悬臂式掘进机在三元水电站二期工程发电引水隧洞施工中的应用

陈 聪，王安源，李 帅

（湖南省水利水电勘测设计研究总院，湖南 长沙 410007）

1 工程概述

三元水电站二期工程位于沅江一级支流酉水干流上，地处湖南龙山县三元乡殷家村境内，距三元乡政府0.5 km，距龙山县城15 km。本工程为以发电为主，兼顾灌溉、供水等综合效益的小（Ⅰ）型水利水电枢纽工程。隧洞进口位于一期已建进水口上游100 m 处，出口厂房位于一期厂房下游约100 m 处，总长约1 km。隧洞横断面为城门洞型断面，开挖洞宽4.4 m，拱段高2.2 m，直段高2.35 m。见图1。

图1 三元水电站总平面布置图

2 工程地质

引水隧洞穿越地层岩性主要为灰岩、砂岩及泥质粉砂岩，其中Ⅲ类围岩总长为778.2 m，Ⅳ围岩总长为237.3 m，Ⅴ类围岩总长为113 m。地质条件及物理指标见表1、表2。

表1 引水隧洞地质条件表

表2 三元水电站岩体物理力学综合指标表

3 引水隧洞掘进方案选择

水工隧洞开挖一般采用钻爆法施工，因本工程引水隧洞路线穿越民居，进出口离民居较近，尤其是隧洞出口段民房较多，且距原电站开关站、前池很近，如果采用钻爆法施工，将对周边居民生活造成一定影响，一旦钻爆施工过程中民居受损，将引发阻工及补偿费用谈判等难以协调的问题，严重影响项目工期（此类情况在本地类似工程中已经发生过）。为减少隧洞掘进施工中对居民生活及民房等设施的影响，避免因隧洞施工开挖而引起与当地居民之间的纠纷，为维护社会稳定，保障隧洞施工顺利进行，确保施工安全。根据工程现状条件综合考虑各方面因素，业主最终确定采用悬臂式掘进机施工方案。

4 悬臂式掘进机主要技术参数

根据本工程的地质条件及隧洞结构尺寸等情况，经分析比较，选用EBZ260 悬臂式掘进机，其主要技术参数为：

外形尺寸：13 500 mm×3 600 mm×4 290 mm（长×宽×高）；定位切割范围6 000 mm×6 200 mm（宽×高）；总功率462 kW；供电电压：1 140 V；切割硬度≤90 MPa；爬坡能力：±18°；装载能力4.3 m3/min。掘进机外观形状见图2。

图2 掘进机外观形状图

5 掘进机工作原理、特点及施工方法

1）工作原理：掘进机是用于开挖地下隧洞的施工机械。掘进机分为开敞式掘进机和护盾式掘进机。主要由行走机构、工作机构、装运机构和转载机构组成。随着行走机构向前推进，工作机构中的切割头不断破碎岩石，并将碎岩运走。具有安全、高效和成洞质量好等优点，但造价相对较高。

2）特点：安全可靠性高；工作效率高；智能程度高，具备齐全的保护、故障诊断和排故方法显示；输入电压为1 140 V/660 V 双电压，适用范围广；可维修性好。

3）施工方法：掘进机是采用“S”字型由下往上的开挖方法，首先切割头在掌子面底部水平切削出一条槽，然后掘进机向前移动再一次就位后，切割头自下而上，左右循环进行切削。掘进时两名操作人员进行联合作业，一人操作掘进机，另一人担任观察手。悬臂式掘进机可通过激光导向仪定位控制开挖断面尺寸。开挖定位由工作人员在固定点上设置红外激光仪，将隧洞开挖控制点投射至掌子面，掘进机操作人员根据控制点进行切割，可有效防止欠超挖。同时，开挖料通过自带的铲板等二运设备直接输至运渣车辆运出洞外弃渣场，可节省洞内装载设备及其占用空间，有利于提高掘进功效。

6 影响掘进机工作效率的主要因素

三元水电站引水隧洞自2018 年3 月正式掘进，至2019 年6 月1 日，历时386 天，共完成掘进进尺1 128.5 m，其中，在隧洞桩号SD0+638 处遇溶蚀破碎带，该洞段临时支护处理近30 天。隧洞开挖采用单向掘进，掘进初期，由于对设备性能了解不够，加之洞内地质条件较差、断面小、司机操作不成熟，以及掘进机器配套设施不足等原因，平均进尺较短。但随着掘进施工的进行，工人操作熟练程度的提高，机器故障减少，日平均进尺逐步提高。根据本工程掘进情况，影响掘进机工作效率的主要因素如下：

