小斷面水工隧洞機械銑挖法施工技術探析

張 彬

(中國水利水電第五工程局有限公司，四川 成都 610066)

1 概 述

重慶市綦江區(qū)黃沙水庫灌區(qū)主要以城鎮(zhèn)供水、農(nóng)業(yè)灌溉為主，兼有灌區(qū)農(nóng)村人畜飲水等綜合利用功能。青龍咀干渠長1 986 m，其中管道工程長807 m，隧洞長1 179 m,設置分水池1座。大地支渠接青龍咀干渠末端，總長3 863 m，其中生基灣隧洞長1 387 m(內(nèi)鋪設管道)，管道工程長2 476 m。兩座隧洞均為城門洞型，高2.95 m，寬2.9 m，斷面面積為7.65 m2。

該工程區(qū)兩條隧洞進出口段地層為T2l中～厚層白云巖、泥質(zhì)白云巖與泥巖互層，圍巖為可溶巖，洞室埋深較淺，巖溶發(fā)育，巖體較破碎，存在不利結(jié)構(gòu)面，地下水活動較強烈，圍巖不穩(wěn)定。洞身段地層T3xj為厚層長石石英砂巖夾頁巖、砂質(zhì)泥巖，巖層產(chǎn)狀為N52°W/NE∠40°，隧洞走向S74°W，洞線與巖層走向交角為54°，對洞室穩(wěn)定有利。該洞室埋深較大，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體較完整，地下水活動為中等，局部存在軟弱結(jié)構(gòu)面，圍巖總體基本穩(wěn)定，局部穩(wěn)定性差，圍巖類別主要以Ⅱ類、Ⅲ類、Ⅳ類為主，局部段存在Ⅴ類圍巖。

鑒于懸臂式掘進機能夠同時實現(xiàn)剝離圍巖、裝載運出、機器本身的行走調(diào)動以及噴霧除塵等功能，即集切割、裝載、運輸、行走于一身[1]，而隧洞開挖是該標段施工中的重要環(huán)節(jié)，直接影響到工程的施工質(zhì)量、施工進度、生產(chǎn)成本和經(jīng)濟效益，且因該標段臨近居民居住區(qū)且生基灣出口距離居民樓只有40 m,青龍咀出口及生基灣進口距離民房不到60 m，距離周邊公路不到50 m，洞口周圍環(huán)境復雜，故通過現(xiàn)場調(diào)查并綜合各種影響因素找出合適的洞挖方式，提高隧洞的開挖效果，達到預期的進度和經(jīng)濟效益目標，合理選擇該標段相對應的隧洞開挖施工模式成為重要的一環(huán)。最終，通過綜合分析，確定洞口段Ⅲ～Ⅴ類圍巖范圍采用適應洞型的懸臂式掘進機開挖。

2 洞挖方案

掘進機法隧洞施工依然遵循新奧法原理全斷面一次性成型開挖，采用出渣車運輸，及時封閉開挖面。施工初期支護時做好隧洞的監(jiān)控量測工作，按監(jiān)測結(jié)果及時調(diào)整支護參數(shù)和防水與襯砌施工作業(yè)時間。洞口進洞淺埋和全隧洞斷層破碎地帶的穿越遵循“短進尺、及時支護、強支護、早封閉、勤量測”的原則進行施工[2]。

2.1 設備的選型及布置

該工程隧洞的典型截面寬度為2.9 m，高2.95 m。結(jié)合該工程地質(zhì)情況及圍巖類別，通過大量調(diào)研市場上懸臂式掘進機的規(guī)格，相對此類小斷面洞型的適應機型較少，主要傾向于徐工集團生產(chǎn)的窄體型設備。最后，通過對機型尺寸、切割動力、出渣效率及維修保養(yǎng)便捷等方面進行對比，選擇了三一重工生產(chǎn)的EBZ-132型、徐工集團生產(chǎn)的XTR4/180、 XTR4/230型三種設備，懸臂式掘進機主要技術參數(shù)見表1。

