懸臂式掘進機在水工隧洞開挖中的運用和研究

鄧 蘇

(貴州省水利投資(集團)有限責任公司，貴陽 550000)

1 工程概況

黃家灣水利樞紐工程在我國貴州省安順市南部紫云縣境內(nèi)，壩址位于珠江流域紅水河一級支流格凸河中游河段，為綜合利用的水利樞紐工程，主要任務(wù)是以城鄉(xiāng)生活和工業(yè)供水、農(nóng)業(yè)灌溉為主，并結(jié)合發(fā)電；水庫庫容為15720萬m3，建成后年供水量9321萬m3，電站總裝機容量為2.4萬kW，多年平均發(fā)電量為5630萬kW·h，工程為Ц等大(2)型工程。

2 隧洞施工條件

文章所述的3條隧洞，為黃家灣水利樞紐工程灌區(qū)干渠下壩田2#隧洞、新老院隧洞及樓梯田隧洞，均為城門型無壓隧洞，開挖斷面尺寸為3.7m×3.9m(寬×高)，其具體施工條件如下：

2.1 下壩田2#隧洞

下壩田2#隧洞穿越一山脊，全長1177m，埋深在7-99.7m之間。整條隧洞圍巖主要以砂泥巖為主，圍巖類別為Ⅳ-Ⅴ類，地下水中等活躍，圍巖自穩(wěn)性較差。其中，洞室樁號0+273.5m-0+301.5m處于惠興高速K66+600m的下方，隧洞軸線與高速公路成53°相交，拱頂距離高速公路路面高差僅為53m。綜合考慮下壩田2#隧洞下穿高速公路開挖影響范圍為洞0+252m-0+344m ，共92m。

2.2 新老院隧洞

隧洞結(jié)構(gòu)為城門型無壓洞，洞身全長74.5m，埋深在3.5-14.8m之間，埋深較淺。洞身圍巖結(jié)構(gòu)是以砂泥巖為主，呈互層狀結(jié)構(gòu)，圍巖極不穩(wěn)定，屬于V類圍巖結(jié)構(gòu)，成洞條件較差，本洞室不具備爆開挖施工條件。

2.3 樓梯田隧洞

隧洞結(jié)構(gòu)為城門型無壓隧洞，洞身全長783m，埋深在3-73m之間，地下水活動輕微至中等。洞身圍巖結(jié)構(gòu)以砂泥巖為主，呈互層狀結(jié)構(gòu)，圍巖極不穩(wěn)定，屬于V類圍巖結(jié)構(gòu)，成洞條件較差。 其中，隧洞軸線與惠興高速公路成71°相交，拱頂距離高速公路路面高差僅為30m。綜合考慮，樓梯田隧洞下穿高速公路開挖影響范圍為洞 0+618.5m-0+708.5m，共90m。

鑒于上述原因，下壩田2#隧洞、樓梯田隧洞及新老院隧洞局部洞段不能采用常規(guī)爆破施工，只能采取冷開挖處理方式。結(jié)合工程實際，分析研究后對上述幾條隧洞采取了懸臂式掘進機開挖方式，掘進機型號為EBZ260型。

3 EBZ260型懸臂式掘進機簡介

懸臂式掘進機早期主要用于煤礦開采，可適用于任何斷面開挖，具有連續(xù)開挖、無爆破震動及更自由地決定支護圍巖的的特點，可對洞室成形更精細控制，減少洞室超挖。文章所述的EBZ260型懸臂式掘進機由煤炭科學研究總院山西煤裝備有限公司設(shè)計制造，具有整機噸位大、切割硬度高、截齒損耗小、機器穩(wěn)定性好及除塵效率高等特點[1]。

EBZ260型懸臂式掘進機長12.5m，機高2.19m，機寬3.65m，可掘進寬度6m，最大高度5m，適應(yīng)于坡度±18°作業(yè)條件，開挖巖石硬度在90MP以內(nèi)，可掘進任意斷面形式的洞室，而文章所述的幾條隧洞開挖段面均為3.7m×3.9m(寬×高)的城門洞型隧洞，底板坡度為1/1500，圍巖主要為Ⅳ-Ⅴ類，技術(shù)層面完全具備采用懸臂式掘進機作業(yè)條件，其中鑒于洞室結(jié)構(gòu)寬度僅為3.7m(掘進機寬度3.65m)，為滿足施工通道需要，對掘進機開挖洞段兩側(cè)分別擴挖50cm，開挖斷面調(diào)整為4.7m×3.9m(寬×高)，以滿足現(xiàn)場施工通道需要。

