動(dòng)以及行走功能，按截割規(guī)定的路線使用截割頭掃過(guò)隧洞截面并使其一次成形。截下的石渣由鏟板收集，通過(guò)傳動(dòng)皮帶交由自卸汽車運(yùn)走。具體工藝如下：

①掏槽與擴(kuò)槽。掘進(jìn)從工作面中間截面的底部開(kāi)始截割[4]，截割頭鉆進(jìn)200 mm后進(jìn)行第一次掏槽，然后兩個(gè)截割頭分別向外側(cè)擺動(dòng)300 mm。完成擴(kuò)槽運(yùn)動(dòng)；截割頭再鉆進(jìn)200 mm進(jìn)行第二次掏槽，兩個(gè)截割頭分別向兩側(cè)擺動(dòng)300 mm，完成第二次擴(kuò)槽運(yùn)動(dòng)；截割頭鉆進(jìn)200 mm進(jìn)行第三次掏槽，兩個(gè)截割頭分別向兩側(cè)擺動(dòng)300 mm，完成第三次擴(kuò)槽運(yùn)動(dòng)。掏槽過(guò)程見(jiàn)圖1、2、3。

圖1 第一次掏槽示意圖

圖2 第二次掏槽示意圖

②進(jìn)刀順序。完成掏槽、擴(kuò)槽后，截割頭按照按圖4所示的路線從底部由左向右、由下而上截割。切割時(shí)截割頭最大參與的切割長(zhǎng)度以不超過(guò)700 mm為宜[5]，嚴(yán)禁將整個(gè)截割頭鉆進(jìn)巖壁。一刀平均截深0.6 m，截割一刀的時(shí)間為60～70 min。

圖3 第三次掏槽示意圖

另外，當(dāng)遇到較軟的巖體時(shí)，采用左右循環(huán)向上的截割方法；當(dāng)遇到稍硬的巖體時(shí)，可采用由下而上左右截割的方法。不論采用哪種方法，都應(yīng)盡可能地由下而上進(jìn)行截割；當(dāng)局部遇有硬巖體時(shí)，可先挖掘周圍軟巖、使大塊硬巖墜落，采用適當(dāng)?shù)霓k法處理后再進(jìn)行裝載，以降低掘進(jìn)難度及截齒的消耗量[2]。

③出渣及運(yùn)輸。切削后，采用截割頭將切削下來(lái)的渣裝入第一運(yùn)輸機(jī)，同時(shí)采用第一運(yùn)輸機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)至第二運(yùn)輸機(jī)，由第二運(yùn)輸機(jī)直接裝入出渣車運(yùn)出洞外。

(3)作業(yè)循環(huán)分析。三班生產(chǎn)，8 h工作制。掘進(jìn)時(shí)間進(jìn)度分析情況見(jiàn)表2。

表2 懸臂式掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)時(shí)間進(jìn)度分析表

注：每天平均有效掘進(jìn)時(shí)間按12 h計(jì)，掘進(jìn)速度約為0.5 m/h，日進(jìn)尺約為6 m/d。每月按30 d計(jì)算，實(shí)際有效工作天數(shù)為25 d，月進(jìn)尺約150 m。

5.3 人員配備

懸臂式掘進(jìn)機(jī)對(duì)人員的專業(yè)技能和素養(yǎng)有較高的要求，人員配備情況見(jiàn)表3。

表3 懸臂式掘進(jìn)機(jī)勞動(dòng)組織人員表 /人

5.4 掘進(jìn)機(jī)在初期臨時(shí)支護(hù)中的輔助應(yīng)用

(1)錨桿及掛網(wǎng)：施工人員以掘進(jìn)機(jī)本體上頂為作業(yè)平臺(tái)，不再另行搭設(shè)施工平臺(tái)。

(2)鋼支撐架設(shè)：鋼支撐為預(yù)制工字鋼構(gòu)件，安裝時(shí)，先把鋼支撐頂端弧段放置于掘進(jìn)機(jī)截割頭上并運(yùn)至頂拱安裝位置，然后由人工在掘進(jìn)機(jī)平臺(tái)上將其進(jìn)行臨時(shí)安放固定，待底部?jī)蓚?cè)鋼支撐與其連接好后再收回截割頭。