表1 懸臂式掘進機主要技術參數(shù)表

2.2 施工程序

施工準備→設備就位→掘進開挖(噴霧除塵)→出渣→支護→下一循環(huán)。

2.3 施工準備

由于機械開挖相對于鉆爆施工在臨時工程部署上存在較大區(qū)別，特作以下簡要說明。

2.3.1 進場道路的布置

通過現(xiàn)有公路可以直接到達工地附近，從現(xiàn)有公路修筑6 m寬混凝土便道即可到達洞口，便于懸臂式掘進機及后期出渣等車輛運輸。

2.3.2 供水與排水設施

隧洞施工用水主要為懸臂式掘進機鉆頭冷卻循環(huán)用水及混凝土養(yǎng)護用水。掘進機工作狀態(tài)時用水的作用為冷卻和降塵，需使用壓力水，供水壓力不小于0.3 MPa，用水量小于20 m3/d。因此，需要在隧道洞口處修建體積≥20 m3的水池以滿足隧洞內(nèi)的用水要求。水池內(nèi)使用兩臺自動增壓泵，采用球閥開關分支連接以確保在其中一臺自動增壓泵損壞的情況下另一臺也能為隧洞供水。

隧洞排水主要為山體集中滲水與洞內(nèi)涌水。由于該隧洞底板坡比為1/1 000，因此，需在每個洞口設立沉淀池集中排水。

2.3.3 施工供電

隧洞口區(qū)域已安裝有10 kV高壓線路。由于懸臂式掘進機的用電額定電壓為1 140 V，故需安裝專用變壓器，供電電纜使用防爆電纜。

2.3.4 供風及通風

施工供風規(guī)劃在隧洞進、出口處配置空壓機及風機以滿足供應隧洞鉆孔、排煙及排塵等需求。隧洞工作面施工長度最大為1 367 m，需風量經(jīng)計算為459 m3/min，因此，最終選擇隧洞專用軸流風機SDF(A)-NO6.5(風量：600 m3/min、風壓：3 900 Pa、功率：2×22 kW)以滿足通風需要。風機布設位置根據(jù)掘進進尺調(diào)整，風筒懸掛于拱頂處。洞內(nèi)造孔供風管采用DN100無縫鋼管,置于隧洞一側(cè)的墻腳。隧洞施工布置情況見圖1。

圖1 隧洞施工布置圖

3 掘進施工

3.1 掘進作業(yè)

掘進機的開挖主要利用截割頭上下、左右移動截割出初步斷面形狀，如此截割獲得的斷面與實際所需要的形狀和尺寸有一定差別，可對其進行二次修整，以達到斷面尺寸要求[3]，掘進開挖順序見圖2，切割順序采用自上而下的方式，特殊切割形式見圖3[4]。

一般情況下，采用由下而上、左右截割的方式。當截割較軟的巖石時，采用左右循環(huán)向上的截割方法。但不論采用哪種方法，一定要盡可能地從下而上截割。當遇到硬巖時，不應勉強截割；對有部分露頭硬巖時，應首先截割其周圍部分使其墜落；對于大塊墜落體，應進行處理后再進行裝載。當掘進柱窩時，應將截割頭伸到最長位置，同時將鏟板降到最低位置向下掘進，在此狀態(tài)下，將巖體拖拉到鏟板附近，以便裝載[5]。

圖2 掘進開挖順序圖

圖3 特殊切割示意圖

如果不能熟練自如地操作掘進機，所掘進出的斷面形狀和尺寸會與所要求的斷面存在一定差距。例如，當掘進較軟巖壁時，所掘出斷面的尺寸往往大于所要求斷面的尺寸，會造成掘進時間的延長以及支護材料的浪費。而掘進較硬巖壁時，所掘出斷面的尺寸往往小于設計尺寸。因此，一定要要求操作者既要熟練掌握操作技術，又要了解工作面的具體情況。

3.1.1 除塵噴霧

機械銑切過程會產(chǎn)生大量粉塵，因此，如何控制粉塵非常重要。懸臂式掘進機設有噴霧系統(tǒng)，截割作業(yè)時，打開控制閥，噴嘴開始噴霧，利用噴霧和風機相結(jié)合的雙重除塵技術，能夠有效改善作業(yè)環(huán)境。

3.1.2 出渣

懸臂式掘進機掘進、截割巖石后，由其前段裝有星輪的鏟板通過自帶第一運輸機將石渣運至掘進機尾部，如果一運長度受限，可視具體情況增加二運系統(tǒng)，直接將渣料輸送至出渣車。隧道的出渣可在開挖的同期進行以節(jié)省時間。

