懸臂掘進機在抽水蓄能電站洞室開挖中的初步應用研究

張曉波，畢梓淇，李 冰

（河北撫寧抽水蓄能有限公司，河北省秦皇島市 066000）

0 引言

目前，抽水蓄能電站地下施工通常采用“鉆爆法”施工，鉆爆法施工組織簡單容易，適用性強，便于普及應用，但開挖進度較慢（實際月最大開挖進度不超過150m/月），施工安全風險大，施工作業(yè)面環(huán)境極差，對現(xiàn)場施工和管理人員的職業(yè)健康造成很大傷害，施工過程中易因搶進度而忽視施工安全和作業(yè)人員的勞動職業(yè)健康，并引發(fā)勞動安全事故時有發(fā)生[1]。

目前工程建設領域除加強安全教育和技術培訓外，采用先進的生產設備，也是提高安全保障的有效途徑。先進的生產設備可以降低安全事故的發(fā)生概率，并提高勞動作業(yè)人員的安全保護能力，降低工程管理者的管理風險，從而推動工程建設的順利進行。

本文以撫寧抽水蓄能電站為對象，開展懸臂掘進機在地下洞室開挖中的適用性研究，為國內抽水蓄能電站的設計、施工和建設管理注入新的理念，給抽水蓄能電站的建設帶來新思路。

1 懸臂掘進機設備特性及機理

1.1 懸臂掘進機設備特性

懸臂式掘進機屬于部分斷面巖石掘進機類型，是一種能夠實現(xiàn)截割、裝載運輸、自行走及噴霧除塵的聯(lián)合機組[2]。懸臂式掘進機最早在我國煤礦行業(yè)應用，其能同時實現(xiàn)剝離煤巖、裝載運出、自身行走調動以及噴霧除塵等功能（即集切割、裝載、運輸、行走于一身）。

目前在一些水利、公路、鐵路和城市地鐵等工程中，特別是在對周圍環(huán)境復雜、炸藥供應使用有限制的地下工程開挖施工中，尤其是沉降變形、施工噪聲擾民和振動有嚴格限制的市政隧洞工程中，懸臂式掘進機作為一種安全、環(huán)保的非爆破開挖施工設備已得到廣泛的應用，逐步替代了傳統(tǒng)的鉆爆法[3]。

懸臂掘進機施工具備以下優(yōu)點：

（1）可適用于任何斷面形狀的隧道。

（2）可連續(xù)開挖、無爆破震動，對圍巖擾動小、能更自由地決定支護巖石的適當時機，提高工作面的施工安全性。

（3）機械化程度高，降低施工人員作業(yè)強度，改善作業(yè)環(huán)境。

（4）可精確控制開挖面，減少超挖、欠挖，降低工程成本。

（5）設備機動靈活，在隧道中有較大的靈活性，能用于任何支護類型；設備投資少、施工準備時間短和再利用性高。其在硬度較低（抗壓強度90MPa以內）、長度較短的巖石隧道中逐步成為主要的施工設備[4]。

根據(jù)目前懸臂掘進機發(fā)展水平的分析，懸臂掘進機適用于巖石抗壓強度130MPa以下圍巖較為破碎的隧洞開挖，尤其在80～90MPa以內的隧洞開挖中適用性最好，此外懸臂掘進也適用于洞外邊坡有非爆破要求的開挖。

圖1 懸臂式掘進機及主要結構Figure 1 Cantilever roadheader and main structure

1.2 懸臂掘進機截割機理

由巖體的物理機械特性可以得到，巖體的抗壓強度最大，抗剪強度和抗拉強度次之。由此特性可知，在設計懸臂掘進機的過程中，必須考慮到要利用巖石的抗剪強度及抗拉強度較小的特點，在進行巖石的截割與破碎時，要充分利用抗拉強度最小的特點[5]，考慮這些因素進行設計，一方面能夠降低截齒的截割比能耗，提高懸臂掘進機的掘進速度，另一方面可以減輕截齒的磨損，懸臂掘進機的使用壽命也會有所提高。懸臂掘進機施工過程時，截齒截割巖石的破巖機理就是利用截割頭上的截齒將機械作用力作用在巖體表面，進而巖體逐漸分離的過程。截割頭也屬于鉆削或銑削式刀具，在截割的過程中也分為截割運動和進給運動，如圖2所示。但是由于巖石屬于非均質的脆性材料，它的截割破碎過程呈現(xiàn)躍進式特征，以截齒截割巖石的過程為例，把截齒截割巖石的破壞特征分為4個階段：

