硬巖隧道工程組合掘進(jìn)工法研究與應(yīng)用

韓振,李跟跟,湯鎮(zhèn)

（徐州徐工基礎(chǔ)工程機(jī)械有限公司，江蘇 徐州 221300）

近年，國(guó)內(nèi)隧道工程快速發(fā)展，隨著“一帶一路”的持續(xù)推進(jìn)，大量國(guó)外隧道工程也陸續(xù)開(kāi)工。隨著近年的工程建設(shè)技術(shù)的進(jìn)步，隧道工程建設(shè)規(guī)模和效益都將進(jìn)一步增大，隧道工程設(shè)備迎來(lái)了發(fā)展的黃金階段。

1 懸臂式隧道掘進(jìn)機(jī)弊端

懸臂式隧道掘進(jìn)機(jī)是一種全新的隧道冷開(kāi)挖專(zhuān)用設(shè)備，具有圍巖擾動(dòng)小、開(kāi)挖斷面形狀自由、安全環(huán)保、機(jī)動(dòng)靈活等特點(diǎn)，較國(guó)內(nèi)隧道工程常用的爆破法及盾構(gòu)法施工具有一定優(yōu)勢(shì)，逐漸被廣泛應(yīng)用于水利、地鐵、公路、鐵路等隧道施工。

在國(guó)內(nèi)，徐工集團(tuán)率先對(duì)懸臂式隧道掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行研發(fā)，形成了XTR 系列隧道專(zhuān)用掘進(jìn)機(jī)，并起草制訂了JB/T 13018-2017《懸臂式隧道掘進(jìn)機(jī)》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。產(chǎn)品一經(jīng)推出，便在國(guó)內(nèi)隧道施工市場(chǎng)得到認(rèn)可，但隨著近年的發(fā)展，其硬巖工況截割效率低的弊端也愈加突出，嚴(yán)重制約著懸臂式隧道掘進(jìn)機(jī)的發(fā)展，急需突破這一瓶頸。

在國(guó)外，發(fā)達(dá)國(guó)家已大量使用懸臂式隧道掘進(jìn)機(jī)，但同樣存在硬巖工況施工效率低的問(wèn)題。為此，其硬巖隧道項(xiàng)目周期往往規(guī)劃完成時(shí)間較長(zhǎng)。如何提升懸臂式隧道掘進(jìn)機(jī)的破巖能力，提高硬巖切割效率也是其多年不斷研究探索的難題。

2 懸臂式隧道掘進(jìn)機(jī)切削原理

懸臂式隧道掘進(jìn)機(jī)按破巖切割頭型式主要分為縱軸式、橫軸式兩種，其中國(guó)內(nèi)應(yīng)用較多的是縱軸式。縱軸式掘進(jìn)機(jī)切割頭為菠蘿狀，表面鑲有硬質(zhì)合金截齒，由電動(dòng)機(jī)、減速器串聯(lián)傳動(dòng)，繞懸臂中心線旋轉(zhuǎn)，截割頭上的截齒循環(huán)與巖石直接接觸，在懸臂上下或左右運(yùn)動(dòng)配合下從工作面以擠壓銑削方式進(jìn)行破巖，落入底板的破碎巖石由鏟板星輪機(jī)構(gòu)裝到刮板輸送機(jī)上，轉(zhuǎn)運(yùn)到后續(xù)運(yùn)輸設(shè)備內(nèi)。工作中采用噴水降塵，也可配套除塵風(fēng)機(jī)降塵。設(shè)備采用履帶車(chē)行走。

懸臂式隧道掘進(jìn)機(jī)工作時(shí)，在中軟巖地層施工時(shí)由于巖體存在大量的顯著或隱形裂隙，因而多呈塊狀切割，施工效率較高，截齒損耗相對(duì)較小。但是在硬巖地層施工時(shí)，如圖1 單截齒截割巖石數(shù)值模擬效果所示，多為研磨切割，落料為粉末狀，施工效率低，損耗極大，會(huì)嚴(yán)重影響施工進(jìn)度及成本。因此，國(guó)內(nèi)許多廠家對(duì)懸臂式隧道掘進(jìn)機(jī)截割頭進(jìn)行了大量的研究，建立了截齒排布參數(shù)化模型，并利用編程實(shí)現(xiàn)了截齒排布參數(shù)化設(shè)計(jì)。排布截齒時(shí)，對(duì)切削角及旋轉(zhuǎn)角等進(jìn)行仿真分析，并將截割頭分成球頭段、圓錐段、圓柱段等多個(gè)分段，根據(jù)不同工況進(jìn)行布齒，從而提升切削性能，減少截齒損耗。但是，針對(duì)硬度極高的巖石仍未能實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)、高效的掘進(jìn)切割。

