摘要：本文结合武都引水二期工程应用实例，主要阐述了悬臂式掘进机在软岩隧洞中的应用，采用该设备施工，与传统钻爆施工方法相比较，具有大于传统施工工艺3倍以上进尺的明显优势，且保障了隧洞内围岩的稳定，减少了对环境的污染和破坏。
关键词：悬臂式掘进机；软岩；施工
1.前言
隧洞工程的施工条件极其恶劣，体力劳动强度和施工难度都相当大。现今多采用传统的钻爆法施工，存在的问题主要有施工效率低，工期长，安全性差，超欠挖难以控制。针对现有施工技术的不足，我们亟需研究一种高效，安全的施工技术来确保工程的顺利实施，以适应现代化工程的需要。
与钻爆法相比，掘进机隧洞开挖的特点在于施工过程是连续的，具有隧道工程“工厂化”的特点，他能实现连续截割、装载、运输作业，具有安全性好、速度快、成本低、省工与降低劳动强度、排渣容易等优点。目前，悬臂式掘进机已广泛成熟地应用在煤矿巷道施工领域，在水利水电工程领域水工隧洞方面应用很少。
2、工程概况
武都引水二期工程一标段施工，该工程主要是隧洞工程，隧洞占总的施工长度70%以上，工期仅有33个月。该工程隧洞开挖断面为直墙圆拱型，其断面尺寸为5.85m×5.925m。主要由砂岩和粉砂质泥岩组成，其平均强度在50Mpa以下，岩体完整性差，裂隙较发育，洞室稳定性较差，为Ⅳ、Ⅴ类围岩。武都引水一标段水工隧洞有4段，其中最短的隧洞为397m，最长的隧洞为2358m，隧洞围岩等级为Ⅳ、Ⅴ类，主要以砂岩和砂质泥岩为主。项目具有工程量大，工期紧，工程地质情况复杂，质量要求高等特点，若采用常规的钻爆法施工效率低，工期长，安全性差，软岩超欠挖难以控制。目前隧洞施工使用的主要是全断面掘进机，但全断面掘进机（TBM）一次性投入大，能耗大、不易改变开挖形状和尺寸，从隧道施工投资方面考虑，一般来说，当隧道长度大于6km或隧道长度与直径之比大于600时，宜采全断面掘进机。相比于全断面掘进机，悬臂式掘进具有一次性投入少、成本低，能适合于城门洞型和马蹄形断面掘进，特别在低于6km的软岩隧洞开挖中优势更加明显。
3、掘进机选型
隧洞开挖工程，对于工期、经济效益、生态环境等方面均有一定要求，但悬臂式掘进机也存在适应能力差等问题，若选择不当，不仅导致其掘进速度与生产效率显著下降，而且影响整个施工进度和企业经济效益。因此，有必要针对隧洞设计断面和围岩地质情况及成本方面选择合理的掘进机类型与型号。
武都引水工程一标段隧洞开挖断面为直墙圆拱型，洞室岩体完整性差，裂隙较发育，洞室稳定性较差，为Ⅳ、Ⅴ类围岩。通过市场调研，了解到煤矿上已经广泛应用的EBZ160、EBZ200、EBZ230三种型号的悬臂式掘进机，通过类比完全可以使用在类似水工隧洞开挖中。其参数对比见下表1。
表1 EBZ系列常用掘进机参数对比
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为了能够真正实现此机组在本工程的应用，从技术、工期、造价、环境等方面通过深入全面的对比分析，对厂家设备进行了实际考察，最终选用了徐工生产的EBZ200悬臂式掘进机作为本工程隧洞开挖作业。该掘进机能够实现连续截割、装载、运输作业，适用于煤巷或半煤岩以及软岩的巷道掘进，最大截割面可达32m³，截割硬度最大为90MPa，单机重量为54t。
4、掘进机施工方案
为了最大化利用机械设备和人力资源，加快施工进度，武引一标项目结合工程实际情况。根据断面尺寸和掘进机的作业特性，经现场技术管理人员探讨，采用分上下台阶断面开挖方式。先进行基础1.5m以上部位的开挖，掘进一定距离后，再进行下部分开挖。台阶上部掘进长度考虑后期浇筑二期混凝土衬砌的时间，支护作业的前端距离掌子面的距离应视围岩地质状况决定。