（1）變形階段，如果把截齒的齒尖看成球體，具有一定的曲率，按赫茲理論剪應力分布，剪應力在接觸點上為零，在離開接觸點到達一定的距離時，剪應力達到最大值，在接觸點的距離繼續(xù)增加時，剪應力開始下降。因此，在接觸面邊界附近的點拉應力最大。

（2）裂紋發(fā)生階段，當截齒的截割力增大時，一旦拉應力大于巖石的抗拉強度，該點的巖石就會裂開，出現(xiàn)部分赫茲裂紋；當接觸點的剪應力大于巖石的抗剪強度時，這個點的巖石就會被錯開，將會出現(xiàn)剪切裂紋源。

（3）切削核形成階段，當切削核繼續(xù)增大時，剪切裂紋將會繼續(xù)增大，會達到自由面與赫茲裂紋相交。在截齒運動的過程中，會帶動巖石內已破碎的巖粉，進而擠壓成密實的切削核，同時向巖壁施加壓力，這時會造成部分巖粉以很大的速度從前刃面與巖石的間隙中射流出去。

（4）崩裂階段，當載荷繼續(xù)增加時，隨著截齒的持續(xù)運動，在切削核封閉的一瞬間，壓力超過一定的規(guī)范值時，巖體就會崩裂，截齒會快速切入，隨之載荷急速下降，此時就完成一次躍進式截割破碎過程。

圖2 截割運動和進給運行Figure 2 Cutting motion and feed operation

2 懸臂掘進機適用性分析

懸臂掘進機一般使用于干抗壓強度較?。ㄒ话阋∮?00MPa）的巖石，經廣泛調研國內外廠家及廣泛收集相關資料，借鑒煤礦行業(yè)中的應用案例，在加拿大墨玉河煤礦主運輸斜井全巖巷道懸臂掘進機開挖硬巖過程中，巖石硬度f12～f15時，平均截齒消耗8.03把/m3，巖石硬度f18時，截齒消耗更高達至10.13把/m3，且實踐發(fā)現(xiàn)巖石硬度f≥10時，截齒消耗會急劇上升[6]，根據(jù)廠家經驗，此類巖石、巖體掘進時機械振動非常嚴重，設備使用壽命會大大降低。另外，巖石結構面發(fā)育、巖石完整性差，巖體呈現(xiàn)為碎裂結構、鑲嵌～塊裂結構，此類條件的洞段雖然巖石強度大，但是巖體本身破碎性好，適用于采用懸臂掘進機開挖。

根據(jù)懸臂掘進機截割機理分析，并參考《硬巖地層懸臂掘進機銑挖施工適應性分析及研究——以貴陽市軌道交通1號線工程為例》等相關研究成果，懸臂掘進機的適用性要綜合考慮巖石的軸抗壓強度（干燥抗壓強度）、巖體結構面的發(fā)育程度（巖石完整性）、巖石的硬度等因素。因此，需對工程的巖性、風化程度、圍巖分類、巖石的完整性以及周圍環(huán)境等方面的條件進行分析統(tǒng)計，綜合判斷懸臂掘進機的適用性。

3 懸臂掘進機施工技術應用研究

以撫寧抽水蓄能電站為例，懸臂掘進機主要應用于Ⅳ～Ⅴ圍巖段，其施工的主要流程為：超前支護—懸臂式掘進機就位—掘進機斷面切割出渣—掘進機退出工作面—鋼拱架支護—噴錨支護—進行下一循環(huán)施工。

在Ⅳ～Ⅴ圍巖段掘進機施工時，需先完成超前支護；待超前支護完成后，懸臂掘進機駛入工作面附近定位，并開始切割施工，切割下來的渣土直接由掘進機自身的皮帶機輸送至掘進機后方，直接裝自卸汽車運至渣場。一個掘進長度完成后，利用掘進機切割頭將初支臺車運至掌子面進行初期支護（鋼拱架架設、噴射混凝土）施工，掘進機則后退至不影響后續(xù)施工的位置等待下一循環(huán)掘進工序。

懸臂掘進機的切割方式是從掃底開始切割，再按S形或Z形左右循環(huán)向上或向下的切割路線逐級切割以上部分。具體施工方式為：懸臂掘進機就位后，開始從掌子面底部水平割出一條槽，向前移動掘進機再一次就位，就位后切割頭采取自上而下或自下而上，左右循環(huán)切削。在切削同時鏟板部耙爪將切削下來的渣裝入第一運輸機，第一運輸機轉運至第二運輸機，第二運輸機直接裝入出渣車運出洞外。從底部開挖到拱部完成后，進行第二次修整到準確設計斷面。當局部遇有硬巖時可先掘進周邊軟巖，使大塊硬巖墜落。

