水工隧洞懸臂掘進(jìn)機(jī)開(kāi)挖施工工藝研究

摘""要：萬(wàn)家寨引黃南干線滹沱河連通工程3段隧洞總長(zhǎng)8.27"km，各施工點(diǎn)距離居民區(qū)均在200"m范圍內(nèi)、巖層傾向與隧洞軸向小角度相交洞頂圍巖多呈水平薄層狀分布，為避免施工干擾、減少塌方突泥突水等不良地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，所以變更隧洞開(kāi)挖方案。主要闡述了懸臂掘進(jìn)機(jī)開(kāi)挖施工工藝與控制措施，采取懸臂掘進(jìn)機(jī)代替?zhèn)鹘y(tǒng)鉆爆法施工，保障了施工安全加快了施工進(jìn)度降低了工程成本。

關(guān)鍵詞：懸臂掘進(jìn)機(jī)"截齒"水平薄層狀"砂質(zhì)泥巖

Research"on"Excavation"Construction"Technology"of"Hydraulic"Tunnel"Cantilever"Roadheader

YAN"wei""WEI"Lihong

Shanxi"Province"Hydrolic"Construction"Engineering"Bureau"Co."Ltd.，"Taiyuan，"Shanxi"Province，"030006，China

Abstract："The"total"length"of"the"three"sections"of"the"Hutuo"River"Connection"Project"on"the"Wanjiazhai"Yellow"River"South"Main"Line"is"8.27"km."Each"construction"site"is"located"within"a"200-meter"radius"of"residential"areas，the"rock"layers"intersect"the"tunnel"axis"at"a"small"angle，"predominantly"displaying"a"horizontal"thin-layer"structure."To"avoid"construction"interference"and"reduce"the"occurrence"of"adverse"geological"disasters"suchnbsp;as"collapses"and"sudden"mud"or"water"inflows，the"tunnel"excavation"strategy"has"been"revised."This"article"mainly"elaborates"on"the"excavation"construction"technologies"and"control"measures"of"cantilever"roadheaders."The"use"of"cantilever"roadheader"instead"of"traditional"drilling"and"blasting"methods"ensures"construction"safety，"accelerates"construction"progress，"and"reduces"project"costs."The"use"of"cantilever"tunneling"machines"instead"of"traditional"drilling"and"blasting"methods"ensures"construction"safety，"accelerates"construction"progress，"and"reduces"project"costs.

Key"Words："Cantilever"roadheader;"Cutter"bits;"Horizontal"thin-layer"structure;"Sandy"mudstone

山西縣域小水網(wǎng)及配套工程是打通山西大水網(wǎng)骨干工程“大動(dòng)脈”末端“毛細(xì)血管”的重要措施，覆蓋全省線路長(zhǎng)地質(zhì)條件復(fù)雜多樣，山西縣域小水網(wǎng)建筑物多為泵站、管線、引水隧洞。由于引水流量不大，引水隧洞普遍設(shè)計(jì)為滿足機(jī)械施工的最小斷面，斷面一般為城門(mén)洞型，斷面面積小于20"m2。由于工作面的限制和地質(zhì)情況的復(fù)雜性，隧洞工程一般工期長(zhǎng)，是整個(gè)引水工程的關(guān)鍵線路，快速、安全的隧洞開(kāi)挖施工工藝是小水網(wǎng)工程如期完工的有力保障。

1工程概述

萬(wàn)家寨引黃南干線滹沱河連通工程無(wú)壓洞3段，總長(zhǎng)8.27"km，分4個(gè)工作面施工，坡度1/1"000～2/1"000，單工作面最長(zhǎng)掘進(jìn)3"km。隧洞開(kāi)挖斷面為城門(mén)洞型，Ⅲ類圍巖寬3.66"m、高3.72"m，面積12.31"㎡；Ⅳ類圍巖寬3.7"m、高3.74"m，面積12.51"㎡；Ⅴ類圍巖寬3.88"m、高3.88"m，面積13.59"㎡。

隧洞Ⅲ類圍巖段長(zhǎng)2.438"km（29.5%），Ⅳ類段長(zhǎng)3.617"km（43.7%）、Ⅴ類圍巖段長(zhǎng)2.215"km（26.8%）。洞身主要穿過(guò)三疊系中統(tǒng)二馬營(yíng)組（T2er）灰白色、紅色中層中細(xì)粒砂巖夾薄層砂質(zhì)泥巖，巖體較完整，多為軟巖～較軟巖，洞頂圍巖厚度42～71"m；地下水位埋深37～57"m，地下水水位位于洞底以上或附近，存在滲水或線狀流水問(wèn)題。圍巖堅(jiān)固系數(shù)f=1.0～3.0（10～30"MPa）。

