懸臂式掘進(jìn)機(jī)在深埋軟巖隧道開挖中的應(yīng)用研究

摘 要：目前國內(nèi)交通、水利等領(lǐng)域?qū)﹂L大隧道的需求不斷增大，出現(xiàn)大量深埋軟巖隧道，傳統(tǒng)的鉆爆法不適應(yīng)深埋軟巖隧道的開挖，機(jī)械開挖避免爆破振動(dòng)效應(yīng)對(duì)圍巖的不利影響，更有利于軟巖隧道圍巖與支護(hù)的穩(wěn)定。近年來懸臂式掘進(jìn)機(jī)截割功率不斷增大，截割與出渣同步，功能愈加全面，在軟巖隧道開挖中展示出明顯優(yōu)勢(shì)。懸臂式掘進(jìn)機(jī)在深埋軟巖隧道開挖中的應(yīng)用，總結(jié)懸臂式掘進(jìn)機(jī)的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：懸臂式掘進(jìn)機(jī);軟巖隧道;隧道開挖;截割

中圖分類號(hào)：U45? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：2096-6903（2022）07-0056-03

0 引言

懸臂式掘進(jìn)機(jī)目前主要應(yīng)用在煤礦巷道掘進(jìn)施工中，而在公路隧道施工中較少使用。山嶺隧道目前主要采用鉆爆法開挖，爆破振動(dòng)效應(yīng)會(huì)對(duì)圍巖產(chǎn)生較大的影響，尤其是深埋軟巖隧道，在爆破作用下，圍巖松動(dòng)圈半徑更大。為避免爆破對(duì)圍巖的擾動(dòng)，部分軟巖隧道采用挖掘機(jī)開挖，然而挖掘機(jī)破巖效率較低、較硬巖挖掘機(jī)破巖困難。目前，懸臂式掘進(jìn)機(jī)不斷向重型化發(fā)展，截割功率增加，破巖效率不斷提高，大量應(yīng)用于煤礦巷道掘進(jìn)施工中，而在山嶺隧道中的應(yīng)用較少。

四川省樂漢高速豹貍崗特長隧道全線為V級(jí)圍巖，為擠壓大變形隧道，采用鉆爆法開挖段二襯開裂破壞嚴(yán)重，后采用挖掘機(jī)破巖，施工進(jìn)度緩慢。在引進(jìn)懸臂式掘進(jìn)機(jī)（型號(hào)EBZ260）開挖后，大大提高了施工進(jìn)度，為保證隧道按時(shí)貫通打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。本文就懸臂掘進(jìn)機(jī)在深埋軟巖隧道開挖中的應(yīng)用做總結(jié)分析。

1 懸臂式掘進(jìn)機(jī)性能特點(diǎn)

懸臂式掘進(jìn)機(jī)是一種可以實(shí)現(xiàn)巖體截割、轉(zhuǎn)載、噴霧除塵以及履帶行走等多功能為一體的機(jī)械，由支撐結(jié)構(gòu)、行動(dòng)結(jié)構(gòu)、本體結(jié)構(gòu)、切割結(jié)構(gòu)、裝運(yùn)結(jié)構(gòu)以及電控系統(tǒng)組成[1]。根據(jù)截割頭布置方式的不同，將懸臂式掘進(jìn)機(jī)分為縱軸式掘進(jìn)機(jī)和橫軸式掘進(jìn)機(jī);根據(jù)巖石抗壓強(qiáng)度的適用性可分為半煤巖掘進(jìn)機(jī)（巖石單軸抗壓強(qiáng)度小于60 MPa）和硬巖掘進(jìn)機(jī)（單軸抗壓強(qiáng)度為60～150 MPa）[2]。相較于TBM、盾構(gòu)機(jī)這些全斷面掘進(jìn)機(jī)，懸臂式掘進(jìn)機(jī)具有施工準(zhǔn)備時(shí)間短、靈活機(jī)動(dòng)、投資少、便于支護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，對(duì)于軟巖大變形隧道，全斷面掘進(jìn)機(jī)容易出現(xiàn)卡機(jī)等問題，一旦卡機(jī)，可造成嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失，并耽誤施工工期，而懸臂式掘進(jìn)機(jī)不存在卡機(jī)等問題。

