懸臂掘進(jìn)機(jī)隧道施工研究與應(yīng)用

張楠

（徐州徐工基礎(chǔ)工程機(jī)械有限公司，江蘇徐州221600）

0 引 言

國內(nèi)懸臂掘進(jìn)機(jī)主要應(yīng)用于煤礦井下巷道，少有山體隧道專用的懸臂式掘進(jìn)機(jī)，但各掘進(jìn)機(jī)廠家已陸續(xù)開始重視國內(nèi)山體隧道市場。徐工基礎(chǔ)工程機(jī)械事業(yè)部推出XTR系列山體隧道專用懸臂掘進(jìn)機(jī)，通過近幾年的推廣使用，積累了大量的懸臂式隧道掘進(jìn)機(jī)的使用經(jīng)驗(yàn)。本文對懸臂掘進(jìn)機(jī)隧道施工工藝和施工適應(yīng)性研究進(jìn)行簡單介紹。

1 隧道開挖方式對比

目前國內(nèi)隧道施工方式主要有兩大類[1]：一類是盾構(gòu)法施工，這是我國現(xiàn)有長距離和大斷面地鐵隧道所采用的形式，用盾構(gòu)機(jī)施工，開挖斷面固定，施工成本高，運(yùn)輸組裝不變，適用于長距離隧道等大型工程；另一類是礦山法施工，包括炮掘和懸臂式掘進(jìn)機(jī)施工，國外使用懸臂式掘進(jìn)機(jī)施工已有幾十年的歷史，安全可控，機(jī)動(dòng)靈活，施工效率高。而國內(nèi)公路、鐵路、水利等隧道大都依然采用炮采施工，存在尺寸超差不受控、施工危險(xiǎn)、破壞生態(tài)環(huán)境等問題，且炸藥管控越來越嚴(yán)格，成本高，效率低。炮掘、盾構(gòu)、懸臂掘進(jìn)機(jī)隧道施工優(yōu)劣勢對比如表1所示。

通過對比可看出，隨著懸臂掘進(jìn)機(jī)優(yōu)勢顯著，應(yīng)用范圍亦逐步擴(kuò)大，懸臂式掘進(jìn)機(jī)將成為未來國內(nèi)隧道施工的優(yōu)勢技術(shù)之一。

2 懸臂掘進(jìn)機(jī)施工工藝簡介

懸臂式隧道掘進(jìn)機(jī)是集切割、裝運(yùn)、行走等為一體的聯(lián)合掘進(jìn)設(shè)備，通過機(jī)器前端切割機(jī)構(gòu)的上、下、左、右擺動(dòng)及切割頭旋轉(zhuǎn)破巖，可實(shí)現(xiàn)不同形狀的斷面掘進(jìn)。掘進(jìn)落下的物料通過鏟板裝至第一運(yùn)輸機(jī)運(yùn)到機(jī)器后方，并通過皮帶運(yùn)輸機(jī)或挖機(jī)與卡車配套，將物料運(yùn)至隧道之外?？蓮V泛用于地鐵、礦山、水利等中等隧道全斷面施工[3,5]，也可用于公路、鐵路等大斷面隧道分層施工[2,4]。

表1 隧道開挖方式優(yōu)劣勢對比

2.1 全斷面開挖施工

一面一次成次性開挖——斷型（如圖1）。

圖1 全斷面施工

掘進(jìn)機(jī)在前方施工，機(jī)器后方聯(lián)接第二運(yùn)輸機(jī)，掘進(jìn)機(jī)后的渣料通過第二運(yùn)輸機(jī)掉落于卡車中，卡車穿過支護(hù)臺車將渣料排到隧洞外。

當(dāng)掘進(jìn)機(jī)截割完一個(gè)循環(huán)后，掘進(jìn)機(jī)將支護(hù)臺車挑到掌子面，工人開始支護(hù)噴漿作業(yè)，掘進(jìn)機(jī)后退一定距離?？坑谒淼酪粋?cè)，方便其他車輛的通過。

掘進(jìn)機(jī)出渣方式也可以采用挖機(jī)出料代替第二運(yùn)輸機(jī)。

2.2 上下臺階分層開挖施工

分層開挖——斷面分上下層（如圖2）。

圖2 分層施工

斷面尺寸較大的隧道，可采用懸臂掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行兩臺階開挖，具體開挖步驟如下：

