XTR260悬臂式掘进机在公路隧道工程中的应用

李玲玉 吕金明

(中交路桥建设有限公司，北京 101121)

0 引言

钻爆法施工具有作业不连续、工序复杂、破坏周边岩、扰动原岩、开挖石块破碎度不均匀等诸多缺点。随着社会安全形式发展，各级政府公安部门对炸药管控力度也逐步加强，因大规模活动、会议而停供炸药时常发生，钻爆法的局限性愈发凸显。悬臂式掘进机是一种集截割、装载、行走、除尘于一体的联合式组合机械设备，其主要应用于煤炭开采领域，近两年随着设备制造技术的大力发展，重型式悬臂掘进机研发也取得了一定突破，为其在隧道工程开挖施工中应用提供了基础。

1 工程概况

柞木台隧道位于长白山脉北侧支脉，牡丹岭之中，周围山峦连绵起伏、森林茂密，海拔768 m～1 034 m，隧道长2 970 m。隧址区位于新发—鱼亮子林场断裂和仁义顶子断裂之间，受其影响隧址区花岗岩节理裂隙发育、岩体破碎，断层共有7条，断层附近节理裂隙发育，岩体破碎。隧道进口位于柞木台林场，需修筑便道约4 km；出口位于光明林场，需修筑便道约16 km。

2 方案选定

隧址区动植物物种丰富，时常有野生动物出没，为提升洞口段破碎岩体段隧道开挖施工安全性，降低开挖施工对林区野生动物影响，打造绿色鹤大高速，项目组人员通过对钻爆法、TBM、悬臂掘进机等施工工艺进行了综合比选，综合付进、漆泰岳等人[4，5]对掘进机在隧洞及地铁隧道施工应用成本情况进行分析，结合本项目施工需求，提出重型悬臂式掘进机开挖的实施思路。为弥补传统煤矿掘进机在公路隧道施工中存在的不足，通过对国内悬臂掘进机设备综合比选，向徐工提出设备使用需求。2014年6月，江苏徐工生产的首台隧道施工用重型悬臂式掘进机XTR260下线，该设备最大切割高度7.1 m，最大截割宽度7.5 m，对大断面公、铁路隧道可一次截割到位，实现真正意义上掘进机全断面开挖施工。

3 施工工艺

3.1 工作原理

XTR260隧道用悬臂式掘进机工作时主机截割头的转动把岩石切割剥落下来，前推板将渣土推送至机械两侧，然后用挖掘机装车出渣。通过切割臂的上下、左右摆动，对隧道断面任意位置进行切割，截割头切割出的围岩表面平整，超欠挖控制好。掘进机自带的履带式行走机构，机动灵活、转弯方便、爬坡能力强，特别适用于隧道内复杂地质条件。

悬臂式掘进机的掘进过程即是截割头、截割臂的组合运动，即截割头的空间螺旋运动和截割臂的上下、左右摆动及运动组合，具体呈现出四种截割运动状态，截割头及截齿运功轨迹如图1所示。

3.2 掘进工艺

悬臂掘进机钻进作业通过设备履带机构行走来实现，掘进工作由机械本部前后运动+截割臂左右摆动+截割臂水平摆动+截割头旋转四部分综合组成。软岩中钻进时间较短，硬岩中钻进时间长，掘进时通过机体的前进、后退，截割臂的左右、上下摆动，截割头绕截割臂轴向转动共同来完成，切割原则截割头沿阻力最小方向移动。

掘进机通过截割头的上下、左右复合运动，隧道断面初具雏形，此时断面与最终需呈现出的断面形状还有一定差异，最后还需要截割头环向运动修正轮廓线，以达到设计要求，具体工作方式如下：

1)掏槽切割。

掘进机掏槽切割时所需力较小，掘进推力通过掘进机前进提供。掏槽时截割头的推进方向与切线方向形成近似直角。掏槽点可选择隧道断面任意点位置，施工时应确保截割臂处于水平状态，选择截割头处岩石较硬的点，此时截割头处于最好受力状态。掘进机最大掏槽深度为截割头长度，掏槽施工时避免掘进机顶进施工。

2)横向摆动切割。

横向摆动切割方式选取应根据岩层走向来确定，当岩层走向水平时，横向切割最有利，对截齿损伤最小。掘进时转动截割头进行掏槽作业，转动回转轴承，使截割头沿着岩石层理方向水平均匀转动，转动时避免过快操作损伤截齿。

3)竖向摆动切割。

当岩层层理是倾斜或竖直时，选择竖向摆动切割，此时锁定机械本部回转轴承，通过调节液压油缸，利用截割臂带动截割头做上下竖直运动。

4)断面修整。

掌子面经截割头上下、左右移动切割后，可切割出断面大致形状，此时与设计断面还有一定差异，需用截割头绕轮廓线环向截割作业，达到断面设计要求。环向截扫作业时，控制好截割头移动速度，不可过快。