本工程采用的EBZ260型懸臂式掘進(jìn)機(jī)整機(jī)重量80 t，切割范圍達(dá)到6.03 m寬，5.06 m高，切割電機(jī)功率260 kW，總功率447 kW，可適用于IV級(jí)、V級(jí)圍巖隧道掘進(jìn)，但隨著圍巖強(qiáng)度增高，掘進(jìn)效率降低。

2懸臂式掘進(jìn)機(jī)施工工藝及維護(hù)保養(yǎng)

2.1 懸臂式掘進(jìn)機(jī)施工工藝

開挖前準(zhǔn)備，采用挖掘機(jī)將地面鋪平，進(jìn)行測(cè)量放線，采用激光導(dǎo)向儀控制開挖方向，然后懸臂式掘進(jìn)機(jī)到位開始截割。掘進(jìn)機(jī)依次啟動(dòng)油泵電機(jī)、第二運(yùn)輸機(jī)、第一運(yùn)輸機(jī)、星輪以及截割頭，即可進(jìn)行截割作業(yè)。本隧道采用上下臺(tái)階開挖，掘進(jìn)機(jī)分上下左右4部分開挖，在上臺(tái)階開挖時(shí)，掘進(jìn)機(jī)先在左側(cè)掘進(jìn)，左側(cè)掘進(jìn)完成，將掘進(jìn)機(jī)開到右側(cè)，再掘進(jìn)右側(cè)?？傮w采取從左至右，從下到上的截割方式（現(xiàn)場(chǎng)掘進(jìn)如圖1所示）。當(dāng)圍巖硬度較大，巖性一致時(shí)，采用低速截割，掏槽位置位于機(jī)器中心且與截割部位水平。一次掏槽鉆進(jìn)深度不宜超過22 cm，通過擴(kuò)窩后才繼續(xù)鉆進(jìn)，根據(jù)巖石硬度及節(jié)理發(fā)育情況決定掏槽深度，一般不超過70 cm，掏槽后進(jìn)行橫向切割。當(dāng)圍巖硬度不一致時(shí)，先對(duì)較軟巖體進(jìn)行截割掏槽，然后橫向切割，遇到部分硬巖，先將突出巖塊周圍巖石截割完成，使得硬巖墜落。對(duì)于墜落的大塊巖石，采用挖掘機(jī)進(jìn)行處理。將巖體切削后，將切削的洞渣轉(zhuǎn)入第一運(yùn)輸機(jī)，通過第一運(yùn)輸機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)至第二運(yùn)輸機(jī)，第二運(yùn)輸機(jī)直接將洞渣裝入出渣車，截割作業(yè)與出渣同步進(jìn)行。

在截割作業(yè)整個(gè)過程中，打開掘進(jìn)機(jī)噴霧系統(tǒng)，可冷卻液壓系統(tǒng)，降低油溫;可冷卻截割電機(jī)，延長電機(jī)壽命;可冷卻截割齒，減小截割齒耗損，同時(shí)可降低隧道內(nèi)粉塵。當(dāng)圍巖流水較多時(shí)，為避免隧道掌子面前積水過多，可切換外噴水三通閥把噴霧水從第二運(yùn)輸機(jī)后部放出。開挖出初步斷面后，與實(shí)際所需斷面輪廓若有一定差異，通過二次修整達(dá)到尺寸輪廓要求。截割完成后，掘進(jìn)機(jī)退出工作面，停放在隧道二襯完工段。開挖出渣完成后依次進(jìn)行立拱架、掛網(wǎng)、噴漿作業(yè)，即完成一個(gè)施工循環(huán)。

2.2 懸臂式掘進(jìn)機(jī)的維護(hù)與保養(yǎng)

