懸臂式掘進(jìn)機(jī)隧道銑挖施工順序優(yōu)化策略

張玉洪

（中鐵十九局集團(tuán)第七工程有限公司，廣東珠海 519020）

0 引言

隧道工程施工中的干擾因素較多，機(jī)械式掘進(jìn)方式可有效減少對(duì)圍巖的擾動(dòng)影響，避免超欠挖現(xiàn)象。現(xiàn)階段，懸臂式掘進(jìn)機(jī)是重要的隧道施工設(shè)備，銑挖順序?qū)τ谑┕ば?、質(zhì)量、成本的影響都較為顯著[1]。對(duì)此，有必要從懸臂式掘進(jìn)機(jī)的工作特點(diǎn)入手，探討合適的銑挖順序，提出可行的優(yōu)化策略。

1 工程概況

云桂鐵路那吉隧道DK125+465～DK128+420 段主要位于那吉隧道一號(hào)橫洞工區(qū)，巖溶強(qiáng)烈發(fā)育，地表巖洼地密布。隧道建成后已多處發(fā)生嚴(yán)重滲漏水工程病害及承壓水噴涌現(xiàn)象。為避免季節(jié)性強(qiáng)降雨等極端條件下隧道襯砌背后高水壓對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)、道床結(jié)構(gòu)、接觸網(wǎng)等安全不利，影響運(yùn)營(yíng)安全。于DK125+465～DK128+420 段線路右側(cè)增設(shè)泄水洞、集水廊道，加強(qiáng)對(duì)巖溶洼地影響段、施工揭示巖溶發(fā)育地段、滲漏水嚴(yán)重段的地下水截流引排。同時(shí)，為加快施工進(jìn)度，縮短建設(shè)工期，于DK126+960 線路左側(cè)設(shè)置HD3K 橫洞，橫洞下穿正線至線路右側(cè)后通過施工泄水洞。橫洞與泄水洞交于XSD1K126+963.8，交角90°。由于該泄水洞工程緊鄰既有云桂鐵路施工，為防止施工振動(dòng)干擾并保證既有線運(yùn)營(yíng)安全，設(shè)計(jì)采用全斷面機(jī)械開挖。

2 掘進(jìn)開挖作業(yè)方法及工藝

開挖機(jī)械選用XTR6/260 懸臂式掘進(jìn)機(jī)，展開全斷面開挖作業(yè)。為確保施工進(jìn)度，施工過程中掘進(jìn)機(jī)開挖作業(yè)的工藝控制是提高設(shè)備工作效率的關(guān)鍵。

（1）主要流程。啟動(dòng)油泵電機(jī)→運(yùn)行運(yùn)輸機(jī)→星輪轉(zhuǎn)動(dòng)→開動(dòng)截割頭。部分情況下并未提出開動(dòng)裝載的要求，此時(shí)可運(yùn)行油泵電機(jī)，各方面運(yùn)行狀況良好時(shí)再啟動(dòng)截割電機(jī)。不可單獨(dú)啟動(dòng)油泵電機(jī)，其必須與相連接的油泵達(dá)到同步啟動(dòng)狀態(tài)，以便有效供給液壓油。

行走操作：配備左側(cè)手柄和右側(cè)手柄，各自控制特定的方向。若向前推動(dòng)手柄，促使裝置發(fā)生向前行走的動(dòng)作；反之，向后拉時(shí)，則會(huì)帶動(dòng)裝置退后。部分情況下存在彎道轉(zhuǎn)向運(yùn)行需求，要求一個(gè)手柄維持穩(wěn)定（中立位置），在此條件下操作另一手柄，最終靈活完成轉(zhuǎn)彎操作。

鏟板操作：向前推動(dòng)手柄，促使星輪發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)；若再次移動(dòng)手柄，將其退回至零位時(shí)，則隨即停止。

鏟板的升降：通過控制手柄，使鏟板靈活運(yùn)動(dòng)，向前推手柄時(shí)，將使鏟板發(fā)生向上抬起的行為；反之，若向后拉動(dòng)手柄，則會(huì)使鏟板下放。

第一運(yùn)輸機(jī)的操作：此時(shí)可以通過推動(dòng)手柄，達(dá)到調(diào)整運(yùn)輸機(jī)工作狀態(tài)的效果，即前推-正轉(zhuǎn)，后推-反轉(zhuǎn)。

