懸臂式掘進(jìn)機(jī)在三元水電站二期工程發(fā)電引水隧洞施工中的應(yīng)用

陳 聰，王安源，李 帥

（湖南省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究總院，湖南 長沙 410007）

1 工程概述

三元水電站二期工程位于沅江一級支流酉水干流上，地處湖南龍山縣三元鄉(xiāng)殷家村境內(nèi)，距三元鄉(xiāng)政府0.5 km，距龍山縣城15 km。本工程為以發(fā)電為主，兼顧灌溉、供水等綜合效益的小（Ⅰ）型水利水電樞紐工程。隧洞進(jìn)口位于一期已建進(jìn)水口上游100 m 處，出口廠房位于一期廠房下游約100 m 處，總長約1 km。隧洞橫斷面為城門洞型斷面，開挖洞寬4.4 m，拱段高2.2 m，直段高2.35 m。見圖1。

圖1 三元水電站總平面布置圖

2 工程地質(zhì)

引水隧洞穿越地層巖性主要為灰?guī)r、砂巖及泥質(zhì)粉砂巖，其中Ⅲ類圍巖總長為778.2 m，Ⅳ圍巖總長為237.3 m，Ⅴ類圍巖總長為113 m。地質(zhì)條件及物理指標(biāo)見表1、表2。

表1 引水隧洞地質(zhì)條件表

表2 三元水電站巖體物理力學(xué)綜合指標(biāo)表

3 引水隧洞掘進(jìn)方案選擇

水工隧洞開挖一般采用鉆爆法施工，因本工程引水隧洞路線穿越民居，進(jìn)出口離民居較近，尤其是隧洞出口段民房較多，且距原電站開關(guān)站、前池很近，如果采用鉆爆法施工，將對周邊居民生活造成一定影響，一旦鉆爆施工過程中民居受損，將引發(fā)阻工及補(bǔ)償費(fèi)用談判等難以協(xié)調(diào)的問題，嚴(yán)重影響項(xiàng)目工期（此類情況在本地類似工程中已經(jīng)發(fā)生過）。為減少隧洞掘進(jìn)施工中對居民生活及民房等設(shè)施的影響，避免因隧洞施工開挖而引起與當(dāng)?shù)鼐用裰g的糾紛，為維護(hù)社會(huì)穩(wěn)定，保障隧洞施工順利進(jìn)行，確保施工安全。根據(jù)工程現(xiàn)狀條件綜合考慮各方面因素，業(yè)主最終確定采用懸臂式掘進(jìn)機(jī)施工方案。

4 懸臂式掘進(jìn)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

根據(jù)本工程的地質(zhì)條件及隧洞結(jié)構(gòu)尺寸等情況，經(jīng)分析比較，選用EBZ260 懸臂式掘進(jìn)機(jī)，其主要技術(shù)參數(shù)為：

外形尺寸：13 500 mm×3 600 mm×4 290 mm（長×寬×高）；定位切割范圍6 000 mm×6 200 mm（寬×高）；總功率462 kW；供電電壓：1 140 V；切割硬度≤90 MPa；爬坡能力：±18°；裝載能力4.3 m3/min。掘進(jìn)機(jī)外觀形狀見圖2。

圖2 掘進(jìn)機(jī)外觀形狀圖

5 掘進(jìn)機(jī)工作原理、特點(diǎn)及施工方法

1）工作原理：掘進(jìn)機(jī)是用于開挖地下隧洞的施工機(jī)械。掘進(jìn)機(jī)分為開敞式掘進(jìn)機(jī)和護(hù)盾式掘進(jìn)機(jī)。主要由行走機(jī)構(gòu)、工作機(jī)構(gòu)、裝運(yùn)機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)載機(jī)構(gòu)組成。隨著行走機(jī)構(gòu)向前推進(jìn)，工作機(jī)構(gòu)中的切割頭不斷破碎巖石，并將碎巖運(yùn)走。具有安全、高效和成洞質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)，但造價(jià)相對較高。