2"隧洞開(kāi)挖方案選擇

本項(xiàng)目各施工點(diǎn)距離居民區(qū)均在200"m范圍內(nèi)，采用鉆爆法開(kāi)挖對(duì)附近居民干擾大，容易造成糾紛，阻延工程建設(shè)；隧洞圍巖均為砂巖或泥巖，巖層傾向與隧洞軸向小角度相交洞頂圍巖多呈水平薄層狀分布，采用鉆爆法開(kāi)挖易發(fā)生塌方，施工效率低，安全隱患大，施工成本高。

懸臂掘進(jìn)機(jī)履帶式行走系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)如下：對(duì)復(fù)雜地質(zhì)條件適應(yīng)性強(qiáng)[1-2]，特別適宜堅(jiān)固系數(shù)f≤8巖石隧洞開(kāi)挖；不用炸藥等火工品，安全風(fēng)險(xiǎn)小，可連續(xù)24"h作業(yè)，施工管理可控；開(kāi)挖和出渣同步施工，在液壓電器系統(tǒng)的控制下，完成掘進(jìn)和出渣作業(yè)[3]，每千米隧洞施工可縮短工期3個(gè)月，滿足工期要求[4]；降低了對(duì)周邊巖層的震動(dòng)，有問(wèn)題可隨時(shí)停止施工采取支護(hù)措施，避免了塌方、突水等次生災(zāi)害的發(fā)生；開(kāi)挖成型斷面好，超挖量可控，保證施工質(zhì)量；采取噴霧、通風(fēng)、抽煙塵等多種措施，保護(hù)作業(yè)環(huán)境。

近年來(lái)，懸臂掘進(jìn)機(jī)在煤礦開(kāi)采領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，特別是在隧道掘進(jìn)施工中的云應(yīng)用，取得了良好的工程效果，提升了隧道施工安全性、經(jīng)濟(jì)性[5]；根據(jù)本工程隧洞斷面小、軟巖等特點(diǎn)，并借鑒前期懸臂掘進(jìn)機(jī)施工經(jīng)驗(yàn)，本工程采用懸臂掘進(jìn)機(jī)代替?zhèn)鹘y(tǒng)鉆爆法施工開(kāi)挖隧洞。

3"懸臂掘進(jìn)機(jī)施工工藝

經(jīng)過(guò)多次調(diào)研，考慮懸臂掘進(jìn)機(jī)的動(dòng)力、截割部設(shè)計(jì)和截齒布置，并結(jié)合本項(xiàng)目的斷面尺寸和圍巖情況，選擇確定了EBZ220H懸臂掘進(jìn)機(jī)（功率352"kW）和EBZ280懸臂掘進(jìn)機(jī)（功率451"kW）2種機(jī)型施工。

3.1"施工工藝流程

懸臂掘進(jìn)機(jī)隧洞開(kāi)挖施工工藝流程如下：施工準(zhǔn)備→測(cè)量放線→開(kāi)挖掘進(jìn)及出渣→一次支護(hù)→掘進(jìn)機(jī)維修保養(yǎng)→下一循環(huán)。

3.2"操作要點(diǎn)

3.2.1"施工準(zhǔn)備

（1）施工用水。施工用水主要包括掘進(jìn)機(jī)開(kāi)挖冷卻液壓油、切割電機(jī)用水、降塵用水以及一次支護(hù)用水。主管路采用DN50的塑料管，支管采用DN30塑料管。機(jī)械冷卻水可以回收重復(fù)利用，回水管路采用DN50塑料管。距離太長(zhǎng)時(shí)進(jìn)水管上增加增壓泵保證進(jìn)水壓力。

（2）施工用電。掘進(jìn)機(jī)用電電壓1"140"V，洞外10"kV高壓通過(guò)專用變壓器變至1"140"V，布置MYP-3×70+1×250.66/1.14"kV專用電纜給掘進(jìn)機(jī)供電，當(dāng)電損變大時(shí)，應(yīng)及時(shí)考慮10"kV高壓進(jìn)洞，一般每500～1"000"m倒一次變壓器。其他設(shè)備施工用電按照水工隧洞施工規(guī)范采用380"V/220"V/36"V用電考慮。

（3）施工通風(fēng)降塵。施工通風(fēng)降塵主要為掘進(jìn)機(jī)降塵通風(fēng)，采用2×24"kW風(fēng)機(jī)接DN400波紋管降塵抽風(fēng)，配置Φ600風(fēng)筒排至洞外，施工期間每2班人工清理風(fēng)機(jī)附近風(fēng)筒內(nèi)積塵；在洞口布置2×24"kW風(fēng)機(jī)送風(fēng)，配置Φ600風(fēng)筒至作業(yè)面。隧洞超過(guò)1"km后增加接力風(fēng)機(jī)保障降塵效果。