截割頭的操作：推動(dòng)手柄后，對(duì)應(yīng)的截割頭運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生變化，主要對(duì)應(yīng)規(guī)則為右推-向右進(jìn)給、左推-向左進(jìn)給、前推-向上進(jìn)給、后拉-向下進(jìn)給。

截割頭的伸縮：推動(dòng)手柄后，對(duì)應(yīng)的截割頭動(dòng)作發(fā)生變化，主要對(duì)應(yīng)規(guī)則為前推-向前伸出、后推-向后收縮。

后支撐的升降：調(diào)整手柄以達(dá)到變化后支撐升降狀態(tài)的效果，主要關(guān)系為前推-支撐抬起、后推-支撐下降。

（2）截割。以截割頭為主要工具，通過該裝置的移動(dòng)可完成截割處理，形成大致的斷面形狀。但此時(shí)與設(shè)計(jì)尺寸要求存在差距，需通過二次修整的方式進(jìn)一步處理，直至滿足要求為止。①對(duì)于偏軟弱的巖石，此時(shí)的截割處理可采取左右循環(huán)向上的方式；②對(duì)于硬度稍大的巖石，較為合適的是由下而上左右截割；③對(duì)于硬度較大的巖石，則不可強(qiáng)制性截割，首先要處理露出的部分，通過截割周邊的方式使其四周失穩(wěn)，最終該部分發(fā)生墜落。處理后，若得到大塊墜落體，需經(jīng)過進(jìn)一步處理后再裝載，轉(zhuǎn)移到指定區(qū)域。當(dāng)挖掘柱窩時(shí)，必須調(diào)整截割頭使其處于最長(zhǎng)狀態(tài)，下放鏟板使標(biāo)高最低，從而向下掘進(jìn)，此時(shí)截割頭向回收縮，使產(chǎn)生的巖塊移動(dòng)至鏟板處，再將其裝載。

（3）設(shè)備操作者要依據(jù)規(guī)范靈活操作掘進(jìn)機(jī)，否則所得斷面在形狀和尺寸上都將存在偏差。以偏軟弱巖壁的掘進(jìn)為例，經(jīng)過掘進(jìn)作業(yè)后形成的斷面尺寸通常偏大，不僅未達(dá)到設(shè)計(jì)要求，還將帶來工期延長(zhǎng)、材料損耗多的問題；而在硬度較大的巖壁中，最終形成的斷面尺寸則偏小。

（4）噴霧。粉塵控制是重要工作，在掘進(jìn)初期便要開啟截割頭外噴霧控制閥，根據(jù)實(shí)際情況靈活控制水量。若存在特殊需求，則采取內(nèi)、外噴霧并行的方式。

3 掘進(jìn)機(jī)鉆頭結(jié)構(gòu)優(yōu)化

掘進(jìn)機(jī)結(jié)構(gòu)組成中，鉆頭是重要部分，以棱狀結(jié)構(gòu)居多。施工中，若掘進(jìn)機(jī)前向角偏小，將顯著提高鉆頭的鋒利度，鉆進(jìn)時(shí)形成較明顯的應(yīng)力，但容易發(fā)生鉆頭磨損現(xiàn)象；通過增加后向角的方式有助于增強(qiáng)掘進(jìn)機(jī)的耐久性，缺點(diǎn)是鉆頭鋒利度不足，難以高效完成施工作業(yè)[2]。由此表明，前向角和后向角兩者具有相互制約的關(guān)系，如何協(xié)調(diào)是重點(diǎn)問題。對(duì)此，需要從掘進(jìn)機(jī)鉆頭的結(jié)構(gòu)入手，探討其對(duì)于設(shè)備壽命的影響，尋求折中方案。部分掘進(jìn)機(jī)鉆頭結(jié)構(gòu)如圖1 所示，其中，α 是掘進(jìn)機(jī)前向角，β 是掘進(jìn)機(jī)后向角。圍繞圖1 內(nèi)容展開分析，前向角和后向角兩項(xiàng)指標(biāo)并不存在明顯的代數(shù)約束關(guān)系，但可以肯定的是，鉆頭的葉片數(shù)通常為固定值，不會(huì)隨意發(fā)生變化[3]。圖1 中只給出1 個(gè)葉片，下文則圍繞6 葉片鉆頭展開分析。