2）特點(diǎn)：安全可靠性高；工作效率高；智能程度高，具備齊全的保護(hù)、故障診斷和排故方法顯示；輸入電壓為1 140 V/660 V 雙電壓，適用范圍廣；可維修性好。

3）施工方法：掘進(jìn)機(jī)是采用“S”字型由下往上的開挖方法，首先切割頭在掌子面底部水平切削出一條槽，然后掘進(jìn)機(jī)向前移動(dòng)再一次就位后，切割頭自下而上，左右循環(huán)進(jìn)行切削。掘進(jìn)時(shí)兩名操作人員進(jìn)行聯(lián)合作業(yè)，一人操作掘進(jìn)機(jī)，另一人擔(dān)任觀察手。懸臂式掘進(jìn)機(jī)可通過激光導(dǎo)向儀定位控制開挖斷面尺寸。開挖定位由工作人員在固定點(diǎn)上設(shè)置紅外激光儀，將隧洞開挖控制點(diǎn)投射至掌子面，掘進(jìn)機(jī)操作人員根據(jù)控制點(diǎn)進(jìn)行切割，可有效防止欠超挖。同時(shí)，開挖料通過自帶的鏟板等二運(yùn)設(shè)備直接輸至運(yùn)渣車輛運(yùn)出洞外棄渣場，可節(jié)省洞內(nèi)裝載設(shè)備及其占用空間，有利于提高掘進(jìn)功效。

6 影響掘進(jìn)機(jī)工作效率的主要因素

三元水電站引水隧洞自2018 年3 月正式掘進(jìn)，至2019 年6 月1 日，歷時(shí)386 天，共完成掘進(jìn)進(jìn)尺1 128.5 m，其中，在隧洞樁號SD0+638 處遇溶蝕破碎帶，該洞段臨時(shí)支護(hù)處理近30 天。隧洞開挖采用單向掘進(jìn)，掘進(jìn)初期，由于對設(shè)備性能了解不夠，加之洞內(nèi)地質(zhì)條件較差、斷面小、司機(jī)操作不成熟，以及掘進(jìn)機(jī)器配套設(shè)施不足等原因，平均進(jìn)尺較短。但隨著掘進(jìn)施工的進(jìn)行，工人操作熟練程度的提高，機(jī)器故障減少，日平均進(jìn)尺逐步提高。根據(jù)本工程掘進(jìn)情況，影響掘進(jìn)機(jī)工作效率的主要因素如下：

1）圍巖的強(qiáng)度與節(jié)理發(fā)育程度。巖體的抗壓強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度、整體性等與掘進(jìn)速度有較大關(guān)系。圍巖強(qiáng)度越高掘進(jìn)速度越慢，當(dāng)巖石標(biāo)準(zhǔn)抗壓強(qiáng)度在50～60 MPa 之間、巖性完整，每臺班掘進(jìn)能達(dá)3～4 m；灰?guī)r段巖石標(biāo)準(zhǔn)抗壓強(qiáng)度30～40 MPa 時(shí)，每臺班可掘進(jìn)4～5 m；出口段泥質(zhì)粉砂巖其標(biāo)準(zhǔn)抗壓強(qiáng)度30 MPa 以下，平均每臺班可掘進(jìn)6～7 m，效率較高時(shí)可掘進(jìn)10 m。巖石標(biāo)準(zhǔn)抗壓強(qiáng)度在90 MPa 以上時(shí)掘進(jìn)較慢。

掘進(jìn)機(jī)開挖掘進(jìn)對已開挖洞段周邊圍巖的影響很小，一般情況下掘進(jìn)機(jī)可以在開挖掘進(jìn)的同時(shí)對已開挖洞段進(jìn)行支護(hù)，節(jié)約了臨時(shí)支護(hù)的時(shí)間。但圍巖較破碎，裂隙發(fā)育，遇斷層或滲水情況時(shí)，需完成臨時(shí)支護(hù)，確保施工安全才能向前掘進(jìn)，本工程在SD0+638 處遇斷層破碎帶，待此段完成支護(hù)才向前掘進(jìn)。

