懸臂掘進(jìn)機(jī)泥巖隧道施工技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益研究

摘 要：懸臂掘進(jìn)機(jī)作為隧道工程開挖的一種新設(shè)備，在推動隧道機(jī)械化提效方面起到積極作用，并隨著安全形勢、機(jī)械化普及、人口紅利減少或者消失，懸臂掘進(jìn)機(jī)在隧道開挖中的使用頻率持續(xù)走高，但因地質(zhì)及施工環(huán)境因素影響，其適用條件和經(jīng)濟(jì)效益呈現(xiàn)出明顯差異。通過采用不同型號的掘進(jìn)機(jī)對泥巖隧道進(jìn)行開挖施工，統(tǒng)計施工過程中的消耗和成本，驗(yàn)證懸臂掘進(jìn)機(jī)在泥巖隧道中的適用工況，對其工效和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行比較分析，找出了泥巖隧道懸臂掘進(jìn)開挖經(jīng)濟(jì)性的平衡點(diǎn)，并適當(dāng)對施工技術(shù)進(jìn)行了一定的探索，能夠?yàn)槠渌嗤蛘呦嗨扑淼赖氖┕し桨副冗x提供參考。

關(guān)鍵詞：隧道；泥巖；懸臂掘進(jìn)機(jī)；機(jī)械化；經(jīng)濟(jì)效益

中圖分類號：U455

隨著鐵路、公路、水利水電等基礎(chǔ)設(shè)施的大規(guī)模建設(shè)，隧道與地下工程進(jìn)入快速發(fā)展期。至20世紀(jì)末，我國的鐵路、公路、水利水電、城市地鐵、綜合管廊、城市地下空間、能源洞庫等得到快速發(fā)展。進(jìn)入21世紀(jì)以來，我國一躍成為隧道與地下工程發(fā)展最快的國家，隧道總量居全球首位。隧道工程的快速發(fā)展，為懸臂掘進(jìn)機(jī)的普及奠定了基礎(chǔ)，其具有靈活、高效、適應(yīng)大斷面及異形斷面等特點(diǎn)。目前，懸臂掘進(jìn)機(jī)隧道施工方法主要嘗試圍巖級別范圍在軟巖及以下硬度[1-4]，在很多方面較傳統(tǒng)爆破及機(jī)械開挖工藝有很多優(yōu)越性。應(yīng)用懸臂掘進(jìn)機(jī)開挖具有對圍巖擾動小，超欠挖易控制，施工效率高，能有效降低施工成本，降低施工風(fēng)險[5-6]。文章以臨夏地區(qū)高速公路施工項目特長隧道為例進(jìn)行分析，隧址穿越區(qū)民房分布比較復(fù)雜，傳統(tǒng)鉆爆法具有一定的震動，特別是對居民房屋的震動開裂、下沉甚至坍塌等產(chǎn)生不可估量的危害，因此項目開建伊始就選用懸臂掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行開挖施工，并對其技術(shù)應(yīng)用的特點(diǎn)、經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行深入的分析和研究。

1 項目背景

1.1 工程概況

擬建隧道采用左右幅分離式，左洞隧道長3 181 m，右洞隧道長3 202 m，屬特長隧道，隧道洞底最大埋深約294.5 m。隧道軸線總體走向約為315°。進(jìn)口采用端墻式洞門，出口采用削竹式洞門，處青藏高原東北邊緣，氣候處于溫帶半濕潤區(qū)與高寒陰濕區(qū)過渡帶，具有大陸性、季風(fēng)性的山地氣候特點(diǎn)，標(biāo)準(zhǔn)凍土層深度100 cm，最大凍土深度140 cm。

