掘进扒渣一体机在小断面隧洞施工中的应用

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(中国水利水电第十工程局有限公司，成都，610072)

1　工程概况

毗河供水一期工程属四川省重点水利工程，该工程由引水枢纽、总干渠、干渠、充水渠及灌区渠系工程等组成。蟠书灌区由蟠书补水渠(总长3.951km)、书永分干渠(46.625km)、长河支渠(8.653km)、云峰支渠(9.63km)、龙台支渠(4.603km)组成。灌区隧洞总长约为39km，其中长河、云峰、龙台支渠均属于小断面隧洞，总长约为18.696km，设计过水流量1.3m3/s～1.8m3/s，隧洞开挖断面为2.1m×2.4m的城门洞型，衬砌后的断面尺寸为1.5m×1.8m。

2　地层情况

渠道隧洞穿越山脊、山咀、垭口和沟间山体，地层为白垩系上统灌口组(K2g)、下统白龙组(K1b)和苍溪组(K1c)，侏罗系上统蓬莱镇组(J3p)和遂宁组(J3s)地层，岩性为砂岩和粉砂质泥岩互层，在安岳境内岩层特性属软岩～较软岩。通过岩石取样进行抗压试验，强度在2.0MPa～16MPa之间，适合掘进机施工工艺。

3　隧洞开挖方式及设备选型

本工程具有线性长、涉及乡镇多、附近房屋及附属设施密集、隧洞埋深浅、地质情况复杂等特点，特别是多数隧洞穿越高压天燃气管道，隧洞周边及轴线上方民房较多，采用传统的钻爆法施工，对民房影响较大，监理、建设单位等单位也不同意采用此方案掘进。除了该方法之外，项目部又想到采用液压锤进行软岩剥离，但由于洞径较小，设备需要改造，采用柴油设备机械进入隧洞施工，发动机燃烧产生的尾气很难在短时间内抽出去，没有配套的运渣机械设备，综合施工效率也不高，难于满足本项目施工进度要求。

针对上述情况，寻找一种快速的施工设备及方法，采用配套的专项机械设备组成机械化施工作业线，形成较高的、均衡的生产能力是确保项目按期完成的关键。综合分析上述两个方法的弊端，结合本项目小断面隧洞断面几何尺寸、合同工期要求及成本分析对比，提出一种采用煤矿开采用的掘进机来进行隧洞岩石开挖，经过对国内市场上一些主流掘进机的调研，发现目前使用的掘进机一般尺寸都较大，无法满足本工程小断面尺寸要求，通过分析，决定选用符合隧洞断面尺寸为2.1m×2.4m的扒渣机改装成可掘进扒渣一体机。

4　掘进机器改装

扒渣机主要适用于隧洞钻爆后进行石渣收集，为适应小断面隧洞施工的成套专项作业，对扒渣机进行改装，在扒渣机抓斗上部安装铣挖钻头，液压系统做适当的改造，同时在机身部位安装了矿用湿式除尘风机。掘进扒渣一体机从而具备了隧洞开挖、集渣、排烟等为一体的功能，与悬臂式掘进机功能相似。通过现场试验，掘进扒渣一体机单日最高进尺为7m，月平均进尺为120m。采用掘进扒渣一体机洞挖施工的资源配置见表1。

表1掘进扒渣一体机洞挖施工资源配置

5　掘进施工

5.1　施工准备

5.1.1技术准备

根据相关资料对隧洞进行施工总体布置、规划，在施工资源配置上充分考虑不利因素；同时计算设计隧洞施工临时用电，根据断面尺寸、人员投入计算洞内需要的用风量及通风设备选型等。

施工前做好掘进扒渣一体机的改装工作，特别对液压系统、电器等设备的检测保养，以及通风排烟的设备安装就位，预防施工中发生故障。

5.1.2风、水、电及临建布置

(1)供风：通过计算，施工用风可采用一台13m3空压机供应，用于临时支护。

(2)供水：由于洞口附近无可利用河流、水库，施工用水采用钻井取水。

(3)供电：施工用电在洞口位置布置一台360kVA(变1140kVA)变压器，以满足隧洞施工用电。

(4)其它临建：临建布置主要包括钢筋加工棚、材料堆放区、库房、现场办公区等。

5.2　施工工艺流程

开挖前，测量放线完成后，掘进机就位施工。在隧洞掘进过程中，经常校核布置在顶拱、两侧边墙的激光指向仪，确保隧洞开挖断面符合设计、规范要求。洞挖施工程序为：洞口开挖→测量放线→掘进机掘进→石渣运输→支护施工→下一个循环。掘进扒渣一体机开挖见图1。