2）截齒、截割參數(shù)選取。截齒的失效對掘進(jìn)機(jī)的工作效率影響較大，截齒的類型、截割參數(shù)合理與否是保障掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)速度的關(guān)鍵。選用合理的切割參數(shù)及截齒至關(guān)重要，不同的巖石硬度應(yīng)考慮采用不同截齒參數(shù)切割轉(zhuǎn)速與給進(jìn)量。切割參數(shù)中主要有切割深度、切割速度、給進(jìn)量，通常是巖石硬度高，切割參數(shù)設(shè)置大，反之相反。

截齒損耗與巖石強(qiáng)度大小及截齒本身品質(zhì)有關(guān)，巖石標(biāo)準(zhǔn)抗壓強(qiáng)度越高截齒損耗量越大，故在巖石較硬洞段，選用質(zhì)量較好的合金材料截齒，以提高掘進(jìn)功效。本工程Ⅲ類圍巖截齒損耗約5 個(gè)/m，Ⅳ類圍巖截齒損耗約2.5～3 個(gè)/m，Ⅴ類圍巖約2 個(gè)/m，平均截齒損耗為4 個(gè)/m。

3）圍巖含水率。巖體中的水能降低截齒的溫度，減小截齒與巖石之間的摩擦力，而提高掘進(jìn)效率。進(jìn)水口灰?guī)r段含水率較高約達(dá)20%，掘進(jìn)速度明顯加快，一臺班可掘進(jìn)6～7 m，即掘進(jìn)效率可達(dá)10 m3/h。而在含水率較低約為8%的灰?guī)r段，掘進(jìn)時(shí)截齒與巖石之間的摩擦阻力較大，甚至在開挖掘進(jìn)時(shí)截齒與巖石間摩擦?xí)a(chǎn)生火花，日均截齒損耗上10 多個(gè)，每個(gè)臺班只能掘進(jìn)2 m 左右，掘進(jìn)效率很低。

泥質(zhì)粉砂巖段圍巖含水率主要影響粉塵濃度，出口段泥質(zhì)粉砂巖雖然強(qiáng)度較低較易切割，但含水率低，掘進(jìn)產(chǎn)生的巖粉濃度較大，加之除塵機(jī)及掘進(jìn)機(jī)噴霧除塵設(shè)施配置欠佳，除塵效果不明顯，因粉塵不能及時(shí)排出，影響操作人員視線，其掘進(jìn)效率也較低，一天進(jìn)尺僅有2～3 m。

4）通風(fēng)、除塵設(shè)施配置。懸臂式掘進(jìn)機(jī)本身自帶一套噴霧除塵設(shè)備，但在掘進(jìn)過程中需根據(jù)圍巖的含水率、巖石硬度等情況，更換除塵設(shè)備的功率，保證噴霧除塵效果，從而保障操作人員良好操控，以提高掘進(jìn)速度。

5）日常維修與保養(yǎng)。定期對工程設(shè)備進(jìn)行維修與保養(yǎng)，能提高其使用效率，保證施工進(jìn)度。掘進(jìn)過程中應(yīng)根據(jù)“掘進(jìn)機(jī)日常檢查內(nèi)容表”及“掘進(jìn)機(jī)定期檢查內(nèi)容表”分別進(jìn)行日常檢查及定期檢查。本工程掘進(jìn)過程中掘進(jìn)機(jī)日常維修保養(yǎng)共計(jì)30 天，其中一次大修花費(fèi)15 天。

6）本工程圍巖類別與掘進(jìn)速度、主要耗材對比見表3。

表3 圍巖類別與掘進(jìn)速度、主要耗材對比

7 掘進(jìn)機(jī)開挖費(fèi)用

本工程采用租賃方式，掘進(jìn)機(jī)單價(jià)主要由設(shè)備費(fèi)攤銷、修理及替換設(shè)備費(fèi)、截齒消耗、人工及燃料動(dòng)力消耗等費(fèi)用組成。根據(jù)本工程不同類型圍巖掘進(jìn)時(shí)的截齒等耗材統(tǒng)計(jì)分析，其開挖單價(jià)相差較大，Ⅲ類圍巖開挖單價(jià)約324 元/m3，Ⅳ類圍巖開挖單價(jià)約260 元/m3，Ⅴ類圍巖開挖單價(jià)約210 元/m3。對于Ⅳ類圍巖、Ⅴ類圍巖即中軟巖采用懸臂式掘進(jìn)機(jī)開挖方式比較經(jīng)濟(jì)。若自購設(shè)備，其設(shè)備攤銷費(fèi)用降低，單位造價(jià)相應(yīng)降低。