1.2 地質(zhì)情況

項目路線走廊帶位于青藏高原東北邊緣，地處隴西黃土高原和青藏高原的過渡地帶。沿線海拔2 000 m以上，相對高差200～500 m。本項目隧道位于剝蝕-侵蝕黃土丘陵地貌區(qū)，隧址區(qū)最大海拔2 361.80 m，最低海拔高2 048.85 m，隧道所在區(qū)地形起伏較大，最大相對高差約312.95 m，根據(jù)工程地質(zhì)調(diào)繪及鉆探成果，隧址區(qū)地層主要為第四系全新統(tǒng)坡洪積堆積層（Q4dl+pl）、第四系上更新統(tǒng)風(fēng)積黃土層（Q3eol）、沖洪積層（Q3al+pl），新近系上統(tǒng)臨夏組風(fēng)化泥巖（N2l）。泥巖呈紅褐色，可塑-硬塑狀，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，泥質(zhì)膠結(jié)，中厚層狀構(gòu)造，主要礦物成分為黏土礦物，原巖結(jié)構(gòu)、構(gòu)造大部分被破壞，節(jié)理、裂隙發(fā)育，巖芯多呈土柱狀，少量碎塊狀，局部夾薄層狀砂巖。隧道具體物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)詳見表1，圍巖等級劃分詳見表2和表3。

2 懸臂掘進(jìn)機(jī)選用

懸臂掘進(jìn)機(jī)進(jìn)入隧道施工領(lǐng)域之前已經(jīng)應(yīng)用于煤礦開挖，它是一種部分?jǐn)嗝婢蜻M(jìn)機(jī)，集切削、裝碴、轉(zhuǎn)運(yùn)和自行于一身，可以做到切削、裝運(yùn)同步進(jìn)行，具有連續(xù)掘進(jìn)、開挖速度快、對圍巖擾動小、超欠挖易控制、復(fù)雜地質(zhì)適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。隨著掘進(jìn)機(jī)自身成本下降、技術(shù)日趨成熟以及人工成本的上漲等客觀因素，都為掘進(jìn)機(jī)進(jìn)入隧道施工領(lǐng)域創(chuàng)造了有利條件，近年來在大斷面、異形斷面隧道工程施工領(lǐng)域得到了大量應(yīng)用[7]，并逐步向集成化、重型化、自動化、智能化等方向發(fā)展，為隧洞工程施工提供了多樣化的解決方案，推動隧道施工工藝的標(biāo)準(zhǔn)化和施工水平的提高。本項目采用CTR300A、STR318/5、XTR/260型3種懸臂掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行施工，便于后期獲取更加詳細(xì)的比選參數(shù)。

3 懸臂掘進(jìn)機(jī)施工布置

設(shè)備自身開挖長度需20 m（含施工設(shè)備長度17 m，設(shè)備需前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)向工作長度3 m），開挖上臺階時出渣長度需10 m（含出渣點(diǎn)及裝載機(jī)裝渣工作距離），掌子面掘進(jìn)時需將立架臺車放置于裝渣點(diǎn)之后，需擺放長度約6 m，因此下臺階距離掌子面最短距離需36 m；開挖下臺階施工類似于掌子面開挖施工，開挖與裝渣施工距離需30 m，仰拱開挖端頭與下導(dǎo)施工距離需10 m，仰拱開挖、仰拱澆筑端頭與二襯端頭施工距離需35 m。綜上所述，為保證施工的正常推進(jìn)，設(shè)備的高效運(yùn)行，實(shí)際施工所需安全步距（二襯至掌子面）最少需111 m，正常作業(yè)需125 m如圖1所示。

4 懸臂掘進(jìn)機(jī)優(yōu)勢分析

（1）人員投入方面：采用懸臂隧道掘進(jìn)機(jī)開挖，單班制循環(huán)施工，每班開挖需2人，包括1名操作手，1名輔助工；按每天兩循環(huán)計算，每個洞口需掘進(jìn)機(jī)操作手2人，維修工1人，輔助工2人，一共5人。

（2）施工安全方面：懸臂隧道掘進(jìn)機(jī)開挖原理主要是以刀盤旋轉(zhuǎn)對圍巖進(jìn)行切割，對圍巖擾動小，不易產(chǎn)生大的掉塊現(xiàn)象，且掘進(jìn)機(jī)操作室有安全防護(hù)欄，設(shè)備開挖時與掌子面距離7 m，能較好地起到操作人員保護(hù)作用。