（1）創(chuàng)建仿真模塊。為探討鉆頭結(jié)構(gòu)和工作效率兩方面所具備的關(guān)聯(lián)，合理優(yōu)化鉆頭結(jié)構(gòu)，使其達(dá)到前向角和后向角相協(xié)調(diào)的狀態(tài)。引入MATLAB 軟件，根據(jù)掘進(jìn)機(jī)鉆頭結(jié)構(gòu)的基本參數(shù)創(chuàng)建設(shè)計(jì)仿真模型。重點(diǎn)考慮α 和β，模擬期間確保兩個(gè)角度的和始終為120°，將其作為角度調(diào)整的約束條件。

圖1 部分掘進(jìn)機(jī)鉆頭結(jié)構(gòu)

（2）仿真結(jié)果。此處將前向角的調(diào)整區(qū)間設(shè)定為1°～120°，分別對(duì)各參數(shù)展開仿真分析。圖2 包含的是50°、70°、108.9°和115°等4 種條件下得到的仿真結(jié)果。根據(jù)圖2 可知：若前向角為50°，此工況下的生產(chǎn)效率為64.71%；當(dāng)角度加大至70°時(shí)，效率提升至84.16%；隨著角度的再次增加，達(dá)到108.9°時(shí)，可以得知其效率為99.12%；最后，若角度達(dá)到115°，此條件下的效率較前一階段存在略微下降，為98.32%?？梢姡?08.9°的工況下帶來的效率最為顯著。

4 銑挖順序優(yōu)化模型

本文以銑挖施工順序?yàn)檠芯繉?duì)象，探討影響因素，創(chuàng)建基于隧道銑挖的優(yōu)化模型。根據(jù)工程常識(shí)可知，銑挖施工順序方案易受到多方面因素的干擾，包含現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件、隧洞斷面規(guī)格（形狀、尺寸）、開挖效率等，在編制銑挖施工順序優(yōu)化方案時(shí)要兼顧多項(xiàng)因素。本次研究的目的在于探討掌子面施工階段最為合適的銑挖施工順序。地質(zhì)條件、斷面規(guī)格以及埋深雖然都是影響因素，但僅僅會(huì)帶來間接影響，最為關(guān)鍵的應(yīng)當(dāng)是隧道穩(wěn)定性和機(jī)械設(shè)備兩方面，因此對(duì)其作進(jìn)一步分析。引入數(shù)值分析方法，對(duì)于隧道穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)方式，可通過拱腳及拱頂兩處的剪切安全度、拱頂豎向位移等指標(biāo)系統(tǒng)性反映。對(duì)于機(jī)械設(shè)備的影響，則考慮掘進(jìn)效率和經(jīng)濟(jì)效益兩個(gè)方面，前者可通過刀盤瞬時(shí)切割速率ICR 有效反映，該值指單位時(shí)間內(nèi)所發(fā)生的巖體切割量。引入比能耗指標(biāo)，即完成銑挖作業(yè)共持續(xù)的時(shí)間以及期間所耗費(fèi)的總能量，用于反映機(jī)械設(shè)備的經(jīng)濟(jì)效益。根據(jù)對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)的分析得知，對(duì)于科學(xué)可行的銑挖施工順序方案，應(yīng)盡可能縮短銑挖持續(xù)時(shí)間，最大限度減少能耗。

圖2 不同前向角對(duì)應(yīng)的效率

5 結(jié)束語

本文以隧道工程為背景，根據(jù)懸臂式掘進(jìn)機(jī)的運(yùn)行特點(diǎn)，結(jié)合實(shí)際情況探討銑挖施工順序優(yōu)化方案。具體從隧道穩(wěn)定、機(jī)械設(shè)備兩個(gè)角度入手，經(jīng)分析后提出具有可行性的銑挖施工順序方案。工程項(xiàng)目中，需要盡可能縮短銑挖時(shí)間并減少能耗，使懸臂式掘進(jìn)機(jī)高效完成銑挖作業(yè)，提高隧道工程項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)效益。