按照懸臂式掘進(jìn)機(jī)使用說明書，保證使用過程中操作正確，同時(shí)在使用期間對(duì)機(jī)械進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)。對(duì)機(jī)械部位和電氣設(shè)備進(jìn)行維護(hù)修理要斷電，高溫和環(huán)境惡劣條件下盡量不開蓋板，蓋板打開后避免長時(shí)間放置。按照掘進(jìn)機(jī)說明更換液壓油，且保證液壓油為同一品牌，保證液壓油質(zhì)量及油量;定期檢查液壓系統(tǒng)的壓力，出現(xiàn)異常需要專業(yè)人士進(jìn)行調(diào)控。按時(shí)給掘進(jìn)機(jī)加潤滑油;定期檢查掘進(jìn)機(jī)各部分螺栓是否松動(dòng)，以免因?yàn)槁菟ㄋ蓜?dòng)在掘進(jìn)過程中造成設(shè)備損壞。零部件老化或工程性能損壞要及時(shí)修理或更換，避免引起更大損失。截割時(shí)回轉(zhuǎn)臺(tái)處于復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下，通常因?yàn)橥蝗豢嚞F(xiàn)裂紋而報(bào)廢，由于未掌握動(dòng)態(tài)特性及其壽命，常通過定期更換的方式來避免施工中突然報(bào)廢。定期檢查履帶，是否有斷裂、變形損壞以及松緊程度，及時(shí)修補(bǔ)。

掘進(jìn)機(jī)工作時(shí)，油溫若超過70℃應(yīng)停止掘進(jìn)工作，并檢查冷卻水系統(tǒng)，確保無故障，等油溫冷卻再開機(jī)。檢查是否有油缸及管路漏油現(xiàn)象，鏟板油缸、回轉(zhuǎn)油缸、截割部升降油缸、后穩(wěn)定器油缸及其管路接頭等，在掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行不斷振動(dòng)下，液壓管路接頭容易松動(dòng)，若有漏油，應(yīng)及時(shí)處理。截割時(shí)要注意觀察截齒，判斷截齒的旋轉(zhuǎn)是否順暢，若旋轉(zhuǎn)不順暢，則采用鐵錘敲擊，使其旋轉(zhuǎn)順暢，若工作中截齒損壞，要及時(shí)更換，否則會(huì)損壞截齒座。每班次截割后，需要及時(shí)清理除塵器，以保證除塵效果。

3懸臂式掘進(jìn)機(jī)在隧道開挖中的優(yōu)缺點(diǎn)

3.1 懸臂式掘進(jìn)機(jī)在隧道開挖中的優(yōu)勢(shì)

懸臂式掘進(jìn)機(jī)操作方便，可適應(yīng)復(fù)雜地質(zhì)條件，維護(hù)方便。與傳統(tǒng)鉆爆法相比，掘進(jìn)機(jī)可減少超挖，節(jié)省襯砌材料費(fèi)用;而且沒有了鉆炮眼、裝藥、躲避放炮、排煙降塵、出渣等工序，需要的工人數(shù)量少，工序簡單，施工效率高。同時(shí)，采用掘進(jìn)機(jī)開挖，施工人員距離掌子面較遠(yuǎn)，大大降低了掌子面落石、塌方對(duì)工人的人身安全風(fēng)險(xiǎn)。掘進(jìn)機(jī)采用電力驅(qū)動(dòng)，極少產(chǎn)生有毒有害氣體，且自帶除塵功能，大大改善隧道內(nèi)的空氣質(zhì)量，保障了施工人員身體健康。與挖掘機(jī)破巖相比，懸臂式掘進(jìn)機(jī)截割巖石效率高很多，為縮減工期提供保障。

3.2 懸臂式掘進(jìn)機(jī)在隧道開挖中的不足

隨著圍巖強(qiáng)度的增加，掘進(jìn)機(jī)截割速度降低，強(qiáng)度較高、完整性較好的圍巖對(duì)截齒的損耗大，機(jī)械耗損費(fèi)用增加。對(duì)于不同強(qiáng)度的圍巖，應(yīng)該采用不同的掘進(jìn)參數(shù)，如擺動(dòng)速度、進(jìn)給速度、截割深度等，一般截割參數(shù)與巖石強(qiáng)度成反比。但是掘進(jìn)參數(shù)由操作工人調(diào)整，對(duì)技術(shù)人員經(jīng)驗(yàn)要求較高。