1）上臺階施工。進(jìn)行上臺階斷面的掘進(jìn)開挖，后方采用挖機(jī)、裝載機(jī)或卡車直接接料，將割落的渣料運(yùn)至指定位置。采用掘進(jìn)機(jī)施工，可掘進(jìn)、出渣同步作業(yè)。

上臺階掘進(jìn)一個(gè)循環(huán)（根據(jù)設(shè)計(jì)要求，一般1～3榀拱架）后，掘進(jìn)機(jī)退至后方，支護(hù)臺車、噴錨設(shè)備等移至掌子面，進(jìn)行立拱架、噴漿作業(yè)。

支護(hù)完成后，掘進(jìn)機(jī)行至掌子面，再次進(jìn)行上臺階掘進(jìn)出渣作業(yè)。如此掘進(jìn)出渣、支護(hù)循環(huán)作業(yè)，至上臺階總進(jìn)尺達(dá)到一定步距后，掘進(jìn)機(jī)退至下臺階進(jìn)行作業(yè)。

2）下臺階施工。上臺階開挖后剩余斷面均為下臺階開挖斷面，采用掘進(jìn)機(jī)一次性向前掘進(jìn)至與上臺階總進(jìn)尺相近的距離。后方采用挖機(jī)、裝載機(jī)或卡車直接接料，將割落的渣料運(yùn)至指定位置。下臺階掘進(jìn)時(shí)，支護(hù)臺車、噴錨設(shè)備等移至上臺階掌子面，同步進(jìn)行立拱架、噴漿作業(yè)。下臺階掘進(jìn)完成時(shí)，需留有傾斜便道，用于懸臂式隧道掘進(jìn)機(jī)行至上層進(jìn)行作業(yè)。

下機(jī)臺階掘進(jìn)開挖完成后，掘進(jìn)通過傾斜便道行至上臺階。支護(hù)臺車、噴錨設(shè)備等移至下臺階掌子面，開始進(jìn)行立拱架、噴漿作業(yè)。

掘進(jìn)機(jī)行至上臺階后，再次進(jìn)行上臺階的掘進(jìn)出渣作業(yè)，如此上下臺階交替作業(yè)，完成整個(gè)大斷面隧道的開挖施工。

掘進(jìn)機(jī)開挖循環(huán)流程如圖3所示。

3 懸臂掘進(jìn)機(jī)隧道施工適應(yīng)性研究

3.1 不同巖石工況應(yīng)對措施

3.1.1 硬巖掘進(jìn)

圖3 掘進(jìn)機(jī)開挖循環(huán)流程圖

大面積的無裂隙巖層，可采取以下方式進(jìn)行施工，提高掘進(jìn)效率、降低截齒損耗：1）采用硬巖截割頭配備硬巖型截齒；2）采用鉆脹掘組合工法，釋放巖石應(yīng)力后掘進(jìn)，實(shí)現(xiàn)塊狀截割。

3.1.2 泥巖掘進(jìn)

采用大螺距螺旋線截割頭坡配備長型截齒，防止黏泥糊住切割頭。同時(shí)及時(shí)清理截割頭上的黏泥，避免淤泥干燥后硬化，不易清除，影響施工進(jìn)度。

3.1.3 砂巖掘進(jìn)

掘進(jìn)機(jī)砂巖工況施工容易造成截齒磨損，比普通石灰?guī)r磨損快，效率略有降低。施工時(shí)可采用砂巖專用切割頭，必要時(shí)采用低速切割，降低截齒損耗。

相應(yīng)截割頭如圖4所示。

圖4 硬巖截割頭、泥巖截割頭、砂巖截割頭

3.2 超欠挖控制

掘進(jìn)機(jī)超欠挖控制靈活，施工中可采取以下措施提高施工精度：1）使用激光導(dǎo)向儀定位，施工斷面輪廓清晰可見，如圖5所示；2）使用遙控功能，避免盲區(qū)施工。

