掘进机在小断面隧道施工中的应用研究

潘相辉

摘 要：甘肃省引洮供水二期工程6标段总干渠18#隧洞为背景，针对小断面隧道的开挖研究，采用EBZ260型掘进机进行隧洞开挖，掘机施工是依靠电机使截割部旋转带动截齿切割岩石，属于物理割岩，与钻爆相比减少了掘进对周围岩石的扰动，另外在环境保护及改善作业环境方面也有着较大提升，不会产生有毒有害气体，与钻爆施工工艺相比，在循环作业时间上也有较大效率。

关键词：小断面隧道；掘进机；激光；钻爆；出碴

1 引言

甘肃省引洮供水二期工程总干渠施工第六标段，总干渠18#隧洞断面尺寸宽×高=3.9×4.001（m），全长1298.95m。隧洞主要岩层为粉砂质泥岩，以泥质胶结为主，岩性软弱，属极软岩，遇水易软化崩解，失水干缩，抗风化能力差。目前国内隧道施工多采用钻爆法进行隧道开挖，对于Ⅳ、Ⅴ级围岩爆破施工，由于围岩岩性软弱，开挖断面较难控制，超挖现象较为严重，爆破施工后洞内烟尘较大，施工环境差，民爆火工品使用存在一定安全风险都等。

2 工程概况

甘肃省引洮供水二期工程总干渠施工第6标段总干渠18#隧洞，隧洞全长1298.95m，设计围岩为AnZm×3前震旦系片麻岩古风化壳的强分化层、N2P粉砂质泥岩。采用EBZ260型掘进机进行隧洞开挖，在进度方面具有开挖速度快、开挖出碴可同时作业、机械化程度高等特点；在质量方面具有对围岩扰动小、开挖断面成型规则、超欠挖小等特点；安全文明施工方面具有施工震动、烟尘、噪音小，安全性高，对周边居民房屋的扰动小。

在距离工作面50m处安装激光指向定位系统，调试完成后在掌子面形成清晰可见的开挖轮廓线，准确对开挖轮廓進行定位，为掘进机开挖做指引；掘进机通过旋转截割部，使截割头上截齿与岩石在压力作用下发生碰触，利用物理作用把岩石从围岩母体中剥离出来，再利用掘进机上铲板、星轮、第一运输机、第二运输机等配套设施把剥落的碴石从掘进面转送至出碴车上，由出碴车把碴石从洞内运至洞外排碴场。

3 关键施工技术

3.1 施工工艺流程

设备检查→边仰坡施工→超前管棚施工→激光指向仪安装→激光指向仪调试→掘进机开挖施工→掘进机出碴施工→掘进机出碴施工→开挖断面修整→钢拱架安装→锚杆、网片安装→喷射混凝土→出渣清底。

3.2 设备检查

掘进机运行前，首先检查电源电压，掘进机电压为1140V、紧急制动系统是否灵活、液压系统油管油温及抗磨液压油数量，行走部、一运输送、铲板及星轮、截割部运转操及油路；截割部运转及截齿缺损情况，二运皮带的运转检查。

3.3 边仰坡施工

进洞前，首先完成洞顶排水沟、洞外截水沟，以便预计引离地表水。然后，自上而下进行边仰坡开挖，严禁掏底取土或使用大量爆破，施工中尽量减少对原岩层的扰动，最后按设计坡度对边仰坡一次修整到位，并分层进行边坡防护，以防岩土风化，雨水渗透而坍塌。隧道洞口边，仰坡采用锚喷防护，坡面修整好后按设计要求成孔，成孔后及时施工水泥基药卷锚杆。 安装钢筋网时，依托锚杆头挂焊Φ6.5钢筋网，逐点焊牢，同时边敲击筋条贴合岩面凹凸起伏（间距不大于3cm），保持平顺，特别凹陷处应增加挂网锚杆固定。喷射小石子砼前对岩面应先喷水湿润，以免砼层成壳脱落，在网片生锈前及时从上向下喷射。喷射小石子砼的配合比、外加剂掺量、气压、水量、喷距、每次喷厚、层次等应经现场工艺试验确定。

3.4 超前管棚施工

隧洞拱顶180°范围内施工超前小管棚，采用φ42超前小管棚，管棚长度L=3m，环向间距30cm，仰角1°～3°。

3.5 激光指向仪安装

隧洞掘进超过50m后，在距掌子面前50m处安装激光指向定位系统，定位系统包括测量部（YGB-800型激光指向仪5台）、校准部（激光对中环10组）、蓄电池等构件。

测量部激光指向仪安装位置，延隧洞断面环向布置，如图1所示，拱顶布置1台（1-1），拱架连接板处布置2台（1-2、1-3），拱架腰线处布置2台（1-4、1-5）。在激光指向系统前方20m及40m处各安装一组校准部（激光对中环），根据“三点一线”的原理，用于对激光指向仪进行校准。校准部激光对中环布设位置与测量部激光指向仪安装位置对应，并使激光指向仪发射激光束能穿过两组对中环照在掌子面上。如图2所示。