（3）施工質(zhì)量方面：超、欠挖易控制，避免因大的超挖帶來的初支空洞現(xiàn)象，保證了隧道基巖開挖斷面與設(shè)計斷面構(gòu)造統(tǒng)一，應(yīng)力釋放更加接近理論假設(shè)。同時，減少了初支噴射砼的損耗量，加快了施工工序時間，間接降低了施工成本。

（4）施工效率方面：破巖能力強(qiáng)，開挖工效高，定位截割范圍大，類型懸臂掘進(jìn)機(jī)最大截割寬度6.5 m，最大定位截割高度7 m，定位截割面積45.5 m2。較傳統(tǒng)工藝提高開挖效率在40%～70%。

（5）施工環(huán)境方面：高效除塵系統(tǒng)，配置機(jī)載高效外噴霧及除塵系統(tǒng)，改善作業(yè)環(huán)境，降低環(huán)境污染，提高職業(yè)健康水平。改善作業(yè)環(huán)境，隨主機(jī)同步移動的超1 000 m3/min大風(fēng)量機(jī)載除塵系統(tǒng)，主動風(fēng)流控制系統(tǒng)，吸塵能力提升20%～30%，適應(yīng)大斷面隧道施工。

5 懸臂掘進(jìn)機(jī)施工注意事項

5.1 臨時用電安全風(fēng)險較高

懸臂掘進(jìn)機(jī)作業(yè)時的額定電壓為1 140 V，洞內(nèi)380 V的一般動力電不能滿足要求，因此需從洞外牽引10 kV的特高壓專線進(jìn)洞，經(jīng)變壓器變壓成1 140 V高壓電后方可滿足施工需求。洞內(nèi)空間有限，特高壓電進(jìn)洞將帶來很大的安全用電風(fēng)險，因此對于高壓進(jìn)洞必須編制高壓進(jìn)洞專項方案，還需組織專家進(jìn)行評審，施工過程必須嚴(yán)格按方案進(jìn)行施工，同時洞內(nèi)高壓進(jìn)洞必須請專門的電力公司進(jìn)行安裝、檢修，并且做好高壓變壓器的防護(hù)工作，確保變壓器不被洞內(nèi)行走設(shè)備碰撞。同時隧道安全專員必須在每次使用設(shè)備前加強(qiáng)對洞內(nèi)臨時用電情況的檢查，謹(jǐn)防電纜破皮漏電現(xiàn)象。

5.2 優(yōu)化施工工藝，加強(qiáng)前后工序的銜接

懸臂掘進(jìn)機(jī)施工速度很快，但不能一味追求掌子面進(jìn)度，而忽略后續(xù)工序（仰拱、二襯）的施作，導(dǎo)致初支不能盡快封閉成環(huán)帶來的安全隱患。經(jīng)本項目隧道施工經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，每個洞口要保證每2天一板仰拱及二襯的施作，否則安全步距將進(jìn)入惡性循環(huán)，難以滿足要求。因此必須保證洞內(nèi)作業(yè)人員及施工設(shè)備的配置滿足掌子面進(jìn)尺要求，具體配置需根據(jù)施工班組的施工熟練程度進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

5.3 加強(qiáng)用電和維修檢修保障

懸臂掘進(jìn)機(jī)作為一種大型施工機(jī)械，其進(jìn)場和退場受到交通運(yùn)輸條件限制，使用過程中又受到使用條件及其他特殊條件的限制，因此需要在施工前對周邊路網(wǎng)及施工條件進(jìn)行詳細(xì)調(diào)查，在施工便道修筑時對設(shè)備進(jìn)場時應(yīng)予以充分考慮，在確保具備條件時，引進(jìn)懸臂掘進(jìn)機(jī)開挖施工。同時，要做好施工期間的用電保障和維修保障工作，因懸臂掘進(jìn)機(jī)此類大型施工機(jī)械使用電力進(jìn)行驅(qū)動，具有污染小、動力強(qiáng)、動力輸出連續(xù)等顯著優(yōu)點(diǎn)，但其用電量大，對電壓要求較高等特點(diǎn)，對電力的保障以及專業(yè)維修提出了較高的要求，在施工組織設(shè)計時，需要著重進(jìn)行考慮，保障施工過程連續(xù)，確保流水作業(yè)強(qiáng)度和流水節(jié)拍符合進(jìn)度要求。

