悬臂式掘进机在水工隧洞施工中的应用

李 斐，李风辉

（1.山东大学，山东 济南 250100；2.济南聚源水务有限公司，山东 济南 250014）

南水北调济南市市区续建配套工程卧虎山水库供水线路改造一期工程从锦绣川水库输水渠道引水到浆水泉水库和孟家水库，包括维修隧洞2.4 km，铺设管道2.17 km，再新建隧洞6.38 km。工程于2014年10月26日开工，其中第三标段为兴隆水库-浆水泉水库新建隧洞3.84 km，设兴隆水库北洞口、小岭支洞、浆水泉分水口3个施工场地，4个工作面。隧洞洞室穿越地层主要有奥陶系下统马家沟组厚层灰岩、薄层状含泥质灰岩（桩号4+764～5+746左右一带），寒武系上统凤山组竹叶状灰岩、厚层灰岩、薄层状含泥质灰岩（桩号5+746～10+875左右一带）。初期支护后的断面尺寸变更为：城门洞断面形状，城门洞断面圆拱中心角为180°，Ⅱ、Ⅲ类围岩宽4 m、高3.8 m，Ⅳ类围岩宽3.8 m、高3.6 m，Ⅴ类围岩宽4.1 m、高4 m。

原设计隧洞全线采用钻孔爆破的方式施工，但由于小岭支洞-浆水泉段隧洞穿过小岭村，隧洞顶距上方村民的房屋深度大约18 m，局部不足10 m，实施钻孔爆破的难度较大。考虑施工线路以及爆破影响范围等多种因素，结合实际隧洞尺寸和岩石情况，该标段最终选用SYR260悬臂式掘进机进行隧洞掘进施工，具体参数见表1。

1 悬臂式掘进机

1.1 结构组成

掘进机由切割部、铲板部、第一运输机、本体部、行走部、后支承、液压系统、水系统、润滑系统、电气系统构成，第二运输机根据实际出渣设备进行自配[1]。

表1 掘进机参数

1.2 掘进机施工方法

掘进机洞挖施工程序：施工准备→掘进机开挖施工→土石方运输→隧洞支护施工→下一个循环。

开挖前，测量放线完成后，掘进机就可进行开挖施工。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，以确保隧洞轴线符合设计、规范要求。

工作面采用“一次切割成形，二次局部修整”，即切割头从工作面中间截面的底部开始截割，利用切割部的上下、左右移动以及行走功能，按切割规定的路线使切割头扫过隧洞截面切割出初步断面的形状，若切割断面与实际所需要的形状和尺寸有一定的差别，可进行二次整修，以达到断面尺寸要求；切下的石渣由铲板收集，通过传动皮带交由自卸汽车运走[2]。

1）掘进机操作顺序。启动油泵电机→启动第二运输机→启动第一运输机→启动星轮→启动切割头，以此作为开动顺序。当没有必要开动装载时，也可以在启动油泵电机后启动切割电机。当启动油泵电机时，与其直接相连的油泵随之启动，供给液压油[3]。

2）掘进机切割。利用切割头上下、左右移动截割，可截割出初步断面形状，该切割断面与实际所需要的形状和尺寸有一定的差别，可进行二次修整，以达到断面尺寸的要求。一般情况下，当切割较软的岩石时，采用左右循环向上的切割方法，见图1；当切割稍硬的岩石时，可采用由下而上左右切割的方法。当遇有硬岩时，不应勉强切割，对有部分露头硬岩时，应首先切割其周围部分后使其坠落。对于大块坠落体，采用适当的办法进行处理后再进行装载。当掘柱窝时，应将切割头伸到最长位置，同时将铲板降到最低位置向下掘进，在此状态下，将切割头向回收缩，将围岩拖拉到铲板附近以便装载，但还是需要用人工对柱窝进行清理[4]。

图1 左右循环向上切割示意图

3）出渣及运输。切削后，采用切割头将切削下来的渣装入第一运输机，同时采用第一运输机将其转运至第二运输机，第二运输机直接装入出渣车将其运出洞外。掘进机完成一个循环掘进后，按照支护方案进行隧洞的临时支护之后再进入下一循环施工。

2 悬臂式掘进机优点

2．1 提高施工进度与施工安全

使用掘进机施工，进尺效率较高。12 m2的断面，IV级围岩，正常f6-f7左右的岩石紧固系数，进尺约1.4 m/h（注：考虑实际人工及各工序配合每小时1 m左右），而且采用掘进机施工围岩扰动小，安全性较高。

2．2 缩减现场施工人员及设备

采用掘进机施工，掌子面只需要3～4人进行机械操作和指挥，可大幅度降低工人工资成本，有效防止意外事件造成群死群伤事故；采用掘进机施工只需要运料车即可，可减少设备投入及安全隐患。

2.3 超、欠挖易于控制

采用掘进机施工，超、欠挖可控制在规范允许尺寸下限，节约由于超挖而浪费的后续喷锚施工和二衬施工的混凝土、人工及时间。

2．4 洞渣得到充分利用

掘进机施工切割的洞渣可以加工混凝土骨料，运到洞外进行分筛后就是现成的碎石和机制砂，大大节省砂石料采购加工的费用[5]。

3 结语

卧虎山水库供水线路改造工程（东风洞-孟家水库段）新建隧洞施工第三标段采用悬臂式掘进机施工解决了工程中的实际问题，收到了较好的效果。经验表明：在水利工程隧洞施工中采用悬臂式掘进机是可行的，尤其是在需要对周围环境影响小、围岩扰动少的施工环境中。悬臂式掘进机施工不仅施工效率高、断面成型好，而且可以简化施工设备，节约人力，满足施工安全及质量要求。在今后的类似工程、特别是城区周围以及火控条件复杂的地区值得推广。