4 懸臂式掘進機進行洞室開挖主要注意事項

針對下壩田2#、新老院等隧洞采取懸臂式掘進機施工，從安全和質(zhì)量等綜合考慮，主要從以下幾方面做好控制：

4.1 進口開挖

1)洞口巖石開挖面、邊坡均要求加以修整或清除松散和突出巖石，使其處于安全狀態(tài)。對下壩田1#隧洞和新老院隧洞進出口永久邊坡或?qū)⒁獫不炷恋膸r石表面都應(yīng)采用破碎錘或掘進機冷開挖。

2)洞口開挖必須按施工圖紙的開挖線及坡度自上而下分層進行，嚴禁上下垂直作業(yè)。開挖前，應(yīng)做好開挖范圍以外一定范圍的危石清理和坡頂排水工作，隨著坡面開挖，應(yīng)做好危石清理、坡面加固、馬道開挖及排水等工作，支護及時跟進[2]。

3)進洞前，須對洞臉巖體或襯砌進行鑒定，確認穩(wěn)定后，方可開挖洞口。

4)隧洞進出口開挖支護及隧洞進行鎖口后方能開展隧洞洞身施工。

4.2 隧洞洞身掘進

1)新老院隧洞全洞及下壩田2#隧洞、樓梯田隧洞下穿高速公路影響段開挖均應(yīng)采用懸臂式掘進機冷開挖技術(shù)。針對不同圍巖類別、地層結(jié)構(gòu)，施工單位須進行掘進機開挖生產(chǎn)性試驗，提出合理的掘進機開挖工藝。

2)懸臂式掘進機在軟弱結(jié)構(gòu)面、小斷層交匯處、裂隙密集帶、擠壓破碎帶、地下水出活躍圍巖中開挖洞室時，宜采用先護后挖或短進尺勤支護措施，并應(yīng)做好施工排水。

3)懸臂式掘進機開挖在遇較硬巖層時，不宜強行截割，對于有部分露頭的硬巖，先截割其周圍部分，使其墜落，宜解體后再進行裝載[3]。

4)隧洞的巖石表面應(yīng)予以清除，采用剝離、撬挖等清除開挖線以外的所有松動巖塊或破碎巖石。在施工過程中，應(yīng)經(jīng)常檢查已開挖洞段的圍巖穩(wěn)定情況，清撬可能塌落的松動巖塊，以確保進入洞內(nèi)的人員和設(shè)備的安全。

5)隧洞開挖后的巖石開挖面，在進行支護或混凝土襯砌前應(yīng)用高壓水或用高壓風清理干凈，并清除巖石碎片、塵埃、碎屑和爆破泥粉，以便查清圍巖中的軟弱結(jié)構(gòu)面，并供地質(zhì)編錄及采取支護措施。清理作業(yè)應(yīng)與開挖進度合理協(xié)調(diào)，清理面到工作面應(yīng)保持適當?shù)木嚯x，一般要求10-15m。

6)隧洞平交口的開挖：應(yīng)先期進行鎖口等必要的安全支護，以確保洞口圍巖穩(wěn)定。

平交口開挖應(yīng)按照短進尺、勤支護的原則施工；平交口支護應(yīng)緊跟開挖作業(yè)面，根據(jù)開挖揭露的地質(zhì)條件，采用長錨桿、鋼筋網(wǎng)噴混凝土、鋼支撐、混凝土襯砌等方式進行安全支護，支護范圍要大于平交口應(yīng)力影響區(qū)域(一般平交口弧線外6m左右)。平交口施工應(yīng)盡量減小對主洞運行的影響[4]。質(zhì)點振動速度滿足規(guī)范的要求。平交口施工過程中，根據(jù)具體情況進行必要的安全監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析成果，指導開挖、支護。

7)超前地質(zhì)預報：根據(jù)開挖揭露地質(zhì)條件，依托現(xiàn)代高科技手段，必要時合理利用地質(zhì)雷達進行探測，以便提前做好不良地質(zhì)條件應(yīng)對處置。

8)洞室開挖過程中，底板預留50cm左右保護層，同時因掘進機切割頭為圓形，邊墻與底板相交處不能形成直角，需后期采取人工進行開挖成型。

5 施工成效分析和研究

5.1 洞室掘進前生產(chǎn)性試驗

根據(jù)EBZ260型懸臂式掘進機鉆頭施工特性，其鉆頭只能掘進巖石硬度<90MP的巖體，為確?，F(xiàn)場施工順利進行，施工時要求施工單位在樓梯田隧洞起始開挖段面開展了生產(chǎn)性試驗，具體如下：