3.2 掘進作業(yè)操作

3.2.1 機械操作順序

油泵電機 →開動第一運輸機→ 開動星輪→ 開動截割頭，以此作為開動順序。當沒有必要開動第一運輸機時，也可在開動油泵電機后起動截割電機。啟動油泵電機時，與其直接相連的油泵隨之啟動供給液壓油。

掘進機設計有履帶式行走系統(tǒng)，可前后左右自行。截割頭可前后伸縮，伸縮長度可達550 mm，截割過程可左右推進。星輪啟動回轉(zhuǎn)集料，鏟板上下前后收料，向上抬起鏟尖距地面高度可達340 mm，鏟板落下與底板相接，鏟板可下臥260 mm。截割時，應將鏟尖與底板壓接，以防止機體振動，前后支撐可自由升降。鏟板收料后由星輪回轉(zhuǎn)送料至運輸機轉(zhuǎn)動送料。

3.2.2 電氣操作

電源開關接通后檢查顯示屏、電壓表和機器周圍，如果沒有異常情況即可進行開機操作，觀察工作現(xiàn)場，待確認不會發(fā)生機械和人身事故后方可開機。截割電機啟動“報警”信號發(fā)出5 s后即可啟動截割電機。停機操作順序原則上與開機順序相反，也可根據(jù)實際情況進行。注意：不允許在不需要緊急停止的情況下利用急停按鈕停整機，也不允許利用停油泵電機的方法停止其它電機，停機后，注意切斷電源，取下電源開關手柄。

3.3 操作注意事項

(1)啟動前，操作者必須檢查并確認周圍確實安全、頂板的支護可靠，待確認安全后再啟動截割頭。截割電機啟動前，應先打開內(nèi)噴霧開關以防噴嘴堵塞。啟動或停止電機時，一定要完全徹底地避免緩慢微動。

(2)切割時、特別是切割硬巖時會產(chǎn)生較大的振動而造成截齒超前磨損或影響切割效率，一定要使鏟板及后支撐接地良好，加強其穩(wěn)定性，減少振動。操作中發(fā)現(xiàn)異常時應停機檢查，絕不能超負荷工作。

(3)機器行走時，不允許進行切割，否則會加大切割載荷，造成減速機損壞，絕不能造成掘進機壓斷電源線[6]的情況出現(xiàn)。在軟底板上操作時，應在履帶下墊木板(1 至1.5 m 間距)以加強其行走能力。

(4)大塊巖體可能卡在本體龍門口處造成第一運輸機停止，因此，必須將其擊碎成小塊。裝載時一定要注意對鏟板高度進行調(diào)整，行走時鏟板一定要抬起；設備停止工作時截割頭回縮，鏟板落地。

(5)檢修時必須停電。特別需要注意的是：電源開關上端至電源接線柱停電后其仍然帶電，因此，不能隨意取下電源接線柱上的護板。若需檢修此處，前級饋電開關應停電。

(6)必須定期檢查各導線的連接部位是否有松動現(xiàn)象，各防爆部位的緊固螺栓必須緊固。

(7)各電纜引入裝置的密封膠圈、金屬墊圈，內(nèi)外接地必須接牢。

(8)檢修時不得隨意改變電路元器件的型號、規(guī)格與參數(shù)。

3.4 掘進功效分析

該工程應用了三種規(guī)格的懸臂式掘進機開挖設備，相關人員連續(xù)6個月對掘進設備的施工效率進行了統(tǒng)計，掘進循環(huán)時間統(tǒng)計情況見表2。

由表2中的數(shù)據(jù)可知：開挖過程是一個系統(tǒng)作業(yè)過程，每一個循環(huán)均環(huán)環(huán)相扣，供電、排水、設備故障等均不同程度地影響到掘進進尺。連續(xù)6個月時間的統(tǒng)計分析表明：平均每個月有效作業(yè)時間只有20 d，平均每班有效作業(yè)時間只有4.5～5 h，有效作業(yè)時間有限。

4 適應性分析

通過該工程隧洞開挖對懸臂式掘進機的應用，系統(tǒng)分析了此類設備對小斷面隧洞的適應性，主要包括以下幾個方面。

4.1 洞身尺寸適應性及開挖效果分析

懸臂式掘進機在隧洞開挖中具有較大的靈活性，但對于類似該工程不足8 m2的小斷面隧洞，設備選型極度受限，市場能適用的機型較少，設備在洞內(nèi)的操作空間受限，一旦設備出現(xiàn)較大故障時，洞內(nèi)檢修困難。另外，設備進出洞過程由于洞徑較小，必須頻繁拆裝風筒布而導致占用時間較長。但與已完成的洞型開挖效果比較，該類型設備對洞型控制比較有利，開挖洞型、體型控制到位，開挖整體外觀質(zhì)量較好。