6 經(jīng)濟(jì)分析

6.1 單月進(jìn)尺成本分析

本項目采用懸臂掘進(jìn)機(jī)可挖上導(dǎo)、下導(dǎo)及大部分仰拱，每開挖1 m方量約為90 m3，單月開挖135 m，方量為12 150 m3。綜合開挖成本約為40元/m3（不含運(yùn)輸），費(fèi)用分布情況（按單月進(jìn)尺135 m計算），見表4。

6.2 綜合成本對比分析

以項目為例，隧道全長6 383 m，設(shè)計噴射砼方量為46 000 m3。如四個洞口全部采用懸臂掘進(jìn)機(jī)施工，噴射砼損耗約32 200 m3（按損耗率控制在70%計算），設(shè)備費(fèi)用約2 028萬元；如全部采用傳統(tǒng)機(jī)械開挖（六臺炮機(jī)、四臺挖機(jī)），噴射砼損耗約59 800 m3（按損耗率控制在130%計算），設(shè)備費(fèi)用約920萬元（炮機(jī)按5萬元/月，挖機(jī)按4萬元/月）；每月節(jié)省噴射砼27 600 m3，每月可節(jié)省費(fèi)用1 656萬元（噴射砼按600元/m3），設(shè)備及維修保障費(fèi)用約1 108萬元。綜上，在確保工期且不考慮設(shè)備折舊和間接成本的前提下，四個洞口全部采用懸臂掘進(jìn)機(jī)施工，較使用傳統(tǒng)機(jī)械開挖可節(jié)省費(fèi)用約548萬元，同時還能為隧道按期貫通提供有力保障。

根據(jù)表5可以得出隧道每延米節(jié)省材料費(fèi)用2 594元，按照設(shè)備折舊或者租賃需多投入1 108萬元，相比較于傳統(tǒng)施工方法，平均每臺多投入277萬元，分析得到效益平衡點(diǎn)為1 068 m，即超過臨界平衡點(diǎn)可以考慮采用懸臂掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行開挖施工，能夠起到很好的經(jīng)濟(jì)效益，并可以考慮懸臂掘進(jìn)機(jī)的故障維修率、隧道施工工況變化及施工組織水平等因素對臨界平衡點(diǎn)適當(dāng)進(jìn)行調(diào)整。

7 結(jié)論

（1）懸臂掘進(jìn)機(jī)在強(qiáng)風(fēng)化、中風(fēng)化、微風(fēng)化泥巖且無水的隧道施工中，適應(yīng)情況良好，且在單臺掘進(jìn)1 100 m以上具有明顯綜合經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢，能有效降低間接施工成本和時間成本；

（2）懸臂掘進(jìn)機(jī)開挖對隧址周邊或地表居民房屋的震動影響較小，適應(yīng)于對地表擾動嚴(yán)格的施工區(qū)域；

（3）采用懸臂掘進(jìn)機(jī)能夠滿足公路工程大斷面泥巖隧道的開挖施工，且能夠很好地控制超欠挖，可以有效控制后續(xù)工程材料的超耗，保證初襯和噴射混凝土施工質(zhì)量；

（4）采用懸臂掘進(jìn)機(jī)施工，機(jī)械化程度高，施工高效，能夠很好滿足快速開挖、快速封閉成環(huán)，加快施工速度；

（5）采用懸臂掘進(jìn)機(jī)施工，安全性好，對圍巖損傷小、擾動少、安全性高；與鉆爆法相比，圍巖影響范圍小，巖面穩(wěn)定性高，掘進(jìn)連續(xù)，安全保障大幅提高。

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