5)出渣。

XTR260通过前推板将切割下来岩体推挤至设备两侧，通过挖掘机装车，运输至洞外。但其前推板设计，虽降低了设备成本和结构自重，但不能实现切割出渣同步作业，出渣效率受到一定影响。

不同开挖工艺截割路线图见图2。

3.3 控制措施

悬臂掘进机对不同岩层采取不同工艺进行切割：对硬度较小(f<6，f为岩石普氏系数)的岩石，截割头水平摆动循环向上切割；对岩层硬度不同、软硬不均时，先剥离硬岩周边软岩，截割头自下而上左右摆动切割；对硬度较大的岩石(6≤f≤10)，根据岩层的节理情况确定钻进深度，钻进时截割臂应处于水平状态且位于机器中心位置。

3.3.1软岩掘进控制

掘进机在隧道软岩和极软岩地层开挖时，应根据围岩变形量情况，在设计开挖线基础上，预留适当的变形量，确保二衬施工完毕后，不侵入设计建筑界限。

1)泥岩。

在泥岩地层中，应选用“大螺距螺旋线截割头+长形截齿”截割头。为防止粘土粘住截割头，掘进过程要及时清理截割头上粘土，避免干燥后硬化，糊住截割头。

2)砂岩。

较普通石灰岩而言，砂岩对截割头的损耗更大，施工时应选用砂岩专用截割头，同时通过降低截割头转速，降低截齿损耗。

3)软硬不均岩层。

遇到软岩中夹杂局部裸露硬岩时，应先对硬岩周围部分岩体切割，将其剥落后，再进行分解装载。作业时，推板与地面处压接密实，防止机体振动影响切割效果。

3.3.2硬岩掘进控制

大块硬岩对掘进机截齿损伤很大，施工时应根据岩石硬度及节理发育等因素综合对比，确定钻进位置和深度。为减少截齿损耗，对100 MPa以上无裂隙岩石应先切削周边软岩，改变切割线路进行挤压破碎，将整块岩石剥落。对大面积硬岩可采用松动爆破释放岩石应力，同时更换更小的截割头，安装硬岩截齿。硬岩钻进过程，单次最大钻进深度控制在22 cm，以掏槽孔为起点横向扩展，最大扩展尺寸不超过70 cm。

3.4 降尘作业

掘进机切割过程中会持续产生粉尘，且截割头持续与岩层摩擦温度也会上升。为改善洞内作业环境，确保截割头温度处于合理状态，施工时采取喷水进行除尘降温。截割头启动后，打开设备自带的外喷雾控制阀，对截割头喷雾后方可切割岩石。为确保降尘效果，施工前应检查设备冷却系统及喷雾系统，确保喷雾系统无堵塞且流量不小于40 L/min。

3.5 精度控制

为控制好超欠挖，施工时采用激光导向系统进行标记开挖轮廓。根据隧道断面尺寸情况，安装5个～7个激光导向器。激光导向器安装于已施工好的二衬上，其光束能够长距离聚焦、穿透力强，标记点清晰干扰小，断面修整时通过激光束标记点可有效控制超欠挖。

4 结语

悬臂式掘进机能够具有震动小、安全风险低、环境适应性强等特点，通过激光导向定位与描红标记定位相结合能较好控制超欠挖，但实施过程中需关注以下几点：掘进机调整时会导致12 m～16 m中隔墙不能施工，对于小断面CD法不适用；由于掘进机总质量大，易对CRD法的临时仰拱造成破坏，故其不适用于CRD法施工。为防止开挖时悬臂掘进机截割头破坏已施作好的初支结构，初支施工距掌子面要留有0.8 m左右的空间。悬臂掘进机开挖过程中持续产生粉尘，且随摩擦时间增长，截割头温度会上升，施工时需持续对切削面截割头喷水降温、降尘。

参考文献:

[1] 安国明.隧道施工专题讲座——山岭工法中[J].工程机械与维修,2008(9):112.

[2] 彭秀芹.XTR260悬臂式隧道掘进机回转机构设计及有限元分析[J].江苏建筑职业技术学院学报，2016(9):40.

[3] 鞠林林.小断面、长隧洞悬臂式纵轴掘进机开挖工法[J].水利建设与管理，2017(5):78-82.

[4] 付 进,刘欣意.国内悬臂式掘进机隧洞开挖的成本分析[J].四川水利,2016(1):50.

[5] 漆泰岳,李 斌.悬臂掘进机在复杂断面地铁隧道中的应用研究[J].现代隧道技术,2011(8):32-38.