4 淺析懸臂式掘進(jìn)機(jī)發(fā)展方向

4.1 智能化控制

現(xiàn)代掘進(jìn)機(jī)朝著智能化、自動(dòng)化、信息化、無人駕駛的方向快速發(fā)展。為了實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)高效高質(zhì)量完成掘進(jìn)工作，掘進(jìn)機(jī)控制系統(tǒng)必須根據(jù)工作面的地質(zhì)條件對(duì)截割部、行走部等實(shí)現(xiàn)智能化控制。實(shí)時(shí)監(jiān)控機(jī)身位置、機(jī)身姿態(tài)參數(shù)、截割頭姿態(tài)，實(shí)時(shí)感知工作面巖層特征，實(shí)現(xiàn)對(duì)工作面的自動(dòng)開挖成型控制，并且達(dá)到對(duì)掘進(jìn)機(jī)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

傳統(tǒng)的人工駕駛掘進(jìn)機(jī)施工作業(yè)，通過全站儀、激光源等確定掘進(jìn)機(jī)機(jī)身位置，司機(jī)手動(dòng)控制機(jī)身行走和懸臂擺動(dòng)完成截割作業(yè)，掘進(jìn)過程中，可能還停機(jī)通過人工測(cè)量位置進(jìn)行糾偏。相對(duì)無人駕駛來說，傳統(tǒng)掘進(jìn)方法測(cè)量工作量大，效率低，掘進(jìn)精度有限、人員依舊在施工區(qū)范圍。要實(shí)現(xiàn)無人駕駛掘進(jìn)機(jī)或者人員遠(yuǎn)程控制掘進(jìn)機(jī)，掘進(jìn)機(jī)機(jī)身空間姿態(tài)及空間自動(dòng)實(shí)時(shí)定位顯得尤為重要，同時(shí)，為精確控制開挖位置，準(zhǔn)確定位截割頭空間位置同樣重要。

目前，關(guān)于掘進(jìn)機(jī)機(jī)身定位及姿態(tài)監(jiān)測(cè)方法主要包括：基于激光導(dǎo)向器的位姿測(cè)量、基于陀螺儀的位姿測(cè)量、基于超寬帶技術(shù)的位姿測(cè)量、基于iGPS的位姿測(cè)量、基于機(jī)器視覺的位姿測(cè)量以及各方式組合導(dǎo)航的掘進(jìn)機(jī)機(jī)身位姿測(cè)量方法?？萍疾粩喟l(fā)展的情況下，由人工控制截割頭截割會(huì)逐步實(shí)現(xiàn)自動(dòng)截割，通過設(shè)置開挖形狀及路徑，自動(dòng)控制截割頭的運(yùn)動(dòng)，截割頭的實(shí)時(shí)定位是完成斷面自動(dòng)成形的基礎(chǔ)。通過控制連接掘進(jìn)機(jī)機(jī)身與截割頭間的桿件及關(guān)節(jié)的變化量，來精確控制計(jì)算截割頭相對(duì)機(jī)身的空間位置，從而實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)截割。

為方便掘進(jìn)機(jī)更高效更安全對(duì)巖體的截割，應(yīng)發(fā)展對(duì)巖體完整性及巖石強(qiáng)度的智能識(shí)別，以應(yīng)對(duì)復(fù)雜的地質(zhì)條件，目前的圖像識(shí)別技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)明顯節(jié)理的自動(dòng)識(shí)別標(biāo)注，同時(shí)可通過在機(jī)身設(shè)置傳感器，測(cè)試圍巖的強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)讓掘進(jìn)機(jī)根據(jù)巖體特征自動(dòng)調(diào)整截割參數(shù)，以保護(hù)截割頭截齒，減小機(jī)身振動(dòng)。

