懸臂式掘進(jìn)機(jī)隧洞開挖施工技術(shù)

程牧春

(廣東水電二局股份有限公司，廣州 511340)

1 研究背景

湖北恩施車壩河水庫引水工程主要為恩施城區(qū)提供水源，引水隧洞為城門洞型無壓引水隧洞，寬約3.8m，高約4.1m，襯砌后內(nèi)凈空斷面為3.0m×3.234m，總長約11.84km，縱坡為-0.1%。隧洞Ⅵ類、V類、Ⅲ類圍巖占比分別為20%、65%、15%，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖性變化大，并具有斷層破碎帶、泥夾層、溶洞溶孔、涌水及滑坡等地質(zhì)缺陷，巖石硬度在15～60MPa之間，且隧洞沿線民居較多。

傳統(tǒng)水工隧洞施工多采用鉆爆法，工序復(fù)雜繁瑣，且安全風(fēng)險極高，對巖層擾動大，超欠挖難以控制[1-2]。為防止爆破施工對施工范圍內(nèi)居民和建(構(gòu))筑物產(chǎn)生不良影響，降低施工風(fēng)險，保證施工質(zhì)量，項目人員在充分調(diào)研的基礎(chǔ)上，采用懸臂式掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行水工隧洞開挖，應(yīng)用過程中主要存在3個方面的困難：①由于項目地質(zhì)和周邊環(huán)境復(fù)雜，施工危險性高；②局部洞段圍巖硬度高，截齒效率大幅度降低，截齒消耗大；③隧洞單向進(jìn)尺約2800m，通風(fēng)排煙困難。

2 施工工藝技術(shù)

2.1 超前地質(zhì)預(yù)報

懸臂式掘進(jìn)機(jī)在作業(yè)前，利用地質(zhì)調(diào)查、地質(zhì)素描、TSP探測、地質(zhì)雷達(dá)、超前水平鉆探等地質(zhì)預(yù)報技術(shù)探測掌子面前方地質(zhì)情況，確保掘進(jìn)施工安全。

懸臂式掘進(jìn)機(jī)隧洞開挖工藝流程圖，見圖1；地質(zhì)預(yù)報計劃，見表1；探測方法及頻率，見表2。

圖1 懸臂式掘進(jìn)機(jī)隧洞開挖工藝流程圖

表1 地質(zhì)預(yù)報計劃

表2 探測方法及頻率

2.2 施工準(zhǔn)備

2.2.1 施工用電

根據(jù)掘進(jìn)設(shè)備的生產(chǎn)工況要求，采用高壓(10kV)電纜進(jìn)洞，洞內(nèi)設(shè)置移動式變電站供電。洞口處設(shè)置高壓配電室，高壓接入點(diǎn)從系統(tǒng)電接入。

XTR4-230型掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行工作電壓為1.14kV，上機(jī)電纜采用礦用移動電纜，型號為MYP-0.6/1.14kV-3×70+1×25，為了保證用電質(zhì)量低壓供電半徑定為300m內(nèi)。洞內(nèi)掘進(jìn)施工，每個工作面附近配置礦用移動變電站1套，受電設(shè)備為掘進(jìn)機(jī)1臺。掘進(jìn)機(jī)供電系統(tǒng)示意圖，見圖2。

圖2 掘進(jìn)機(jī)供電系統(tǒng)示意圖

2.2.2 通風(fēng)設(shè)備安裝

懸臂式掘進(jìn)機(jī)開挖快速、高效，但施工過程中會產(chǎn)生大量粉塵，尤其是在掘進(jìn)超過600m后。本項目采用常規(guī)正壓與豎向通風(fēng)孔聯(lián)合通風(fēng)，有效改善了掘進(jìn)機(jī)作業(yè)環(huán)境。

2×55kW雙極對旋式軸流式通風(fēng)機(jī)布置在隧洞工作面入口附近，通風(fēng)管采用φ800柔性風(fēng)管向工作面供風(fēng)。

以加快隧洞內(nèi)部通風(fēng)速度，減少有毒有害氣體產(chǎn)生的影響，采用型號為XSL7/360的水井鉆機(jī)在隧洞頂部施打直徑為30cm的通風(fēng)孔(每1.3～1.5km施打一個通風(fēng)孔)。

2.2.3 施工排水、供水

巖體在潮濕且不穩(wěn)定狀況下，會導(dǎo)致巖體或泥渣料附在切割頭上造成切割力的損失、掘進(jìn)困難，機(jī)器自身難以行走，從而導(dǎo)致效率低下，因此要做好施工排水措施。

在隧洞口附近修建高位水池，水池容量20m3，可滿足掘進(jìn)機(jī)施工過程中潤滑和降塵用水，在掘進(jìn)機(jī)后側(cè)設(shè)置了臨時集水井，將水抽排到排水溝再集中排放到洞外。

2.2.4 掘進(jìn)機(jī)組裝與調(diào)試

設(shè)備到位后，由廠家人員到隧洞外進(jìn)行安裝后進(jìn)行整機(jī)調(diào)試，試運(yùn)轉(zhuǎn)正常后入洞掘進(jìn)。

2.3 測量放樣

采用全站儀配水準(zhǔn)儀進(jìn)行施工測量。定期檢查、復(fù)測洞軸線，為后期施工質(zhì)量提供保障。每開挖、支護(hù)20m在洞壁及洞頂進(jìn)行標(biāo)記。保證檢測點(diǎn)位穩(wěn)固、隱蔽。將激光導(dǎo)向儀放置于拱頂、拱腳、邊壁等處，在使用過程中每隔三天對設(shè)備進(jìn)行檢測、校準(zhǔn)，避免設(shè)備振動及損傷,以保證放樣精度,從而保障隧洞的準(zhǔn)確貫通。