3.2.2"測(cè)量放線與洞挖控制

隧洞測(cè)量每200"m做一個(gè)控制點(diǎn)，采用全站儀放出中心與輪廓線，隧洞掘進(jìn)約30"m后，安裝3～5個(gè)激光指向儀控制開(kāi)挖支護(hù)尺寸，每班施工前作業(yè)人員在掌子面標(biāo)出輪廓線，每3天測(cè)量人員采用全站儀校核激光指向儀避免隧洞軸線偏移，激光指向儀與掌子面距離控制在100"m以內(nèi)。

3.2.3"開(kāi)挖掘進(jìn)及出渣

（1）施工工藝。懸臂掘進(jìn)機(jī)就位后，每循環(huán)施工先在斷面內(nèi)挖掘一個(gè)窩槽，再內(nèi)向外按O型依次施工（如遇掌子面節(jié)理發(fā)育，則應(yīng)選擇節(jié)理方向逐步切割[6]，以提高破巖效率降低截齒損壞），逐步切割成初步斷面形狀[7]，隧洞周邊預(yù)留30～50"cm，切割成初步斷面后進(jìn)行修邊，修邊時(shí)，切割頭及懸臂段最大限度與隧洞周邊平行，專人指揮通過(guò)2次修整以達(dá)到準(zhǔn)確的開(kāi)挖輪廓線。每次進(jìn)刀深度不超過(guò)截割頭長(zhǎng)度，以0.8"m為宜，掘進(jìn)機(jī)開(kāi)挖出渣同步作業(yè)，在切削的同時(shí)，鏟板部耙爪將切削下來(lái)的渣裝入第一運(yùn)輸機(jī)，三輪車（或小型四輪車）接料運(yùn)出洞外棄渣場(chǎng)。

1. 工作安排與人員配置。懸臂掘進(jìn)機(jī)開(kāi)挖隧洞工作效率4～6"m3/h，每班8"h掘進(jìn)不小于4"m，每天維保時(shí)間約2"h；每個(gè)作業(yè)面洞內(nèi)作業(yè)人數(shù)不少于23人，并根據(jù)實(shí)際情況增加電工、排水工和修路清泥的雜工等人員。Ⅲ類圍巖洞段，每2天安排5班作業(yè)，一個(gè)班支護(hù)，維修保養(yǎng)2"h；Ⅳ類圍巖洞段每2天安排4班作業(yè)，2個(gè)班支護(hù)（每天支護(hù)），維修保養(yǎng)2"h；Ⅴ類圍巖洞段每2天安排2班作業(yè)，4個(gè)班支護(hù)，維修保養(yǎng)2"h。

（3）不良地質(zhì)洞段施工。涌水涌泥塌方洞段施工采用短進(jìn)尺、勤支護(hù)、快支護(hù)方式施工，必要時(shí)調(diào)整一次支護(hù)工序順序，采用素噴封閉或后打錨桿的方式，確保施工安全；土洞、軟巖或強(qiáng)風(fēng)化巖洞段底板遇水變軟，施工過(guò)程中導(dǎo)致掘進(jìn)機(jī)沉降，如果洞室圍巖穩(wěn)定，則采用快速通過(guò)的方式施工，通過(guò)滲水洞段后硬化底板；如果洞室圍巖有塌方掉塊的情況，則按照涌水涌泥塌方洞段方式施工，施工期間做好引排水工作，采取墊鋼板、枕木或其他臨時(shí)措施保證掘進(jìn)機(jī)正常施工，通過(guò)滲水洞段后硬化底板；如果該洞段較長(zhǎng)，建議做好地質(zhì)預(yù)報(bào)及時(shí)變更開(kāi)挖方式。

3.2.4"一次支護(hù)

Ⅲ類圍巖噴C20混凝土；Ⅳ類圍巖系統(tǒng)錨桿掛網(wǎng)噴C20混凝土；Ⅴ類圍巖立拱架系統(tǒng)錨桿掛網(wǎng)噴C20混凝土。

3.2.5"維修保養(yǎng)

每2天給掘進(jìn)機(jī)打1次黃油并檢查全機(jī)是否存在螺絲松動(dòng)、漏油，檢查是否更換截齒，檢查齒座有無(wú)裂縫等問(wèn)題，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)處理，并專人做好保養(yǎng)記錄。

隧洞施工期間，要及時(shí)排險(xiǎn)，并根據(jù)地質(zhì)預(yù)報(bào)及時(shí)調(diào)整施工方案；備足灌漿材料、方木、鋸末、氧氣袋等應(yīng)急物資，確保施工安全。