玉皇观隧洞和瓦窑沟隧洞长度都在400m左右，采取单向掘进，基础1.5m以上断面开挖的进尺取40～90m，每进尺5～15m，停机进行喷锚支护，待上部开挖完成后，退出掘进机再进行下部开挖掘进，二期衬砌混凝土浇筑安排在掘进机停机期间。
龙山隧洞长1409m，其围岩地质状况与上述两个隧洞相同。采用双向掘进，若采用一台掘进机时，先从进口单向掘进，基础1.5m以上断面开挖进尺取40～90m，每进尺5～15m，停机进行喷锚支护，上部开挖完成后，退出掘进机进行下部开挖掘进，待进口方向掘进700m左右时，再将掘进机调到出口开始掘进。
悬臂式掘进机在掘进时，截割部上的截割头沿岩石开挖面滚动，在截割电机的驱动下，截割头的转动形成对岩面的滚动挤压，截割头每转动一圈，就会贯入岩面一定深度，在截齿与岩石接触处，岩石被挤压成碎块，从这个区域开始，裂缝向相邻的切割槽扩展，进而形成岩渣，从而实现破岩。铲板部将岩石渣从底板上铲起并通过星轮的旋转将其输送到第一运输机，第一运输机马达拖动刮板链将铲板入口处的岩石运出至二运，最后通过二运直接装车运走。
5、掘进作业
Ⅰ.操作顺序
开动油泵电机——开动第一运输机——开动星轮——开动截割头，以此作为开动顺序。当没有必要开动装载时，也可以在开动油泵电机后，起动截割电机。
采用EBZ200型掘进机截割之前，首先让当班技术员按照中、腰线、设计断面尺寸用红漆画出工作面轮廓线，然后掘进机司机开机空载试运转后开始掘进。掘进过程中如拱顶破碎、岩层块石掉落时，掘进一排锚杆间距应立即喷锚支护。
Ⅱ.截割工艺
利用截割头上下、左右移动截割机动性，借鉴煤矿的开挖工艺，在掌子面采用由下左右回转向上截割的工艺，如图1所示。可截割出初步断面形状，如果截割面未达到设计所需断面形状和尺寸，可进行二次边墙和顶拱修整，以达到断面尺寸的要求。此种截割方法充分利用了掘进机截割部的机动性和灵活性，掘进机的操作也相对简单。经现场施工实际统计，在砂岩和泥质砂岩为主的围岩中平均每天可进尺11m左右。
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图1由底部左右回转向上截割的工艺
当隧洞开挖断面的高度在4.5m以下（不小于2.2m）、跨度小于6m（不小于2.7m）的尺寸时，宜采用全断面开挖。武都引水隧洞的断面尺寸为直墙圆拱形（5.85m×5.925m），断面面积30.98㎡，实际掘进（EBZ200掘进机）分上下台阶开挖，由底部左右回转向上推进的开挖方式。
Ⅲ.掘进机机械人员配套方案
一台EBZ200型掘进机和3台自卸汽车（根据运距可适当增减），供电系统为一台1140V的箱式变电站；对于人员配备，包括一名掘进机操作手1人，运输车司机3人，辅助工人2人即可，必要时可配备1名指挥维护员。
6、结语
悬臂式掘进机在武都引水工程得到成功应用，与传统钻爆施工方法相比较，大于传统施工工艺3倍以上进尺的明显优势，隧洞断面控制良好，基本不存在超欠挖现象，为按时完成施工目标提供了有力保障。它的优势还在于：施工过程中，单班只需要1名掘进机操作手、2名辅助工人和3名渣土车司机，减少了人员成本；在施工工序控制过程中，不再需要以往传统工艺的钻孔、装填、爆破、清渣装运等程序的运作，在掘进的同时，就可将渣料利用掘进机自身的集料输送装置直接装车清运出去，降低设备投入，减少多设备人员同时运作的交叉作业场面，提高了安全性。掘进机的使用，与传统施工工艺相比，在施工安全、环境保护、施工工艺、成本控制上都有明显的优势。
参考文献：
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论文作者:刘嫦
论文发表刊物:《基层建设》2019年第29期
论文发表时间:2020/3/3
标签：隧洞论文; 断面论文; 掘进机论文; 悬臂论文; 围岩论文; 工程论文; 进尺论文; 《基层建设》2019年第29期论文;