施工單位在樓梯田隧洞起始掘進斷面0+618.5m取3組圍巖芯樣進行抗壓試驗，其值分別為51MP、55MP、59MP，平均強度約55MPa，根據(jù)掌子面圍巖完整程度，判定為Ⅳ類圍巖。現(xiàn)場生產(chǎn)性試驗掘進進尺統(tǒng)計表明，在圍巖強度約50-70MP時，掘進機每循環(huán)進尺為1.5m，其用時僅為2h左右，施工效率較高，其中有0.5h主要用在洞室體型修整控制。

5.2 施工進度分析

樓梯田隧洞掘進機開挖洞段長90m，實際掘進機2019年5月1日進場，2019年6月25日完成施工，共56天。其中，2019年5月15日-2019年5月31日，其中由于地質(zhì)缺陷原因出現(xiàn)塌方溶腔致使處理溶腔17天，大部分洞段為Ⅴ類圍巖，其支護形式需采取工字鋼加強支護，大大加長了支護工序時間，因地質(zhì)缺陷原因降低了掘進機施工效率。

新老院隧洞全長74.5m，2019年7月16日-2019年8月26日完成施工，總歷時41d。其中，2019年8月4日-2019年8月17日掘進機施工遭遇完整性較好砂巖，通過現(xiàn)場試驗其強度高達100MP左右(超出掘進機有效開挖強度范圍)，歷時14d僅完成約10m進尺，施工效率降低，其間掘進機鉆頭和鉆桿消耗較大，成本相對較高。

從上述施工進度分析和統(tǒng)計來看，掘進機施工進度最有利條件為圍巖強度在40MP-70MP范圍，完整性相對較好的Ⅳ類圍巖時，施工效率較高，理想情況下單日施工進尺可達到5-6m。同時鑒于水利工程隧洞開挖地質(zhì)條件復雜性和不可預見性，局部洞段可能出現(xiàn)硬度較高的圍巖，使用掘進機時需提前備好鉆頭和鉆桿等易損配件，最大限度減小易損備品備件更換對工程建設(shè)造成的影響。

5.3 施工質(zhì)量控制情況

通過對上述3條已完成掘進施工的洞室質(zhì)量檢查，通過對掘進開挖段超欠挖及洞軸線測量復核，未發(fā)現(xiàn)欠挖情況，超挖均未超過10cm，滿足設(shè)計及規(guī)范要求“超挖不超過20cm”，隧洞軸線偏差<3cm，滿足設(shè)計及規(guī)范要求“偏差值<5cm”。掘進機開挖未損害巖體的完整性，開挖面無明顯裂隙，洞室壁面上無殘留的松動巖塊和可能塌落危石碎塊，滿足設(shè)計及規(guī)范要求。

掘進機開挖有效提升了洞室體型開挖質(zhì)量，為支護質(zhì)量提供了可靠的保障。洞室開挖面比較平順，鋼架緊貼巖面，安裝尺寸、垂直度、間距均滿足設(shè)計及規(guī)范要求。有效減小了后續(xù)洞室混凝土襯砌超填工程量，降低了施工單位成本。

6 結(jié) 論

通過本次黃家灣水利樞紐工程隧道工程施工分析和研究，在不同隧洞開挖工作中，通過前期的地質(zhì)條件勘查和分析，采取了針對性水工隧洞開挖方式，使用懸臂式掘進機所表現(xiàn)出的掘進工作效果非常明顯，提高了系統(tǒng)工程的開發(fā)工作效率和穩(wěn)定性。后續(xù)，在圍巖硬度40MP-70MP且完整性相對較好的Ⅳ類圍巖可大范圍推廣使用，能有效縮短洞室開挖施工工期，有效控制洞室開超挖增加的混凝土回填工程量。此外，鑒于水利工程地質(zhì)復雜性，前期勘探深度一定程度上不能完全滿足現(xiàn)場施工要求，若遇到圍巖硬度大于90MP時，可采用局部小藥量爆破輔助掘進機施工，可大大提高施工效率。懸臂式掘進機在黃家灣水利樞紐工程水工隧洞開挖中的運用經(jīng)驗累積，為后續(xù)同類型條件下水工隧洞開挖提供了借鑒依據(jù)。