3.6 激光指向仪调试

激光指向系统安装完成后，采用全站仪对其测量部进行调试，使5台激光指向仪发出的激光同时照在掌子面上，激光点在掌子面上形成一圈清晰的环形轮廓，即作为开挖断面的轮廓线。激光指向系统中每个激光指向仪前20m及40m处各安装一个激光对中环，并调试对中环使激光束穿过对中环打在掌子面上。此处对中环用于对激光束位置进行复核，日常检查中若发现激光束未穿过对中环，则判定测量部发生位移，须立刻对测量部进行调试。

3.7 掘进机开挖施工

掘进机通过旋转截割头截割岩石，利用截割头上截齿把岩石从母体中剥离下来，截割的进刀一般是从隧洞左下角开始，向岩石内割岩，进刀深度为截割头三分之二为宜，EBZ260型掘进机截割头长1200mm，每循环进刀为800mm。然后沿隧洞底板向隧洞右侧缓缓推进，截割到隧洞右侧轮廓线时向上进刀，然后向左侧割岩，按照“之”字线路由下到上依次割岩。

隧洞采用掘进机向前掘进，隧洞轮廓线间距误差小于50 mm，隧洞周边不应欠挖，平均线性超挖值应小于100 mm。

一般情况，当截割较软的围岩时，采用左右循环向上的截割方法；当截割稍硬岩石时，可采用由下而上左右截割的方法；不管采用那种方法要尽可能地利用从下而上截割；当遇有硬岩时，不应勉强截割，对有部分露头硬石时，应首先截割其周围部分，使其坠落。对大块坠落体，采用爆破方法处理后再进行装载。

3.8 掘进机出碴施工

在截割岩石的同时，掘进机通过铲板星轮转动，将从岩层中剥落的碎岩传送至掘进机中间溜槽的第一运输系统；第一运输系统通过溜槽内刮板滑动将碎岩转送至掘进机后的二运皮带上；第二运输系统通过二运皮带电滚筒转动带动皮带传动，碎石经过二运皮带传送至出碴车上，由出碴车转运至洞外弃碴场。

3.9 开挖断面修整

根据激光指向仪系统定位轮廓线对开挖断面进行检查，用截割头对已截割完成隧洞进行修整，不许欠挖，超挖控制在100mm以内。

3.10 钢拱架安装

拱顶、侧墙断面检查合格并排除浮石后，进行钢拱架安装，拱架采用I16工字钢加工全封闭钢拱架，安装间距0.8m，钢拱架平面垂直于隧洞中线，其倾斜度不大于2°，鋼架的任何部位偏离铅垂面不宜大于5cm。拱架连接筋采用φ25螺纹钢，环向布置间距50cm。

施工平台由掘进机改造而成，在掘进大臂及机身上加装护栏、上下踏步，以掘进机机身作为施工作业平台，进行拱架安装及喷射混凝土施工，从而提高了循环作业效率。

3.11 锚杆、网片施工

拱顶、侧墙设φ20水泥基药卷锚杆L=2.5m，梅花形布置，7/6根每延米，排距1.0m。拱顶、侧墙范围内设φ6.5×200×200mm钢筋网。

3.12 喷射混凝土施工

喷射顺序为：先墙后拱，从墙基（100mm）开始自下而上进行，喷枪头与受喷面应尽量保持垂直。初喷厚度不小于50mm，喷浆时，必须采用湿料，喷射前，必须冲洗岩帮，喷头与受喷面的距离以0.9m-1.2m，角度为不小于75[°]为宜，复喷厚度不小于100mm，。

3.13 出碴、清底

喷射混凝土施工完成后，掘进机出下部回弹喷浆料，清理底板多余碴石。

4 结束语

本文通过掘进机在小段面隧道施工中的应用研究，掘进机在Ⅳ、Ⅴ级围岩的小断面隧洞中投入使用，与通常钻爆法相比，减少因围岩稳定性较差而造成安全事故发生率，同时减少了有毒有害气体产生，从根本上保证了安全和施工质量。掘进机截割岩石属于物理方法截割岩石，截割速度快，可以实现掘进、弃碴运输连续作业，提高了掘进效率，缩短建设施工周期，降低了工人劳动成本；改善了作业环境，节能，环保，降低工程措施费用，节约工程成本，同时缩短工期，经济效益显著。

参考文献：

[1] 宋金虎，吕建刚.悬臂式掘进机的研究分析[J].山东煤炭科技，2014.

[2] 朱传平.EBZ260H型掘进机在隧道施工中的应用[J].西北水电，2011.

[3] 朱春勇.EBZ260H型掘进机在全岩石大断面中的运用[J].中国西部科技，2014.