圖1 單截齒截割巖石數(shù)值模擬效果

通過(guò)ANSYS/LS-DYNA 試驗(yàn)?zāi)M，懸臂式隧道掘進(jìn)機(jī)在切削巖石時(shí)，其效率及損耗與巖石硬度、巖體完整性有較大關(guān)系，隨著巖石硬度、巖體完整性的增加，同等設(shè)備情況下的切割能力大幅下降，相應(yīng)的，截齒損耗量大幅提升。

3 GDSC組合掘進(jìn)工法

結(jié)合懸臂式隧道掘進(jìn)機(jī)的破巖切削原理，依據(jù)現(xiàn)有裝備能力，從工藝工法入手，解決超硬巖隧道的掘進(jìn)難題。首先制造巖體裂隙釋放巖石內(nèi)部應(yīng)力，制造裂隙的方式可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件進(jìn)行確定，比如采用液壓劈裂機(jī)劈裂、靜態(tài)二氧化碳爆破等多種方式。然后采用懸臂式隧道掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行切割，此時(shí)可實(shí)現(xiàn)硬巖的塊狀切割，達(dá)到硬巖工況的高效、低成本掘進(jìn)。

GDSC 組合掘進(jìn)工法的四個(gè)主要步驟分別是開(kāi)槽（Groove）、鉆孔（Drill）、漲裂（Split）、掘進(jìn)（Cut），見(jiàn)圖2。

圖2 GDSC組合掘進(jìn)工法

GDSC 組合掘進(jìn)工法的主要步驟及參數(shù)可簡(jiǎn)要?dú)w納總結(jié)如表1。

表1 GDSC組合掘進(jìn)工法施工步驟

GDSC 組合掘進(jìn)工法可推廣性強(qiáng)，根據(jù)不同隧道工況特點(diǎn)，可進(jìn)行靈活運(yùn)用。具體工法方案步驟如下。根據(jù)待施工隧道的特點(diǎn)，做好施工前的準(zhǔn)備后可編制具體施工方案。首先清理施工現(xiàn)場(chǎng)，并調(diào)試懸臂式隧道掘進(jìn)機(jī)、液壓鑿巖鉆機(jī)及液壓劈裂機(jī)等各種施工操作設(shè)備。

1）開(kāi)槽（Groove）采用懸臂式隧道掘進(jìn)機(jī)在將要施工的隧道掌子面的中部或軟巖部位開(kāi)槽，形成漲裂用的臨空槽。開(kāi)槽的深度一般不應(yīng)小于預(yù)期漲裂的深度。當(dāng)然，臨空槽的施工也可以采用其他鑿槽設(shè)備進(jìn)行，如采用潛孔鉆機(jī)或鑿巖機(jī)鉆咬合孔形成臨空槽、巖石鋸片切割裂隙形成臨空槽等，不局限于采用懸臂式隧道掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行掘進(jìn)開(kāi)挖。

2）鉆孔（Drill）在隧道除臨空槽以外的掌子面待切割部分垂直于掌子面鉆分裂孔，由于存在巖石分裂間距，越靠近臨空槽的位置分裂效果越好，越靠近分裂孔的位置分裂效果也越好。相應(yīng)的，越遠(yuǎn)離臨空槽和分裂孔，分裂效果越差，如圖3 所示。因此，可采用平行交錯(cuò)布孔的方法，見(jiàn)圖4，根據(jù)巖石性質(zhì)確定鉆孔的間距，巖石脆性越大，所鉆分裂孔的間距也越大。一般相鄰分裂孔之間的間隔為0.4～1m，鉆孔直徑的大小尺寸（一般45～90mm)根據(jù)漲裂設(shè)備的要求，如采用液壓劈裂機(jī)漲裂，鉆孔深度一般不低于1m。采用平行交錯(cuò)布孔的方法，可以消除前排孔間距中心位置的漲裂殘余，優(yōu)化漲裂效果。前排漲裂后產(chǎn)生的裂隙可起到下一排漲裂所需的臨空槽效果。