6 施工中存在的問(wèn)題及采取的對(duì)策

6.1 巖石軟化問(wèn)題

由于長(zhǎng)溝隧洞多為泥巖、遇水軟化，導(dǎo)致掘進(jìn)機(jī)在切割、行走、裝載等方面出現(xiàn)的問(wèn)題比較突出，特別是底板松軟、受水浸泡后泥化現(xiàn)象嚴(yán)重，掘進(jìn)機(jī)行走十分困難。所采取的解決對(duì)策如下：

(1)在隧洞底板可以預(yù)留一定的變形量或采用配套皮帶機(jī)出渣，防止以后底板混凝土超填；

(2)在掘進(jìn)機(jī)行走前，先后退一定距離，在行走的前方鋪設(shè)大徑砂卵石或方木等，為掘進(jìn)機(jī)行走鋪平道路[3]；

(3)洞內(nèi)抽水作業(yè)及時(shí)跟進(jìn)，防止?jié)B水淤積過(guò)多、車輛反復(fù)碾壓導(dǎo)致巖石軟化形成泥漿。

6.2 硬巖問(wèn)題

掘進(jìn)時(shí)可能出現(xiàn)的局部堅(jiān)硬巖石為Ⅲ類圍巖，為保證掘進(jìn)機(jī)經(jīng)濟(jì)安全掘進(jìn)，所采取的解決對(duì)策如下：

(1)進(jìn)行松動(dòng)爆破，只需在巖體內(nèi)形成裂隙，使掘進(jìn)機(jī)能正常開(kāi)展掘進(jìn)工作。該隧洞采取的松動(dòng)爆破：造孔直徑42 mm，φ32乳化炸藥非電雷管爆破，炮眼深度為2～3 m，孔網(wǎng)間距為700～850 mm，炮眼數(shù)目為5～10個(gè)，單耗為0.4～0.56 kg/m3。

(2)若硬巖長(zhǎng)度相對(duì)較長(zhǎng)，可采用爆破施工的方式進(jìn)行。

6.3 職業(yè)健康問(wèn)題

掘進(jìn)機(jī)切割巖層時(shí)產(chǎn)生的粉塵較多，嚴(yán)重影響工人的健康，同時(shí)影響操作手及出渣車輛的視線，所采取的解決對(duì)策如下：

(1)在掘進(jìn)機(jī)臂上安裝除塵風(fēng)機(jī)，將工作面產(chǎn)生的粉塵通過(guò)風(fēng)機(jī)、風(fēng)袋抽出至洞外或工作面噴水降塵，但不可過(guò)量。

(2)洞內(nèi)作業(yè)人員均佩戴防塵面具等勞保防護(hù)設(shè)施用于防護(hù)。

7 結(jié) 語(yǔ)

筆者將懸臂式掘進(jìn)機(jī)在長(zhǎng)溝隧洞中成功應(yīng)用取得的經(jīng)驗(yàn)與鉆爆法相比總結(jié)如下：

(1)懸臂式掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)速度快，特別是在軟巖隧洞中掘進(jìn)速度更快，因其開(kāi)挖斷面相對(duì)規(guī)范，可使鋼支撐、鋼筋網(wǎng)等拼裝快，噴混凝土則可節(jié)省大量時(shí)間。

(2)懸臂式掘進(jìn)機(jī)施工對(duì)圍巖的擾動(dòng)小、超欠挖小，進(jìn)而提高了隧洞的開(kāi)挖質(zhì)量，洞室開(kāi)挖斷面圓順度高，便于噴混凝土支護(hù)，同時(shí)亦提高了初期支護(hù)的質(zhì)量。

(3)懸臂式掘進(jìn)機(jī)與鉆爆法相比，其震動(dòng)小，對(duì)圍巖的擾動(dòng)小，噪音小，不擾民，特別是遇到松軟的巖層亦可保證圍巖的完整性。

(4)目前，懸臂式掘進(jìn)機(jī)在水工隧洞施工中的應(yīng)用還不成熟，存在一定的技術(shù)缺陷，在機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)方面還需要改進(jìn)。

總之，懸臂式掘進(jìn)機(jī)在長(zhǎng)溝隧洞的應(yīng)用為今后特長(zhǎng)引水隧洞施工積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)，在將來(lái)的水利水電工程類似的特長(zhǎng)軟巖隧洞施工中值得借鑒。