1）围岩的强度与节理发育程度。岩体的抗压强度、结构面发育程度、整体性等与掘进速度有较大关系。围岩强度越高掘进速度越慢，当岩石标准抗压强度在50～60 MPa 之间、岩性完整，每台班掘进能达3～4 m；灰岩段岩石标准抗压强度30～40 MPa 时，每台班可掘进4～5 m；出口段泥质粉砂岩其标准抗压强度30 MPa 以下，平均每台班可掘进6～7 m，效率较高时可掘进10 m。岩石标准抗压强度在90 MPa 以上时掘进较慢。

掘进机开挖掘进对已开挖洞段周边围岩的影响很小，一般情况下掘进机可以在开挖掘进的同时对已开挖洞段进行支护，节约了临时支护的时间。但围岩较破碎，裂隙发育，遇断层或渗水情况时，需完成临时支护，确保施工安全才能向前掘进，本工程在SD0+638 处遇断层破碎带，待此段完成支护才向前掘进。

2）截齿、截割参数选取。截齿的失效对掘进机的工作效率影响较大，截齿的类型、截割参数合理与否是保障掘进机掘进速度的关键。选用合理的切割参数及截齿至关重要，不同的岩石硬度应考虑采用不同截齿参数切割转速与给进量。切割参数中主要有切割深度、切割速度、给进量，通常是岩石硬度高，切割参数设置大，反之相反。

截齿损耗与岩石强度大小及截齿本身品质有关，岩石标准抗压强度越高截齿损耗量越大，故在岩石较硬洞段，选用质量较好的合金材料截齿，以提高掘进功效。本工程Ⅲ类围岩截齿损耗约5 个/m，Ⅳ类围岩截齿损耗约2.5～3 个/m，Ⅴ类围岩约2 个/m，平均截齿损耗为4 个/m。

3）围岩含水率。岩体中的水能降低截齿的温度，减小截齿与岩石之间的摩擦力，而提高掘进效率。进水口灰岩段含水率较高约达20%，掘进速度明显加快，一台班可掘进6～7 m，即掘进效率可达10 m3/h。而在含水率较低约为8%的灰岩段，掘进时截齿与岩石之间的摩擦阻力较大，甚至在开挖掘进时截齿与岩石间摩擦会产生火花，日均截齿损耗上10 多个，每个台班只能掘进2 m 左右，掘进效率很低。

泥质粉砂岩段围岩含水率主要影响粉尘浓度，出口段泥质粉砂岩虽然强度较低较易切割，但含水率低，掘进产生的岩粉浓度较大，加之除尘机及掘进机喷雾除尘设施配置欠佳，除尘效果不明显，因粉尘不能及时排出，影响操作人员视线，其掘进效率也较低，一天进尺仅有2～3 m。

4）通风、除尘设施配置。悬臂式掘进机本身自带一套喷雾除尘设备，但在掘进过程中需根据围岩的含水率、岩石硬度等情况，更换除尘设备的功率，保证喷雾除尘效果，从而保障操作人员良好操控，以提高掘进速度。

5）日常维修与保养。定期对工程设备进行维修与保养，能提高其使用效率，保证施工进度。掘进过程中应根据“掘进机日常检查内容表”及“掘进机定期检查内容表”分别进行日常检查及定期检查。本工程掘进过程中掘进机日常维修保养共计30 天，其中一次大修花费15 天。

6）本工程围岩类别与掘进速度、主要耗材对比见表3。

表3 围岩类别与掘进速度、主要耗材对比

7 掘进机开挖费用

本工程采用租赁方式，掘进机单价主要由设备费摊销、修理及替换设备费、截齿消耗、人工及燃料动力消耗等费用组成。根据本工程不同类型围岩掘进时的截齿等耗材统计分析，其开挖单价相差较大，Ⅲ类围岩开挖单价约324 元/m3，Ⅳ类围岩开挖单价约260 元/m3，Ⅴ类围岩开挖单价约210 元/m3。对于Ⅳ类围岩、Ⅴ类围岩即中软岩采用悬臂式掘进机开挖方式比较经济。若自购设备，其设备摊销费用降低，单位造价相应降低。

开挖断面的大小对掘进机开挖单价影响较大，断面过小出渣困难，单价较高。龙山县某水厂项目隧洞开挖洞径2 m，断面面积约为6.5 m2，其Ⅳ类围岩开挖单价约458 元/m3。

8 与传统钻爆法相比掘进机开挖优势

1）悬臂式掘进机开挖施工对周边建筑及民居生活影响少。本工程引水隧洞进出口段离民居及原电站压力前池均较近，且洞顶以上覆盖岩层较薄，若采用传统爆破法很可能会对居民生活及民房等设施造成影响，从而引起与当地居民的纠纷，使补偿费用大幅增加，而且还可能因协调困难，严重延误工期。