掘進機施工段按照兩班制施工，掘進機施工每班共需3人進行機械操作和指揮，其中：1人負責設備操作及日常維護保養(yǎng)，1人掌子面觀察及協(xié)助指揮、1人搬運或雜活；其他協(xié)助人員6人，主要包括：電纜轉運1人，電工1人，焊工1人，出渣車司機2人，現(xiàn)場協(xié)調調度1人。整個工作面總計需要約9人。

工作面機械配置主要3臺，包括1臺懸臂掘進機，2臺15t自卸汽車。

懸臂掘進機施工方案示意圖如圖3～圖4所示。

圖3 掘進機開挖順序示意圖Figure 3 Schematic diagram of excavation sequence of roadheader

圖4 掘進機施工方法示意圖Figure 4 Schematic diagram of roadheader construction method

4 懸臂掘進機應用技術經濟性分析

4.1 基本直接費

4.1.1 人工費

現(xiàn)場配置輔助工人2名，主要負責現(xiàn)場協(xié)助指揮、搬運或者其他雜活。工資按照每個月10000元考慮，每個月工作25天，每天工作16小時（兩名工人每人輪班8小時）。Ⅳ～Ⅴ類圍巖以每小時完成20m3，以每完成100m3為單位，則人工費直接費計算如下：

4.1.2 材料費

懸臂掘進機施工材料消耗主要包括截齒、水、其他。以每完成100m3為單位，材料費直接費計算如下：

截齒每個單價600元，Ⅳ～Ⅴ類圍巖懸臂掘進機每完成100m3消耗50個。

由于懸臂掘進機施工供水方案同常規(guī)爆破相同，為保持比較口徑一致，故懸臂式掘進機供水單價直接采用1元/m3。懸臂掘進機每小時耗水量為15m3。

零星材料費估列100元。

4.1.3 施工機械臺時費

以每完成100m3為單位，機械臺時費相關費用計算如下：

懸臂掘進機機上駕駛員每個月工資按照20000元考慮，計算原則同輔助工。

懸臂掘進機Ⅳ～Ⅴ類圍巖每完成100m3消耗電量2500kWh。電價為1元/kWh。

懸臂掘進機設備850萬元，修理120萬元，Ⅳ～Ⅴ類圍巖施工機械按照7年折舊。

4.2 其他直接費、間接費、利潤、稅金

其他直接費、間接費、利潤、稅金費率根據(jù)《水電工程費用構成及概（估）算費用標準（2013年版）》計取。

懸臂掘進機施工單價如表1所示。

表1 巖懸臂掘進機開挖（Ⅳ～Ⅴ類圍巖中的巖石完整性差、結構面發(fā)育洞段）Table 1 Excavation by rock cantilever roadheader（poor rock integrity in grade Ⅳ to Ⅴ surrounding rock，development section of structural plane）

根據(jù)上述初判，掘進機在Ⅳ～Ⅴ類圍巖完成100m3費用約為40000元，高于常規(guī)鉆爆約20000元費用。

5 結論及建議

（1）從經濟性上考慮，懸臂掘進機適用于巖石抗壓強度130MPa以下圍巖較為破碎的隧洞開挖，尤其在80～90MPa以內的隧洞開挖中適用性最好。懸臂掘進機主要消耗件為截齒，截齒造價較高，巖石硬度f12～f15時，平均截齒消耗8.03把/m3，巖石硬度f18時，截齒消耗更高達至10.13把/m3，且實踐發(fā)現(xiàn)巖石硬度f≥10時，截齒消耗會急劇上升。另外，根據(jù)廠家經驗，此類巖石、巖體掘進時機械振動非常嚴重，設備使用壽命會大大降低。

（2）從工程管理、勞動安全角度看，懸臂掘進機施工洞段巖石條件差，采用懸臂掘進機開挖可減少擾動，對開挖面附近圍巖整體穩(wěn)定破壞性小，對于施工專業(yè)人員的安全保障性高，涉及安全隱患較大、有禁爆要求的地區(qū)靠考慮應用。

（3）懸臂掘進機具有安全環(huán)保、勞動力需求量少、自動化程度高、無爆破振動、對圍巖擾動小、減少超挖、節(jié)約襯砌費用等優(yōu)點，其適用性要綜合考慮巖石的軸抗壓強度（干燥抗壓強度）、巖體結構面的發(fā)育程度（巖石完整性）、巖石的硬度（石英含量）等因素。因此，需對工程的巖性、風化程度、圍巖分類、巖石的完整性以及周圍環(huán)境等方面的條件進行分析統(tǒng)計，綜合判斷懸臂掘進機的適用性。