懸臂掘進機在隧道開挖施工中的應(yīng)用

李守良

（中鐵十九局集團第五工程有限公司，遼寧大連 116100）

1 隧道開挖方式與傳統(tǒng)開挖對比

當前國內(nèi)隧道開挖主要包含兩大主流方式：盾構(gòu)法隧道施工和礦山法隧道施工，礦山法隧道施工又包括懸臂掘進機施工和鉆爆法施工[2]。

1.1 盾構(gòu)法隧道施工

盾構(gòu)法隧道施工方式主要應(yīng)用于大斷面、長距離的地下交通隧道的施工，盾構(gòu)法隧道施工的優(yōu)勢是施工效率高、掘進一體化程度高、適用于大型的大斷面、長距離隧道開挖施工[3]。缺點是設(shè)備應(yīng)用成本高，開挖斷面固定、靈活適應(yīng)性差，設(shè)備安裝和運輸不便利，施工工藝相對繁瑣。

1.2 鉆爆法隧道施工

鉆爆法隧道施工的優(yōu)勢是施工工藝相對成熟，針對硬巖的開挖成本低，大斷面隧道施工效率高，主要應(yīng)用于水利、鐵路、公路等隧道施工建設(shè)。缺點是施工危險系數(shù)高，施工超差尺寸不可控，易對生態(tài)環(huán)境造成破壞，而且隨著爆破炸藥管控的越發(fā)嚴格，施工成本隨之增加，效率降低。

1.3 懸臂式掘進機隧道施工

懸臂式掘進機隧道施工靈活機動、可靠性強、開挖效率高，既能夠?qū)崿F(xiàn)隧道周圍軟巖的剝離、隧道土渣裝運，還能實現(xiàn)設(shè)備自身的移動及隧道開挖時的噴水降塵，隧洞不間斷開挖的同時，保證開挖過程不會產(chǎn)生爆破及振動。

相比于盾構(gòu)法隧道施工和鉆爆法隧道施工，懸臂式掘進機隧道施工優(yōu)勢較明顯，隨著應(yīng)用水平的提高和應(yīng)用范圍的擴大，懸臂式掘進機隧道施工將在未來的隧道施工中更具優(yōu)勢。

2 懸臂掘進機隧道挖掘施工工藝概述

懸臂式掘進機應(yīng)用于隧道開挖時，是集合隧道挖掘的切割、裝卸、運送等功能于一身的綜合性隧道開挖設(shè)備，通過設(shè)備前方的切割設(shè)備的左、右、上、下切割裝置的有效運動實現(xiàn)對隧道周圍軟巖的剝離，形成不同情況的斷面挖掘。

2.1 不同臺階下的懸臂式掘進機分層開挖施工

針對較大斷面的隧道開挖施工，應(yīng)利用多懸臂式掘進機進行不同臺階上下斷面分層的開挖施工，通過如下實施步驟進行。

（1）上斷面施工。在進行上斷面多懸臂式掘進機開挖施工時，多懸臂式掘進機后側(cè)通過挖掘機及運輸車直接接收廢土，并將剝落的廢土運送至指定區(qū)域。在上斷面掘進施工完成一次循環(huán)后（通常為1～3 榀拱架的設(shè)計標準），懸臂式掘進機移動至后側(cè)，將噴錨設(shè)備及支護臺車駛進撐子面區(qū)域，進行噴漿和立拱架操作。完成支護操作后，懸臂式掘進機移動至撐子面區(qū)域繼續(xù)完成上斷面的掘進及殘土出渣施工。

（2）下斷面施工。除上斷面掘進開挖施工以外的斷面均稱為下斷面，通過多懸臂式掘進機一次掘進開挖至同上斷面步距近似相同的距離，掘進機后側(cè)通過挖掘機及運輸車直接接收廢土，并將剝落的廢土運送至指定區(qū)域。下斷面掘進施工時，將噴錨設(shè)備及支護臺車駛進上斷面撐子面區(qū)域，進行同時立拱架及噴漿施工。在下斷面掘進施工完畢后，應(yīng)留置傾斜行駛通道，以方便多懸臂式掘進機移動至上斷面施工。然后多懸臂式掘進機經(jīng)過傾斜行駛通道移動至上斷面區(qū)域，并將噴錨設(shè)備及支護臺車駛進下斷面，進行噴漿和立拱架操作。

經(jīng)過如此上下斷面往復(fù)交替施工，實現(xiàn)完成大斷面隧道的整體開挖施工。圖1 為不同臺階上下斷面分層的懸臂式掘進機開挖施工圖。

圖1 分層開挖施工

2.2 全斷面下的懸臂式掘進機開挖施工

在多懸臂式掘進機在前側(cè)施工時，設(shè)備后側(cè)連接運輸機進行殘土出渣操作，多懸臂式掘進機剝落的殘土渣料利用運輸機設(shè)備輸送至后側(cè)卡車中，再通過卡車穿過支護臺將殘土渣料送至指定收納位置。當多懸臂式掘進機完成一次循環(huán)施工后，多懸臂式掘進機將支護臺設(shè)備車送至撐子面位置，進行人工噴漿支護施工操作，多懸臂式掘進機退至隧道另一側(cè)的特定位置，以便于其他施工車輛繼續(xù)作業(yè)。全斷面下的懸臂式掘進機開挖施工的殘土出渣操作也可通過挖掘機代替運輸機完成。如圖2 為全斷面一次成形懸臂式掘進機開挖施工圖。