2.4 掘進(jìn)機(jī)開挖

2.4.1 懸臂式掘進(jìn)機(jī)開挖

啟動掘進(jìn)機(jī)后,呈“S”字形從下向上挖掘。掘進(jìn)時一人操縱掘進(jìn)機(jī)，另一人則作為觀察員，保證掘進(jìn)機(jī)，電纜和出渣車的作業(yè)。完成底部至頂部切割后對掌子面進(jìn)行二次修整，以滿足所設(shè)計截面的要求。

運(yùn)用多種超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)探測掌子面前方隧洞圍巖地質(zhì)情況，根據(jù)巖石硬度的變化選擇掘進(jìn)機(jī)截齒類型。采購了兩種型號的截齒，分別適用于單軸抗壓強(qiáng)度15～30MPa(較軟巖)，30～60MPa(較硬巖)的圍巖。

圍巖單軸抗壓強(qiáng)度超過60MPa后，截齒開挖能力就迅速下降，截齒的消耗也會迅速增大[3]。懸臂挖掘法施工過程中,當(dāng)碰到較硬巖石時(巖石單軸抗壓強(qiáng)度>>60MPa),，用爆破法輔助施工，降低懸臂掘進(jìn)機(jī)施工的難度及減少截齒的消耗量。把每次爆發(fā)藥量分為多段微差爆破,使震動爆發(fā)峰值降低從而達(dá)到減震的目的。鉆爆法主要包括掏槽爆破，輔助爆破和周邊爆破,掏槽爆破產(chǎn)生的震動是最大的，為控制鉆爆法對周邊巖層的影響，同時不影響施工進(jìn)度，具體做法為：在中心核心區(qū)域采用懸臂式掘進(jìn)機(jī)掏槽，形成大的臨空面，余下的采用控制爆破開挖，有效降低隧洞爆破開挖施工震動，經(jīng)監(jiān)測，震動速度(震速<0.1 cm/s)、隧道內(nèi)拱頂下沉、凈空收斂等數(shù)據(jù)都在規(guī)定允許范圍內(nèi)，對周邊民居無影響。懸臂式掘進(jìn)機(jī)掏槽示意圖，見圖3。

圖3 懸臂式掘進(jìn)機(jī)掏槽示意圖

2.4.2 通風(fēng)降塵

開挖過程中全程開啟柔性風(fēng)管，使洞室內(nèi)有害氣體的含量降低至安全區(qū)域，同時，掘進(jìn)機(jī)還利用自身高壓噴射裝置實(shí)現(xiàn)降塵。如采用局部鉆爆法輔助施工，在放炮時停止通風(fēng)排煙，放炮完畢恢復(fù)通風(fēng)排煙。

2.4.3 出渣運(yùn)輸

自卸車運(yùn)渣工作與掘進(jìn)機(jī)挖掘施工同步進(jìn)行。本工程隧洞單個工作面的掘進(jìn)長度>2km，為保證自卸車通行，每隔150～200m設(shè)置1個長20m，寬8.5m的錯車洞。

在各項條件正常的情況下，掘進(jìn)機(jī)工作效率為0.8m/h，每天按8h計算，則可達(dá)到6.4m/d。

2.5 安全處理

清除危石及碎塊，巖面破碎洞段在進(jìn)行安全處置后，先噴一層3cm厚混凝土后再次進(jìn)行安全檢查及處置。清理已開挖洞段松動巖塊。

2.6 支護(hù)

隧洞開挖過程中做初期支護(hù)，貫通后進(jìn)行永久襯砌；如遇到特殊洞段，支護(hù)措施不利于繼續(xù)洞挖進(jìn)尺，則考慮施工局部洞段的永久襯砌。

噴錨支護(hù)與掘進(jìn)施工交替進(jìn)行作業(yè)，Ⅳ、Ⅴ類圍巖除噴錨掛網(wǎng)支護(hù)外還應(yīng)配合鋼拱架加強(qiáng)支護(hù)，必要時還要進(jìn)行超前支護(hù)，確保工作面安全。

2.7 下一循環(huán)

在下一個循環(huán)開始前，項目人員提前對風(fēng)、水、電等臨時設(shè)施運(yùn)行情況進(jìn)行檢查，確保正常運(yùn)行后，進(jìn)行開挖作業(yè)。還應(yīng)特別注意近期供電單位供電情況是否正常，若供電單位有通知停電的情況，及時作出調(diào)整，必要時可提前進(jìn)行發(fā)電施工(因多次停電、送電會影響供電配套設(shè)施的正常運(yùn)行)。

3 總 結(jié)

1)針對水利工程地質(zhì)條件復(fù)雜，巖性變化大等特點(diǎn)，采用“懸臂式掘進(jìn)機(jī)法為主，鉆爆法為輔”的施工技術(shù)，避免了隧洞開挖對沿線居民和建筑物的不利影響，提高了施工效率，為隧道施工的質(zhì)量和安全提供了保障。

2)結(jié)合隧洞實(shí)際情況，運(yùn)用多種地質(zhì)預(yù)報技術(shù)探測掌子面前方地質(zhì)情況，根據(jù)地質(zhì)變化選擇掘進(jìn)機(jī)截齒類型，為隧洞施工安全提供保障，降低截齒損耗，提高掘進(jìn)效率。

3)針對特長隧道開挖，提出常規(guī)正壓與豎向通風(fēng)孔聯(lián)合通風(fēng)，改善懸臂式掘進(jìn)機(jī)作業(yè)環(huán)境，有利于洞內(nèi)作業(yè)人員職業(yè)健康安全。