图1　掘进扒渣一体机开挖示意

掘进机进场调试好后，在开挖前，通过测量仪器放出开挖轮廓线，并在隧洞口安装5个激光指向仪(根据隧洞断面大小安装激光指向仪个数，本工程的断面一般安装3～5个)。

5.3　主要施工方法

前期工作准备好后，将掘进机移动到隧洞洞口掌子面，启动设备开始洞挖施工。施工顺序从下到上掘进，当掘进1m3～2m3洞渣时，停止掘进，使用螺旋钻头开始集渣，同时四轮拖拉机出渣车倒至掘进机出料口，石渣料开始上车，运输至弃渣场弃渣，如此循环，达到边开挖边出渣的效果。根据洞内岩层情况，同时考虑操作人员的施工安全，在掘进4m～6m后，停止掘进，支护到掌子面后再继续掘进。

由于隧洞数量多，而且隧洞长短不同，特别是长隧洞出渣，直接影响隧洞的开挖速度，隧洞出渣车的数量配置至关重要。根据隧洞长度，在采用掘进扒渣一体机进行洞挖施工的情况下，隧洞掘进150m～200m，应设置一处错车道，确保出渣车能够正常错车通行，不影响隧洞出渣效率。根据现场经验，500m以下的隧洞，渣场距离洞口在500m以内的可配备3台出渣车，长度超过500m的隧洞根据现场实际情况增加1～3台出渣车，若单座隧洞超过600m，综合考虑可采取双边掘进。

为便于管理，对出渣车分别编号为1#，2#，3#……，若1#出渣车在掌子面装料，2#就在临近掌子面的错车道等待，3#在后一个的会车道上等待，以此循环。当掌子面的1#出渣车运渣行驶至掌子面附近的会车道时，在此停靠的2#出渣车开往掌子面开始装渣，当1#出渣车出了洞外后开始卸渣时，在洞外等待的出渣车开始进洞,开进错车道进行等待，这样循环往复，有序进行，配置的设备能有效利用，提高出渣效率。

5.4　掘进扒渣一体机施工技术要领

(1)在隧洞开挖前按照设计断面轮廓线进行施工放线，为减少测量工作，可在掘进10m左右时，安装激光指向仪，不定期对指向仪进行复核，防止因运输车辆刮蹭影响激光指向仪的精确性。

(2)隧洞的开挖桩号和断面在每个开挖循环完成后测量复核，从而控制隧洞超欠挖及弯道转弯半径。

(3)由于掘进扒渣一体机开挖钻头为螺旋式，当钻头接触掌子面向下旋转时，形成圆弧，由此掘进过程中开挖轮廓线控制尤为重要，除操作人员严格按照施工放样掘进外，操作人员视线清晰，是控制超欠挖的关键，防止机手视线模糊操作的随意性。

(4)根据岩层情况，洞内岩层为Ⅲ、Ⅳ类，掘进4m～6m为一个循环，岩层为Ⅴ类，掘进1m～2m为一个循环；为了保证操作人员的安全，每个循环长度不宜超过司机位置至钻头的长度。

(5)洞内岩层为粉砂质泥岩，遇水易软化，开挖过程中不宜采用喷水降尘，在掘进扒渣一体机上安装降尘装置，可有效控制掌子面及操作空间粉尘浓度。同时洞外配备一台轴流式通风机，采取抽排结合循环排烟。为确保周围居民及项目职工生活环境不受粉尘的影响，在轴流风机出风口安装自动水淋式降尘，将粉尘进行收集。

6　应用效果分析

毗河供水一期六分部引进了掘进扒渣一体机进行小断面隧洞施工，与传统钻爆法相比，在小段面隧洞开挖施工中具有非常明显的优势，技术方案是完全可行的，经济上也优于传统的钻爆法施工，还大大改善了现场作业环境条件，利于作业人员身心健康，产生了较好的经济效益和社会效益。

本项目采用旧的扒渣一体机改装而成，改进技术工艺没有进行系统设计及分析，改装后的设备故障率较高，修改成本增加，设备的使用效率还未完全发挥出来，需要进一步探索、创新和改进。

7　结语

传统的小断面隧道施工主要依赖小型机具施工，工效低、工期长，受狭小工作面、劳动生产率低的制约，一直以来小断面隧洞是制约项目成败的关键，解决专用机械设备的问题，形成专项机械化作业线一直在探索中。隧洞是水利水电工程的重要组成部分之一，探索与实践综合施工配套技术的组织与实施，促进非标机械设备的开发是十分必要的。