鄂北地區(qū)水資源配置工程復(fù)雜環(huán)境下淺埋隧洞懸臂式掘進(jìn)機(jī)工法研究

饒霈 陳小松 潘亞輝 劉運(yùn)佳

摘要：鄂北地區(qū)水資源配置工程優(yōu)良隧洞為淺埋隧洞，臨近構(gòu)筑物多，附近地質(zhì)條件復(fù)雜，隧洞施工對爆破振動和沉降要求嚴(yán)格。介紹了EBZ200H懸臂式掘進(jìn)機(jī)在優(yōu)良隧洞的應(yīng)用，包括懸臂式掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)法和鉆爆法的工法比選，掘進(jìn)機(jī)設(shè)備選型， 施工方法、進(jìn)度和開挖費(fèi)用分析等。施工實(shí)踐表明，采用懸臂式掘進(jìn)機(jī)施工對圍巖擾動小、施工效率高、技術(shù)合理且經(jīng)濟(jì)效益顯著。

關(guān)鍵詞：淺埋隧洞;隧洞掘進(jìn);懸臂式掘進(jìn)機(jī);鄂北地區(qū)水資源配置工程

中圖法分類號：TV554文獻(xiàn)標(biāo)志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2020.11.007

Abstract： The Youliang tunnel of North Hubei Water Transfer Project is a shallow buried one with lots of structures in the adjacent area and complicated geological conditions， so the construction has strict requirements for blasting vibration and settlement. The application of EBZ200H boom-type roadheader in Youliang tunnel is introduced， including comparison and selection of boom-type roadheader method and drilling and blasting method， selection of tunneling machines， analysis of construction methods， progress and excavation cost. The construction practice showed that the construction of boom-type roadheader had small disturbance on the surrounding rock mass and was highly efficient.So the consturction was technically reasonable with satisfying economical benefits achieved.

Key words： shallow buried tunnel;tunnel drilling; boom-type roadheader; North Hubei Water Transfer Project

1 工程概況

鄂北地區(qū)水資源配置工程（以下簡稱“鄂北工程”）是國務(wù)院確定的172項(xiàng)重大水利工程之一。鄂北工程從丹江口水庫清泉溝隧洞進(jìn)口引水，渠首設(shè)計(jì)引水流量為38 m3/s。優(yōu)良隧洞位于輸水線路樁號C6K131+119.847～131+945段，長度為858.027 m，底板高程120.07～120.01 m，設(shè)計(jì)縱坡為1∶11 000，輸水流量為26.7 m3/s。隧洞斷面為馬蹄形，凈尺寸為6.5 m×6.5 m（寬×高）。

2 工程地質(zhì)條件

優(yōu)良隧洞埋深13.0～14.0 m，上覆巖體厚5～10 m，為淺埋隧洞。圍巖類別為Ⅴ類，極不穩(wěn)定。圍巖為中元古界上巖組（Pt2b）灰綠色、灰白色白云鈉長石英片巖，呈強(qiáng)風(fēng)化～弱風(fēng)化狀。巖體透水率為0.71～3.39 Lu，為微至弱透水。該段圍巖單軸飽和抗壓強(qiáng)度30.7 MPa（弱風(fēng)化），飽和吸水率為0.56%，巖石強(qiáng)度為中硬巖;巖體完整性系數(shù)為0.51～0.54，巖體完整性差;結(jié)構(gòu)面狀態(tài)平直粗糙，裂隙寬度約5 mm;地下水活動狀態(tài)為有滲水或滴水現(xiàn)象;主要節(jié)理裂隙產(chǎn)狀：①片理產(chǎn)狀11°∠42°，隧洞走向121°，片理走向與洞線交角20°左右;②發(fā)育3組裂隙（鉆孔巖芯），傾角分別為20°～30°，40°～50°，70°～90°。

3 優(yōu)良隧洞與臨近構(gòu)筑物分析

優(yōu)良隧洞周邊地質(zhì)環(huán)境較為復(fù)雜，臨近構(gòu)筑物有各類民房、工業(yè)廠房、加氣站及G316國道。對隧洞的線路進(jìn)行經(jīng)濟(jì)、施工難易度等評價(jià)和比選，再根據(jù)施工社會穩(wěn)評報(bào)告，選定優(yōu)良隧洞最終走向。

優(yōu)良隧洞自樁號C6K131+119.847開始進(jìn)洞，在樁號C6K131+231.623處下穿G316國道，繼續(xù)旁穿5層居民房、1層廠房、加氣站、2層廠房、化工廠至樁號131+945出洞（見圖1）。

為保證隧洞施工安全，對優(yōu)良隧洞C6K131+119.847～C6K131+712.875段進(jìn)行超前管棚支護(hù)。 優(yōu)良隧洞與臨近地面構(gòu)筑物相互位置關(guān)系見表1。