圖2 全斷面開挖施工

3 隧道施工中懸臂掘進機的應(yīng)用性分析

3.1 不同地質(zhì)條件的施工措施分析

（1）砂巖地質(zhì)應(yīng)用懸臂掘進機開挖施工措施。應(yīng)用懸臂掘進機進行砂巖地質(zhì)開挖施工，相比石灰?guī)r地質(zhì)更易引起截齒部件的研磨損耗，從而降低開挖施工效率。所以開挖時應(yīng)使用專門的砂巖切割截齒切割頭，并可在需要時采取低速砂巖切割的方式，以減少對截齒部件的磨損。

（2）泥巖地質(zhì)應(yīng)用懸臂掘進機開挖施工措施。在進行泥巖地質(zhì)開挖施工時，為了防止切割頭部件被泥沙糊住，應(yīng)使用配合長型截齒的大螺距螺旋線截割頭坡。在使用時應(yīng)對截割頭定時清理泥沙操作，以防止泥沙干燥硬化后難以清理，避免影響開挖效率。

（3）硬巖地質(zhì)應(yīng)用懸臂掘進機開挖施工措施。針對面積大的無縫巖層進行開挖施工時，為了有效減少截齒部件磨損，提升開挖效率，應(yīng)用鉆脹掘組合工開挖法并配合使用安裝硬巖型截齒的硬巖截割頭，在有效降低硬巖應(yīng)力后完成硬巖塊狀截割。

3.2 其他應(yīng)用性措施分析

（1）懸臂掘進機除塵措施。懸臂掘進機在進行開挖施工時會產(chǎn)生大量的粉塵，應(yīng)通過有效措施對隧道環(huán)境加以控制，針對大斷面分層開挖方式應(yīng)使用履帶式除塵車進行隧道粉塵清除，針對全斷面開挖方式可應(yīng)用懸臂掘進機自身除塵設(shè)備進行隧道粉塵清除，同時配合抽風(fēng)管路一同使用。

（2）懸臂掘進機的超欠挖控制措施。懸臂掘進機主要通過激光導(dǎo)向儀進行施工輪廓定位，保證開挖斷面定位準確，同時應(yīng)用懸臂掘進機的遙控功能規(guī)避在盲區(qū)條件下施工，保證了超挖控制的精確性和靈活性。

（3）挖機類履帶及自動捐纜措施。懸臂掘進機的挖機類履帶更適合隧道開挖施工的內(nèi)路移動。其自動卷纜裝置能夠配合懸臂掘進機的移動進行電纜的進出，免除了人力進行收放，提高了操作安全性能和施工效率。

4 XTR6/260 型懸臂掘進機的應(yīng)用分析

XTR6/260 型號的隧道懸臂掘進機已在國內(nèi)的大型隧道開挖工程項目中廣泛使用，在易坍塌地質(zhì)、硬巖地質(zhì)、溶洞地質(zhì)等不同復(fù)雜地層發(fā)揮了重要功效。其應(yīng)用過程主要能夠解決以下問題：①面對泥巖、砂巖等復(fù)雜的地質(zhì)結(jié)構(gòu)，針對不同地質(zhì)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)配置不同的截割裝置，實現(xiàn)復(fù)雜地質(zhì)高效截割；②面對傳統(tǒng)隧道開挖、清除殘土等工序需要耗費大量人力，以及開挖操作人員危險作業(yè)的問題，XTR6/260 型隧道懸臂掘進機只需3 名設(shè)備操作人員，而且危險作業(yè)區(qū)無需安排操作人員，無需爆破器材，有效規(guī)避了傳統(tǒng)隧洞開挖的安全隱患；③應(yīng)對施工造成的大量粉塵，配套安裝了濕式振弦除塵設(shè)備，風(fēng)量效果好，具備明顯的除塵效果，有效控制了粉塵污染；④施工效率對比傳統(tǒng)鉆爆法隧道施工有明顯改善，效率提升率可達30%。

據(jù)實際開挖數(shù)據(jù)統(tǒng)計，XTR6/260 型隧道懸臂掘進機對不同硬度等級的灰?guī)r開挖能力如圖3 所示。根據(jù)切削能力、巖石硬度及截齒損耗等變量形成的開挖效率曲線可知，XTR6/260型隧道懸臂掘進機在低于90 MPa 硬巖硬度開挖時效率較高，截齒磨損低；高于90 MPa 硬巖硬度開挖時效率較低，截齒磨損較大。

圖3 灰?guī)r開挖效率曲線

5 結(jié)語

應(yīng)用懸臂式掘進機進行鐵路、水利等工程的隧洞開挖具有較高的適應(yīng)性和靈活性，能夠應(yīng)用于多種不同的支護模式和斷面的挖掘，開挖效率高，具備后續(xù)施工改良、有效節(jié)約成本的優(yōu)勢。圍繞懸臂掘進機在隧道開挖施工中的應(yīng)用展開研究，旨在為隧道開挖工程技術(shù)、管理能力提升提供借鑒。