3.3 掘進(jìn)施工除塵

掘進(jìn)機(jī)開挖時(shí)持續(xù)產(chǎn)生粉塵，可采取以下措施改善隧道施工環(huán)境，提高施工整體效率：1）增加抽風(fēng)管道；2）全斷面施工采用機(jī)載除塵方式，如圖6所示；3）大斷面分層施工采用履帶式行走除塵車進(jìn)行隧道除塵，如圖7所示。

3.4 自動(dòng)卷纜

自動(dòng)卷纜系統(tǒng)，配合整機(jī)行走自動(dòng)卷進(jìn)、卷出電纜，避免人工拖拽電纜，提高工作效率和安全性，如圖8所示。

3.5 挖機(jī)類履帶底盤

挖機(jī)類行走底盤，更適用于隧道內(nèi)路面行走，如圖9所示。

4 XTR6/260懸臂式隧道掘進(jìn)機(jī)應(yīng)用分析

XTR6/260 懸臂式隧道掘進(jìn)機(jī)已成功應(yīng)用于徐州地鐵3號線銅銅區(qū)間、貴陽地鐵1號線火沙區(qū)間、重慶市政曾家?guī)r隧道、濟(jì)南玉函路地下公路隧道、大瑞鐵路秀嶺隧道、吉爾吉斯南北第二公路隧道等國內(nèi)外重大工程項(xiàng)目，其在硬巖地層、易塌方地層、溶洞地層等重點(diǎn)難點(diǎn)工程施工中發(fā)揮了重要的作用，主要解決的問題如下：

1）以前傳統(tǒng)開挖要6個(gè)人，除碴要十幾個(gè)人，而且要在危險(xiǎn)區(qū)作業(yè)，現(xiàn)在只用2個(gè)人操作機(jī)器，危險(xiǎn)區(qū)不用有人，不使用傳統(tǒng)的爆破法開挖火工品，消除了傳統(tǒng)的重大事故安全隱患；

2）針對多變地層施工效率慢的問題，攻克了多變低層高效截割問題，研究了砂巖、泥巖、大齒座等不同類型截割裝置，保證了隧道的高效施工；

圖5 激光定位

圖6 機(jī)載除塵

圖7 自移式隧道除塵車

圖8 電纜卷纜

圖9 挖機(jī)類履帶

3）針對高溫、含水量大的問題，開發(fā)了水冷、風(fēng)冷雙系統(tǒng)散熱，保證了設(shè)備的連續(xù)作業(yè)，電控系統(tǒng)防水防潮等級全面提升，保證了施工安全；

4）針對粉塵大、環(huán)境惡劣的問題，研制濕式振弦除塵風(fēng)機(jī)，風(fēng)量大、除塵效果好，粉塵污染得到有效控制；

5）采用掘進(jìn)機(jī)施工效率比爆破法增加了30%，取得了單月掘進(jìn)130 m的良好成績；

6）極大降低了對圍巖的擾動(dòng)，有效防止了隧道塌方，掌子面施工也更加圓順，避免了超挖導(dǎo)致脫空的質(zhì)量隱患。

通過大量的施工應(yīng)用統(tǒng)計(jì)，XTR6/260懸臂式隧道掘進(jìn)機(jī)在隧道施工中，針對灰?guī)r不同硬度的截割能力如圖10所示（不同的截割頭及使用的截齒，將導(dǎo)致截齒的損耗量不同，該曲線僅作為參考）。

圖10 施工效率曲線

通過巖石硬度、切削能力、截齒損耗量的關(guān)系圖可得出：在90 MPa以下的巖石施工時(shí)，XTR6/260懸臂式隧道掘進(jìn)機(jī)施工效率高，截齒損耗少；巖石硬度超過90 MPa后，施工效率低，截齒損耗將急劇增加。

5 結(jié) 語

懸臂式隧道掘進(jìn)機(jī)是一款專門針對地鐵、公路、鐵路、水利等中大斷面隧道設(shè)計(jì)的掘進(jìn)設(shè)備，已成功應(yīng)用于地鐵建設(shè)、城市地下空間建設(shè)、公路、鐵路網(wǎng)建設(shè)等工程中, 主要適用于中軟巖（Ⅲa級、IV級、V級圍巖）施工，希望通過以上的介紹和分析，能為隧道施工單位懸臂掘進(jìn)機(jī)選型及施工工序的組織提供參考。