4 隧洞施工工法比選

目前，我國常用的隧洞施工工法主要有傳統(tǒng)鉆爆法和掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)法[1]。兩種工法的應(yīng)用均比較成熟，其中，鉆爆法具有資金投入低、對各種地質(zhì)條件適用強(qiáng)、鉆爆速度相對較慢、對臨近環(huán)境擾動較大等特點(diǎn)[2];掘進(jìn)機(jī)法具有一次性投入大、機(jī)械化程度高、掘進(jìn)速度快、施工安全保證度高和對臨近環(huán)境友好等特點(diǎn)[3]。

隧洞掘進(jìn)機(jī)按照作業(yè)面的截割方式可分為全斷面掘進(jìn)機(jī)和部分?jǐn)嗝婢蜻M(jìn)機(jī)。全斷面掘進(jìn)機(jī)一般用于6 km以上的長隧洞施工。部分?jǐn)嗝婢蜻M(jìn)機(jī)是一種集截割、裝載、轉(zhuǎn)運(yùn)運(yùn)輸、行走和噴霧除塵于一體的高度機(jī)械化綜合掘進(jìn)設(shè)備，與全斷面掘進(jìn)機(jī)相比，具有一次性投入少、施工準(zhǔn)備短、多次利用性高、機(jī)體小且靈活性高以及適用于各種大小形狀斷面等優(yōu)點(diǎn)。目前，部分?jǐn)嗝婢蜻M(jìn)機(jī)主要為懸臂式掘進(jìn)機(jī)。

優(yōu)良隧洞臨近構(gòu)筑物較多，考慮鉆爆施工對爆破振動及沉降控制要求高，施工難度大，爆破施工時(shí)影響范圍內(nèi)居民需進(jìn)行搬遷（搬離），協(xié)調(diào)難度大。因此，考慮采用非爆破開挖方式即懸臂式掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行隧洞開挖。同時(shí)，考慮到將整段隧洞全部采用懸臂式掘進(jìn)機(jī)費(fèi)用較高，選擇采用懸臂式掘進(jìn)機(jī)對優(yōu)良隧洞樁號C6K131+120～C6K131+470（共計(jì)350 m）進(jìn)行掘進(jìn)。

5 懸臂式掘進(jìn)機(jī)施工方法

5.1 設(shè)備選型

根據(jù)優(yōu)良隧洞圍巖巖石單軸抗壓強(qiáng)度和隧洞洞徑，選用三一重工EBZ200H懸臂式掘進(jìn)機(jī)（見圖2）。

EBZ200H型懸臂式掘進(jìn)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如下：①整機(jī)質(zhì)量83 t（含二運(yùn)、除塵系統(tǒng)）。②截割范圍，高3.3～4.8 m，寬4.2～6.0 m。③總功率387 kW（含二運(yùn)、除塵系統(tǒng)）。④外形尺寸11.5 m×3.6 m×2.0 m（長×寬×高）。⑤截割電機(jī)功率200，150 kW。⑥最大/經(jīng)濟(jì)截割巖石單項(xiàng)抗壓強(qiáng)度≤90 MPa。⑦爬坡能力為±18°。⑧行走速度0～6.5 m/min。⑨供電電壓1 140 V。⑩需水量和最小冷卻水量分別為120 L/min和30 L/min。

5.2 施工方法

采用懸臂式掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行隧洞開挖時(shí)，通過截割頭沿掌子面滾動，形成對巖面的滾動擠壓，截割頭的截齒克服巖體摩擦阻力，通過旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生切削力進(jìn)行巖石切割，實(shí)現(xiàn)破巖。

（1）EBZ200H型懸臂式掘進(jìn)機(jī)在洞外組裝完成后進(jìn)行整體試運(yùn)轉(zhuǎn)。調(diào)試完成后方可進(jìn)洞掘進(jìn)。進(jìn)口洞外布設(shè)1臺掘進(jìn)機(jī)專用1 250 kVA變壓器。

（2）啟動懸臂式掘進(jìn)機(jī)，依次開動油泵電機(jī)→第1運(yùn)輸機(jī)→星輪→截割頭。優(yōu)良隧洞開挖寬度為8.4 m，采用上下兩臺階法進(jìn)行開挖。掘進(jìn)機(jī)開挖工作面采用橫向反復(fù)式截割，截割時(shí)將截割頭從工作面中間底部進(jìn)刀，左右移動先割出槽窩，然后按照S型或Z型左右循環(huán)向上的截割路線層層截割。

（3）每個(gè)臺階掌子面采用“一次切割成型，二次局部修整”的方式。根據(jù)初次截割的形狀斷面進(jìn)行二次局部精修以達(dá)到設(shè)計(jì)斷面尺寸要求。