2）与传统的钻爆法相比，采用掘进机对成洞周边围岩的扰动较小，施工更安全，对已开挖或已临时支护完洞段影响小，且开挖面更平整，并能够更有效控制洞内欠超挖量。挂网支护与围岩间隙较小，喷射混凝土作业难度小且易与围岩紧密，亦能节省临时支护和衬砌工程量，支护处理难度不大，费用较小。

3）悬臂式掘进机开挖，施工安全性更高，特别是在遭遇不良地质情况下，因其操控特性，操作人员不会贴近掌子面，出现塌陷或涌水突泥等情况时，操作人员可快速撤离，施工更安全。本工程SD0+638 处遇断层破碎带，如果采用钻爆法爆破，其产生的冲击波及震动可能造成该洞段大面积击穿塌陷，甚至造成安全事故，事后处理难度大，延误的工期更长。

本工程采用掘进机开挖，该洞段出现涌水突泥现象，但由于掘进机采用切割头自下而上，左右循环由点至面逐步进行切削，所以其揭开的范围较小，涌水速度较慢，出现该情况后，操控人员立即停止掘进，并利用掘进头对涌水部位进行暂时封堵，从而避免了大面积塌陷和安全事故，亦为后期断层破碎带的处理节省了投资，耽搁的工期较少。

4）传统钻爆法需人工钻孔装药，爆破后的开挖料需配备装载设备转运洞外，工序多，消耗的工时较多，工人劳动强度较大，工作效率较低。采用掘进机开挖只需熟练工人操作掘进机，开挖料可由其自带的二运设备直接输入运输车辆运至洞外，人工劳动强度低，效率更高，施工人员健康、安全更能得到保障。

5）与传统钻爆法相比，能加快工程进度。《水工建筑物地下开挖工程施工规范》（SL 378-2016）中对水工隧洞开挖的循环进尺有如下规定：“Ⅰ～Ⅲ类围岩，采用手风钻造孔时，循环进尺宜为2.0～4.0 m；采用多臂钻钻孔时，循环进尺宜为3.0～5.0 m。Ⅳ类围岩，循环进尺宜为1.0～2.0 m；Ⅴ类围岩，循环进尺宜为0.5～1.0 m”。

取折中值估算采用钻爆法所需工期约483 天。

本工程悬臂式掘进机开挖，总天数为386 天，日均进尺2.6 m，理论估算，较常规的钻爆法施工可节省工期将近100 天，其产生的发电效益273.2 万元，故采用该工法项目效益更显著。

9 结 语

随着我国悬臂式掘进机制造技术的日趋成熟，对围岩的适应能力得到大幅提高，悬臂式掘进机运用越来越广。但是相对于钻爆法而言，掘进机依然存在一次性设备投入较大，对硬岩切割效率低、截齿消耗大等问题，对此，本文根据悬臂式掘进机在三元水电站二期工程的具体应用情况，总结出一些关于悬臂式掘进机适用性的评价，以供其它类似工程参考：

1）悬臂式掘进机适应于中小断面、中软围岩的掘进开挖。开挖经济断面为10～30 m2，开挖经济洞径4～8 m，开挖岩石标准抗压强度小于60 MPa 围岩较经济。悬臂式掘进机对地下工程开挖适应性强，特别是针对洞顶以上岩石覆盖较薄及周边建筑物集中的中小断面、中软围岩隧洞，其在施工进度、开挖成本等方面的优势明显。

2）悬臂式掘进机根据型号大小，其价格在300～700 万元之间，由于该设备一次性投入费用较大，因而对于使用时间不长的短隧洞施工可考虑设备租赁。但长隧洞的施工可以将其设备购置费用合理摊销，实施单价降低，可考虑购置。

3）对于某些火工材料管控严格、或存在炸药供应的连续性及价格偏高等因素困扰施工单位问题的地区，采用悬臂式掘进机可以有效规避这些制约因素，为工程进度提供有力的保障。

4）工期可压缩性好，赶工能力强。同等条件下，悬臂式掘进机将“掘进、通风、出渣”等工序整合一体，工序简单，抗干扰能力强，连续性强，同时操作人员数量少，人工消耗小，对于工期紧张的项目可以通过增加操作班组的方式进行赶工，效果明显。

近几年，随着我国基础设施建设的快速发展，悬臂式掘进机在水利水电工程中的应用越来越广泛，尤其是在长隧洞施工中应用该机械的工程越来越多，该工法的推广，对今后在地下工程开挖施工应用具有积极的作用。