4"材料與設(shè)備

懸臂掘進(jìn)機(jī)隧洞開(kāi)挖用到的主要消耗材料為S135-38-25HT截齒、黃油（截齒根據(jù)磨損情況隨時(shí)更換、每2天打1次黃油），68#抗磨液壓油、齒輪油（原則上每半年換1次齒輪油，專人檢點(diǎn)如發(fā)現(xiàn)油乳化、油臟、缺油及時(shí)處理），主要設(shè)備為EBZ220H、EBZ280掘進(jìn)機(jī)、三輪車（每個(gè)工作面配一臺(tái)掘進(jìn)機(jī)、四輛三輪車）。

5"控制措施

5.1質(zhì)量控制

（1）通過(guò)安裝多個(gè)激光指向儀，控制隧洞成型尺寸，增加測(cè)量校核頻率和2次修邊、修邊時(shí)專人指揮等手段控制開(kāi)挖尺寸；軟巖變形洞段根據(jù)變形監(jiān)測(cè)結(jié)果預(yù)留變形量，保證后期二襯斷面尺寸。

（2）施工期間對(duì)作業(yè)人員進(jìn)行質(zhì)量交底，嚴(yán)格執(zhí)行“三檢制度”，上道工序不合規(guī)嚴(yán)禁進(jìn)入下道工序施工；對(duì)工隊(duì)采取重獎(jiǎng)輕罰的激勵(lì)機(jī)制，嚴(yán)格控制施工質(zhì)量。

5.2"安全控制

（1）施工期間嚴(yán)格按照國(guó)家法規(guī)和相關(guān)規(guī)范要求施工。

（2）施工期間所有人員正確佩戴好口罩、手套等防護(hù)用品；對(duì)作業(yè)人員進(jìn)行安全交底，每班組召開(kāi)安全會(huì)，強(qiáng)調(diào)施工期間存在的安全風(fēng)險(xiǎn)及應(yīng)對(duì)措施。

（3）掘進(jìn)前操作人員檢查設(shè)備情況，是否有剎車失靈、漏油和其他異常情況，如有異常設(shè)備馬上停止工作檢修設(shè)備。

（4）掘進(jìn)期間專人指揮、專人監(jiān)測(cè)及時(shí)處理掌子面突發(fā)情況，掘進(jìn)完成及時(shí)排險(xiǎn)；洞內(nèi)行使車輛嚴(yán)格控制車速8"km/h以內(nèi)（會(huì)車、彎道、險(xiǎn)坡段控制3"km/h），所有車輛倒車時(shí)司機(jī)必須觀察后方是否有人或其他障礙物，確保安全才可倒車。

（5）所有作業(yè)人員上下班專車接送，嚴(yán)禁人貨同車；所有人員嚴(yán)禁從高于2"m的設(shè)備或平臺(tái)上往下跳，避免腳踝受傷。

（6）保證洞內(nèi)通信暢通和施工照明，所有作業(yè)人員穿反光服，洞內(nèi)車輛貼反光條并按規(guī)定時(shí)速行駛，防止機(jī)械傷人。

（7）施工用電采用三相五線制并做好閘箱、設(shè)備接地，洞內(nèi)用電設(shè)備按照規(guī)定嚴(yán)格做好防護(hù)警示措施。

（8）增加有經(jīng)驗(yàn)的帶班人員并加強(qiáng)地質(zhì)預(yù)報(bào)頻次，根據(jù)預(yù)報(bào)結(jié)果及時(shí)調(diào)整施工方案；加密加強(qiáng)洞室變形監(jiān)測(cè)，確保施工安全。

6"結(jié)語(yǔ)

滹沱河連通工程采用懸臂掘進(jìn)機(jī)代替鉆爆法開(kāi)挖，使用材料、設(shè)備較少，施工可控，無(wú)污染影響環(huán)境小，平均月進(jìn)尺達(dá)180"m，控制了超挖（超挖≤10"cm），懸臂式掘進(jìn)機(jī)顯著提高了施工效率，加快了進(jìn)度；開(kāi)挖成本與鉆爆法相差不大，但因其高效快速和控制超挖的特點(diǎn)，每千米隧洞施工可縮短工期3個(gè)月，超挖量相較于傳統(tǒng)鉆爆法可減少10%，隧洞節(jié)省混凝土約500"m3/km，節(jié)省成本約20萬(wàn)元，降低了施工成本。

懸臂掘進(jìn)機(jī)施工工藝適應(yīng)性強(qiáng)，巖石堅(jiān)固系數(shù)f≤8、小斷面隧洞最適宜懸臂掘進(jìn)機(jī)隧洞開(kāi)挖，大斷面隧洞及有保護(hù)要求的隧洞也同樣適用，類似工程還可重復(fù)使用，加之?dāng)?shù)碼雷管取代導(dǎo)爆管帶來(lái)的成本大幅增加和爆破施工的諸多限制，懸臂掘進(jìn)機(jī)施工工藝對(duì)水利行業(yè)類似工程具有重大借鑒和推廣意義。

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