（4）掌子面切割后，采用掘進(jìn)機(jī)自帶裝運(yùn)鏟板集渣，經(jīng)第1運(yùn)輸機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)至第2運(yùn)輸機(jī)，第2運(yùn)輸機(jī)直接裝自卸汽車運(yùn)至規(guī)劃渣場。

5.3 進(jìn)度分析

優(yōu)良隧洞圍巖類別為V類，隧洞開挖按照短進(jìn)尺要求，每次循環(huán)開挖長度不得超過1.0 m，隨挖隨襯。EBZ200H型懸臂式掘進(jìn)機(jī)鉆渣速度為0.8～1.0 m3/min。實(shí)行每天3班生產(chǎn)，8 h工作制，日進(jìn)尺約為2.5 m。每月實(shí)際有效工作天數(shù)為25 d，懸臂式掘進(jìn)機(jī)月進(jìn)尺62.5 m。掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)效率是鉆爆法的2.0～2.5倍。懸臂式掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)時(shí)間分析見表2。

6 懸臂式掘進(jìn)機(jī)隧洞開挖費(fèi)用分析

懸臂式掘進(jìn)機(jī)沒有相應(yīng)的臺時(shí)定額和開挖定額，從優(yōu)良隧洞EBZ200H型懸臂式掘進(jìn)機(jī)的掘進(jìn)過程臺時(shí)費(fèi)用組成和隧洞巖石開挖費(fèi)用構(gòu)成2個(gè)方面，對懸臂式掘進(jìn)機(jī)隧洞石方開挖費(fèi)用進(jìn)行分析。

經(jīng)市場咨詢，購買1臺EBZ200H懸臂式掘進(jìn)機(jī)價(jià)格約為380萬，租賃價(jià)格約為20萬元/月。優(yōu)良隧洞350 m掘進(jìn)段總工期10個(gè)月。其中，管棚支護(hù)占2期4個(gè)月，掘進(jìn)機(jī)開挖占2期6個(gè)月，掘進(jìn)機(jī)按10個(gè)月進(jìn)行租賃。因此，臺時(shí)設(shè)備租用費(fèi)=200000×10/（6×24×25）=555.56（元/臺時(shí)）。設(shè)備安裝、調(diào)試及拆除需耗時(shí)15 d，安拆費(fèi)用8萬元。折算每臺時(shí)安裝拆卸費(fèi)=80000/（6×24×25）=22.22（元/臺時(shí)）。機(jī)上操作人員1人，為高級熟練工，消耗1.6工時(shí)。EBZ200H型懸臂式掘進(jìn)機(jī)總功率387 kW（含二運(yùn)、除塵系統(tǒng)），掘進(jìn)機(jī)所耗電量為其額定功率的0.8～0.9倍。折算臺時(shí)耗電量=387×0.85=329（kW·h）。蓄水量為7.2 m3。因此掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)過程中的臺時(shí)費(fèi)用為984.89元/臺時(shí)。

掘進(jìn)機(jī)開挖以磨巖為主，對巖石擾動小，超挖控制很有利。掘進(jìn)機(jī)一般平均徑向超挖量僅為3～5 cm。該工程按照超挖5 cm考慮，隧洞總開挖斷面面積59.09 m2。

按照上述掘進(jìn)機(jī)進(jìn)度分析，掘進(jìn)進(jìn)尺2.5 m/d。每開挖100 m3所需機(jī)械臺班為100/（59.09×2.5/24）=16.25臺時(shí)。掘進(jìn)機(jī)施工時(shí)需5～6人進(jìn)行配合，每開挖100 m3巖石需消耗24個(gè)工時(shí)。掘進(jìn)機(jī)截齒為易耗品，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，每開挖100 m3消耗2～6個(gè)截齒。截齒單價(jià)為500元/個(gè)，本次費(fèi)用測算考慮截齒消耗為4個(gè)。

EBZ200H型懸臂式掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行隧洞石方開挖單價(jià)分析見表3。

7 結(jié) 語

優(yōu)良隧洞EBZ200H型掘進(jìn)機(jī)進(jìn)場日期為2018年8月20日， 8月28日開始掘進(jìn)，組裝級調(diào)試時(shí)間為9 d。

優(yōu)良隧洞掘進(jìn)完工日期為2019年7月3日，總計(jì)掘進(jìn)長度為350 m（C6K131+119.847～C6K131+469.847）;單日最大掘進(jìn)長度為4 m（兩個(gè)循環(huán)），日實(shí)際平均掘進(jìn)長度為2.5 m，月實(shí)際平均進(jìn)尺約為38.0 m。

優(yōu)良隧洞下穿國道，臨近構(gòu)筑物較多，隧洞施工過程中對振動和沉降要求較高，采用懸臂式掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行施工對圍巖擾動小、施工效率高、成型斷面好，技術(shù)合理且經(jīng)濟(jì)效益顯著。

參考文獻(xiàn)：

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（編輯：李 慧）