表2 掘進循環(huán)時間統(tǒng)計表

4.2 相對安全性分析

選用此類設備開挖安全性能高，尤其對于地質(zhì)條件較差的部位對比鉆爆法開挖，其安全風險較小，避免了因爆破后造成的圍巖穩(wěn)定性差問題，減少了因爆破后造成的有害氣體排放時間長等，具有施工用電安全性更高的特點。

4.3 巖石特性適應性分析

該工程掘進機施工部位主要以Ⅲ類、IV類巖體為主。對于埋深較淺、巖石性質(zhì)為白云巖、泥質(zhì)白云巖與泥巖互層、頁巖及砂質(zhì)泥巖等中軟巖，巖石強度為20～30 MPa左右，掘進效率較高；但對于埋深較大，主要為厚層長石石英砂巖夾頁巖，巖石完整性好、裂隙水較強、巖石抗壓強度達40 MPa以上的巖石掘進效率降低。由于巖石強度高，掘進過程幾乎銑挖成石粉而造成粉塵大，施工環(huán)境差。尤其當遇到抗壓強度超過60 MPa的巖層，適應此類洞徑的設備幾乎無法掘進，現(xiàn)場掘進過程造成掘進機設備故障頻發(fā)、掘進機主軸斷裂、截齒及齒座損耗嚴重，最高為每米進尺更換截齒達14個，設備維修保養(yǎng)時間長，導致必須改變施工工藝。而對于V類圍巖，在掘進過程中頻繁出現(xiàn)掘進機陷車問題，由于其底板達不到懸臂式掘進機承載力要求，施工過程采取在行走履帶下部墊方木、墊工字鋼及水泥等加強措施，方能保障設備有效運行。

4.4 滲水影響分析

洞內(nèi)滲水對于洞身開挖而言是最大的影響因素。究其原因：第一種情況是由于巖石強度高、設備銑挖后巖石磨成細粉與裂隙水形成泥石混合物而造成掘進機出渣困難，掘進機運輸系統(tǒng)出料打滑，二運皮帶甩料嚴重，裝車困難。同時，在掘進機作業(yè)范圍形成近20 cm厚的泥石混合物，導致洞內(nèi)抽排泥漿困難；第二種情況是渣車在掘進機二運皮帶下部由于泥漿影響造成頻繁陷車，車輛故障率極高，出渣功效降低；第三種情況是在裂隙水及潮濕環(huán)境影響下造成設備電路主控系統(tǒng)故障頻發(fā)并存在維修保養(yǎng)費用高、時間周期長的問題。

4.5 除塵效果影響分析

對于巖石強度高、掘進后粉塵嚴重、洞內(nèi)單個風機無法達到及時瞬時除塵效果而造成掘進環(huán)境差、作業(yè)人員視覺受限、不得不加大噴霧造成積水增加，同時不得不暫停掘進，短時等待排塵，造成掘進不能連續(xù)施工、功效降低的問題，通過多次試驗研究得知：只有當風機距掌子面在100 m范圍內(nèi)時排塵效果較好，因此，需要增加風機數(shù)量，同時在洞內(nèi)每間隔100 m增加風機通道。另外，由于其采用的是吸風式排塵而造成風機、風筒布內(nèi)塵土沉積，需定時對其進行清理。

5 結(jié) 語

對于小斷面水工隧洞，在其外部環(huán)境受限、巖石強度低(中、軟巖：20～40 MPa)，洞內(nèi)無滲水或地下水活動輕微時，可選用懸臂式掘進機施工。此類設備工作方式靈活，采用截錐體截割頭，其結(jié)構(gòu)簡單，較易切出光滑的輪廓。相較于鉆爆法施工具有效率高、對巖層擾動少、有利于安全生產(chǎn)等優(yōu)勢。但對于巖石結(jié)構(gòu)完整，尤其是砂巖地層，其裂隙水發(fā)育，巖石強度為50 MPa左右時設備掘進能力受限，巖石強度超過60 MPa時掘進困難。因此，在小斷面隧洞開挖施工時，需充分分析地質(zhì)情況，選擇合理的施工工藝。