開挖斷面的大小對掘進(jìn)機(jī)開挖單價(jià)影響較大，斷面過小出渣困難，單價(jià)較高。龍山縣某水廠項(xiàng)目隧洞開挖洞徑2 m，斷面面積約為6.5 m2，其Ⅳ類圍巖開挖單價(jià)約458 元/m3。

8 與傳統(tǒng)鉆爆法相比掘進(jìn)機(jī)開挖優(yōu)勢

1）懸臂式掘進(jìn)機(jī)開挖施工對周邊建筑及民居生活影響少。本工程引水隧洞進(jìn)出口段離民居及原電站壓力前池均較近，且洞頂以上覆蓋巖層較薄，若采用傳統(tǒng)爆破法很可能會(huì)對居民生活及民房等設(shè)施造成影響，從而引起與當(dāng)?shù)鼐用竦募m紛，使補(bǔ)償費(fèi)用大幅增加，而且還可能因協(xié)調(diào)困難，嚴(yán)重延誤工期。

2）與傳統(tǒng)的鉆爆法相比，采用掘進(jìn)機(jī)對成洞周邊圍巖的擾動(dòng)較小，施工更安全，對已開挖或已臨時(shí)支護(hù)完洞段影響小，且開挖面更平整，并能夠更有效控制洞內(nèi)欠超挖量。掛網(wǎng)支護(hù)與圍巖間隙較小，噴射混凝土作業(yè)難度小且易與圍巖緊密，亦能節(jié)省臨時(shí)支護(hù)和襯砌工程量，支護(hù)處理難度不大，費(fèi)用較小。

3）懸臂式掘進(jìn)機(jī)開挖，施工安全性更高，特別是在遭遇不良地質(zhì)情況下，因其操控特性，操作人員不會(huì)貼近掌子面，出現(xiàn)塌陷或涌水突泥等情況時(shí)，操作人員可快速撤離，施工更安全。本工程SD0+638 處遇斷層破碎帶，如果采用鉆爆法爆破，其產(chǎn)生的沖擊波及震動(dòng)可能造成該洞段大面積擊穿塌陷，甚至造成安全事故，事后處理難度大，延誤的工期更長。

本工程采用掘進(jìn)機(jī)開挖，該洞段出現(xiàn)涌水突泥現(xiàn)象，但由于掘進(jìn)機(jī)采用切割頭自下而上，左右循環(huán)由點(diǎn)至面逐步進(jìn)行切削，所以其揭開的范圍較小，涌水速度較慢，出現(xiàn)該情況后，操控人員立即停止掘進(jìn)，并利用掘進(jìn)頭對涌水部位進(jìn)行暫時(shí)封堵，從而避免了大面積塌陷和安全事故，亦為后期斷層破碎帶的處理節(jié)省了投資，耽擱的工期較少。

4）傳統(tǒng)鉆爆法需人工鉆孔裝藥，爆破后的開挖料需配備裝載設(shè)備轉(zhuǎn)運(yùn)洞外，工序多，消耗的工時(shí)較多，工人勞動(dòng)強(qiáng)度較大，工作效率較低。采用掘進(jìn)機(jī)開挖只需熟練工人操作掘進(jìn)機(jī)，開挖料可由其自帶的二運(yùn)設(shè)備直接輸入運(yùn)輸車輛運(yùn)至洞外，人工勞動(dòng)強(qiáng)度低，效率更高，施工人員健康、安全更能得到保障。