4.2 多功能化

懸臂式掘進(jìn)機(jī)朝著多功能化方向發(fā)展，對(duì)不同工程的適應(yīng)性越來越強(qiáng)。掘進(jìn)機(jī)的配套除塵系統(tǒng)，極大改善施工作業(yè)空間內(nèi)空氣質(zhì)量，減少工人患?jí)m肺病的可能;將紅外線定位與截割軌跡、遙控技術(shù)相結(jié)合，從而可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程遙控施工;自動(dòng)化系統(tǒng)功能更加完備，實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)故障自動(dòng)檢測(cè)診斷，更加適應(yīng)復(fù)雜的施工環(huán)境;實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)上的錨桿支護(hù)功能，提高安裝錨桿支護(hù)的可靠性，可為掘進(jìn)機(jī)多功能化邁進(jìn)一大步。

4.3 輕量化設(shè)計(jì)

目前，懸臂式掘進(jìn)機(jī)向著重型化發(fā)展，切割功率快速增加。我國第一臺(tái)掘進(jìn)機(jī)質(zhì)量10 t，截割功率20 kW，逐漸發(fā)展到現(xiàn)在大型懸臂式掘進(jìn)機(jī)質(zhì)量135 t，截割功率達(dá)到350 kW。重型大功率掘進(jìn)機(jī)具有破巖能力強(qiáng)、掘進(jìn)效率高、截割范圍大、機(jī)身穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。然而，在隧道軟弱地層中，重型掘進(jìn)機(jī)在使用過程中會(huì)沉陷，影響機(jī)身位置參數(shù)，對(duì)開挖掘進(jìn)定型產(chǎn)生不利影響。不僅僅是隧道，現(xiàn)在的厚層煤礦也在逐漸減少，越來越多的去開采中薄層煤礦。因此，在滿足掘進(jìn)機(jī)的截割范圍、截割功率、自身穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，對(duì)掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)同樣重要。

懸臂式掘進(jìn)機(jī)輕量化設(shè)計(jì)需要保證零部件的功能、強(qiáng)度、剛度需求;保證機(jī)身前后左右的整體平衡性;保證截割時(shí)掘進(jìn)機(jī)的穩(wěn)定性配重。在優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，可以考慮提高裝在機(jī)構(gòu)鏟板板材性能，以減小板材厚度;鏟板前部的無效受料面積較多，對(duì)支撐和裝載無益，可以減小前部面積;采用做減料處理的鑄造扒爪，而非切割扒爪等[3]。懸臂式掘進(jìn)機(jī)整機(jī)為前重后輕，為平衡質(zhì)量，改善履帶對(duì)地作用力分布，提高行走性能，可將部分零部件（泵站油箱、液壓附件等）靠后放置。在結(jié)構(gòu)形式上，同等截割功率下，縱軸式截割機(jī)構(gòu)比橫軸式截割機(jī)構(gòu)輕;提高履帶行走結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)向比，可增加截割穩(wěn)定性，從而降低對(duì)機(jī)械自重的依賴。

5 結(jié)語

國內(nèi)長大隧道的建設(shè)項(xiàng)目越來越多，對(duì)施工質(zhì)量的要求越來越高，施工工期越來越短。如何提高軟巖隧道的施工效率，保證隧道施工質(zhì)量，是施工單位亟需突破的瓶頸。目前隧道向綜合機(jī)械化施工過渡，通過在豹貍崗特長隧道的施工中證明：在深埋軟巖隧道中應(yīng)用懸臂式掘進(jìn)機(jī)，掘進(jìn)效率高、保證施工工期;斷面成型好，減少噴混耗材;工序簡單，所需工人少，節(jié)省人力;無需爆破，減少圍巖擾動(dòng);截割時(shí)電力驅(qū)動(dòng)，還自帶降塵功能。深埋軟巖隧道應(yīng)用懸臂式掘進(jìn)機(jī)，實(shí)現(xiàn)高效、安全、綠色、環(huán)保施工。

參考文獻(xiàn)

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收稿日期：2022-03-11

作者簡介：劉復(fù)紅（1978—），男，四川成都人，本科，工程師，從事工程項(xiàng)目管理工作。