圖3 分裂間距

圖4 平行交錯(cuò)布孔法

3）漲裂(Split) 使用液壓劈裂機(jī)進(jìn)行隧道掌子面巖石的漲裂，為了提高液壓劈裂機(jī)的漲裂效率，可使分裂楔形塊朝向臨空槽進(jìn)行漲裂。當(dāng)然，漲裂巖石的方式多種多樣，也可采用二氧化碳靜態(tài)爆破、少量炸藥等代替液壓劈裂機(jī)進(jìn)行巖石漲裂。

4）掘進(jìn)(Cut) 巖石漲裂完成后，因其根部仍與基巖連接在一起，故此難以脫落，但外部巖石已存在大量的裂縫。用懸臂式隧道掘進(jìn)機(jī)進(jìn)一步對(duì)已漲裂巖石部分進(jìn)行掘進(jìn)切割，對(duì)切割落下的渣料進(jìn)行清理，將渣料裝運(yùn)至工程運(yùn)渣車(chē)，從而運(yùn)至隧道之外的指定位置。

致此，采用GDSC 組合掘進(jìn)工法完成了一個(gè)循環(huán)的隧道掘進(jìn)作業(yè)，緊接著完成其他錨固、噴漿等工序后，可進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)的開(kāi)槽-鉆孔-漲裂-掘進(jìn)作業(yè)，從而完成整條隧道的掘進(jìn)成型。

4 靈活應(yīng)用

采用GDSC 組合掘進(jìn)工法進(jìn)行施工作業(yè)時(shí)，應(yīng)依據(jù)不同隧道工況特點(diǎn)可靈活運(yùn)用。比如針對(duì)掌子面上部為軟巖、下部為硬巖的工況，可考慮采用懸臂式隧道掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行分臺(tái)階掘進(jìn)。上臺(tái)階采用懸臂式隧道掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)施工，下臺(tái)階進(jìn)行垂直向下鉆孔，利用下臺(tái)階已掘進(jìn)開(kāi)挖的部分作為臨空槽，向隧道后方進(jìn)行漲裂，從而實(shí)現(xiàn)隧道上下臺(tái)階的同步作業(yè)施工，提升隧道整體的掘進(jìn)成型效率，降低截齒損耗。又比如針對(duì)掌子面下部為軟巖、掌子面上部為硬巖的工況，可先進(jìn)行下部軟巖的截割，從而將已截割的部分作為上部漲裂用的臨空槽，再依次鉆孔、漲裂、掘進(jìn)。再比如進(jìn)行鉆孔時(shí)可一次性鉆進(jìn)多個(gè)漲裂、掘進(jìn)循環(huán)所需的深度，從而簡(jiǎn)化工法的步驟，實(shí)現(xiàn)一次鉆孔、多次掘進(jìn)，提升綜合進(jìn)尺效率。

5 GDSC工法施工機(jī)械

徐州徐工基礎(chǔ)工程機(jī)械有限公司針對(duì)GDSC工法，研發(fā)了一款沖擊鑿巖鉆掘一體機(jī)，可實(shí)現(xiàn)開(kāi)槽、沖擊鑿巖成孔、掘進(jìn)一機(jī)多用，該設(shè)備已在西藏某水利隧道工程進(jìn)行了應(yīng)用，如圖5 所示。也有部分廠家已經(jīng)研究出鉆劈一體機(jī)，可用于GDSC 組合掘進(jìn)工法的第二和第三步驟作業(yè)施工，提升作業(yè)效率。

圖5 沖擊鑿巖鉆掘一體機(jī)

6 結(jié)論

GDSC 組合掘進(jìn)工法操作簡(jiǎn)單、效率高、成本低，安全環(huán)保。經(jīng)寧波某隧道工程施工驗(yàn)證，應(yīng)用該工法進(jìn)行硬巖隧道掘進(jìn)開(kāi)挖，較原懸臂式隧道掘進(jìn)機(jī)研磨截割施工效率提高1 倍以上，截齒損耗降低80%以上。