5）與傳統(tǒng)鉆爆法相比，能加快工程進(jìn)度?！端そㄖ锏叵麻_挖工程施工規(guī)范》（SL 378-2016）中對水工隧洞開挖的循環(huán)進(jìn)尺有如下規(guī)定：“Ⅰ～Ⅲ類圍巖，采用手風(fēng)鉆造孔時(shí)，循環(huán)進(jìn)尺宜為2.0～4.0 m；采用多臂鉆鉆孔時(shí)，循環(huán)進(jìn)尺宜為3.0～5.0 m。Ⅳ類圍巖，循環(huán)進(jìn)尺宜為1.0～2.0 m；Ⅴ類圍巖，循環(huán)進(jìn)尺宜為0.5～1.0 m”。

取折中值估算采用鉆爆法所需工期約483 天。

本工程懸臂式掘進(jìn)機(jī)開挖，總天數(shù)為386 天，日均進(jìn)尺2.6 m，理論估算，較常規(guī)的鉆爆法施工可節(jié)省工期將近100 天，其產(chǎn)生的發(fā)電效益273.2 萬元，故采用該工法項(xiàng)目效益更顯著。

9 結(jié) 語

隨著我國懸臂式掘進(jìn)機(jī)制造技術(shù)的日趨成熟，對圍巖的適應(yīng)能力得到大幅提高，懸臂式掘進(jìn)機(jī)運(yùn)用越來越廣。但是相對于鉆爆法而言，掘進(jìn)機(jī)依然存在一次性設(shè)備投入較大，對硬巖切割效率低、截齒消耗大等問題，對此，本文根據(jù)懸臂式掘進(jìn)機(jī)在三元水電站二期工程的具體應(yīng)用情況，總結(jié)出一些關(guān)于懸臂式掘進(jìn)機(jī)適用性的評價(jià)，以供其它類似工程參考：

1）懸臂式掘進(jìn)機(jī)適應(yīng)于中小斷面、中軟圍巖的掘進(jìn)開挖。開挖經(jīng)濟(jì)斷面為10～30 m2，開挖經(jīng)濟(jì)洞徑4～8 m，開挖巖石標(biāo)準(zhǔn)抗壓強(qiáng)度小于60 MPa 圍巖較經(jīng)濟(jì)。懸臂式掘進(jìn)機(jī)對地下工程開挖適應(yīng)性強(qiáng)，特別是針對洞頂以上巖石覆蓋較薄及周邊建筑物集中的中小斷面、中軟圍巖隧洞，其在施工進(jìn)度、開挖成本等方面的優(yōu)勢明顯。

2）懸臂式掘進(jìn)機(jī)根據(jù)型號大小，其價(jià)格在300～700 萬元之間，由于該設(shè)備一次性投入費(fèi)用較大，因而對于使用時(shí)間不長的短隧洞施工可考慮設(shè)備租賃。但長隧洞的施工可以將其設(shè)備購置費(fèi)用合理攤銷，實(shí)施單價(jià)降低，可考慮購置。

3）對于某些火工材料管控嚴(yán)格、或存在炸藥供應(yīng)的連續(xù)性及價(jià)格偏高等因素困擾施工單位問題的地區(qū)，采用懸臂式掘進(jìn)機(jī)可以有效規(guī)避這些制約因素，為工程進(jìn)度提供有力的保障。

4）工期可壓縮性好，趕工能力強(qiáng)。同等條件下，懸臂式掘進(jìn)機(jī)將“掘進(jìn)、通風(fēng)、出渣”等工序整合一體，工序簡單，抗干擾能力強(qiáng)，連續(xù)性強(qiáng)，同時(shí)操作人員數(shù)量少，人工消耗小，對于工期緊張的項(xiàng)目可以通過增加操作班組的方式進(jìn)行趕工，效果明顯。

近幾年，隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的快速發(fā)展，懸臂式掘進(jìn)機(jī)在水利水電工程中的應(yīng)用越來越廣泛，尤其是在長隧洞施工中應(yīng)用該機(jī)械的工程越來越多，該工法的推廣，對今后在地下工程開挖施工應(yīng)用具有積極的作用。