鄂北地区水资源配置工程复杂环境下浅埋隧洞悬臂式掘进机工法研究

饶霈 陈小松 潘亚辉 刘运佳

摘要：鄂北地区水资源配置工程优良隧洞为浅埋隧洞，临近构筑物多，附近地质条件复杂，隧洞施工对爆破振动和沉降要求严格。介绍了EBZ200H悬臂式掘进机在优良隧洞的应用，包括悬臂式掘进机掘进法和钻爆法的工法比選，掘进机设备选型， 施工方法、进度和开挖费用分析等。施工实践表明，采用悬臂式掘进机施工对围岩扰动小、施工效率高、技术合理且经济效益显著。

关键词：浅埋隧洞;隧洞掘进;悬臂式掘进机;鄂北地区水资源配置工程

中图法分类号：TV554文献标志码：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2020.11.007

Abstract： The Youliang tunnel of North Hubei Water Transfer Project is a shallow buried one with lots of structures in the adjacent area and complicated geological conditions， so the construction has strict requirements for blasting vibration and settlement. The application of EBZ200H boom-type roadheader in Youliang tunnel is introduced， including comparison and selection of boom-type roadheader method and drilling and blasting method， selection of tunneling machines， analysis of construction methods， progress and excavation cost. The construction practice showed that the construction of boom-type roadheader had small disturbance on the surrounding rock mass and was highly efficient.So the consturction was technically reasonable with satisfying economical benefits achieved.

Key words： shallow buried tunnel;tunnel drilling; boom-type roadheader; North Hubei Water Transfer Project

1 工程概况

鄂北地区水资源配置工程（以下简称“鄂北工程”）是国务院确定的172项重大水利工程之一。鄂北工程从丹江口水库清泉沟隧洞进口引水，渠首设计引水流量为38 m3/s。优良隧洞位于输水线路桩号C6K131+119.847～131+945段，长度为858.027 m，底板高程120.07～120.01 m，设计纵坡为1∶11 000，输水流量为26.7 m3/s。隧洞断面为马蹄形，净尺寸为6.5 m×6.5 m（宽×高）。

2 工程地质条件

优良隧洞埋深13.0～14.0 m，上覆岩体厚5～10 m，为浅埋隧洞。围岩类别为Ⅴ类，极不稳定。围岩为中元古界上岩组（Pt2b）灰绿色、灰白色白云钠长石英片岩，呈强风化～弱风化状。岩体透水率为0.71～3.39 Lu，为微至弱透水。该段围岩单轴饱和抗压强度30.7 MPa（弱风化），饱和吸水率为0.56%，岩石强度为中硬岩;岩体完整性系数为0.51～0.54，岩体完整性差;结构面状态平直粗糙，裂隙宽度约5 mm;地下水活动状态为有渗水或滴水现象;主要节理裂隙产状：①片理产状11°∠42°，隧洞走向121°，片理走向与洞线交角20°左右;②发育3组裂隙（钻孔岩芯），倾角分别为20°～30°，40°～50°，70°～90°。

3 优良隧洞与临近构筑物分析

优良隧洞周边地质环境较为复杂，临近构筑物有各类民房、工业厂房、加气站及G316国道。对隧洞的线路进行经济、施工难易度等评价和比选，再根据施工社会稳评报告，选定优良隧洞最终走向。

优良隧洞自桩号C6K131+119.847开始进洞，在桩号C6K131+231.623处下穿G316国道，继续旁穿5层居民房、1层厂房、加气站、2层厂房、化工厂至桩号131+945出洞（见图1）。

为保证隧洞施工安全，对优良隧洞C6K131+119.847～C6K131+712.875段进行超前管棚支护。 优良隧洞与临近地面构筑物相互位置关系见表1。

4 隧洞施工工法比选

目前，我国常用的隧洞施工工法主要有传统钻爆法和掘进机掘进法[1]。两种工法的应用均比较成熟，其中，钻爆法具有资金投入低、对各种地质条件适用强、钻爆速度相对较慢、对临近环境扰动较大等特点[2];掘进机法具有一次性投入大、机械化程度高、掘进速度快、施工安全保证度高和对临近环境友好等特点[3]。

隧洞掘进机按照作业面的截割方式可分为全断面掘进机和部分断面掘进机。全断面掘进机一般用于6 km以上的长隧洞施工。部分断面掘进机是一种集截割、装载、转运运输、行走和喷雾除尘于一体的高度机械化综合掘进设备，与全断面掘进机相比，具有一次性投入少、施工准备短、多次利用性高、机体小且灵活性高以及适用于各种大小形状断面等优点。目前，部分断面掘进机主要为悬臂式掘进机。

优良隧洞临近构筑物较多，考虑钻爆施工对爆破振动及沉降控制要求高，施工难度大，爆破施工时影响范围内居民需进行搬迁（搬离），协调难度大。因此，考虑采用非爆破开挖方式即悬臂式掘进机进行隧洞开挖。同时，考虑到将整段隧洞全部采用悬臂式掘进机费用较高，选择采用悬臂式掘进机对优良隧洞桩号C6K131+120～C6K131+470（共计350 m）进行掘进。

5 悬臂式掘进机施工方法

5.1 设备选型

根据优良隧洞围岩岩石单轴抗压强度和隧洞洞径，选用三一重工EBZ200H悬臂式掘进机（见图2）。

EBZ200H型懸臂式掘进机主要技术参数如下：①整机质量83 t（含二运、除尘系统）。②截割范围，高3.3～4.8 m，宽4.2～6.0 m。③总功率387 kW（含二运、除尘系统）。④外形尺寸11.5 m×3.6 m×2.0 m（长×宽×高）。⑤截割电机功率200，150 kW。⑥最大/经济截割岩石单项抗压强度≤90 MPa。⑦爬坡能力为±18°。⑧行走速度0～6.5 m/min。⑨供电电压1 140 V。⑩需水量和最小冷却水量分别为120 L/min和30 L/min。

5.2 施工方法

采用悬臂式掘进机进行隧洞开挖时，通过截割头沿掌子面滚动，形成对岩面的滚动挤压，截割头的截齿克服岩体摩擦阻力，通过旋转产生切削力进行岩石切割，实现破岩。

（1）EBZ200H型悬臂式掘进机在洞外组装完成后进行整体试运转。调试完成后方可进洞掘进。进口洞外布设1台掘进机专用1 250 kVA变压器。

（2）启动悬臂式掘进机，依次开动油泵电机→第1运输机→星轮→截割头。优良隧洞开挖宽度为8.4 m，采用上下两台阶法进行开挖。掘进机开挖工作面采用横向反复式截割，截割时将截割头从工作面中间底部进刀，左右移动先割出槽窝，然后按照S型或Z型左右循环向上的截割路线层层截割。

（3）每个台阶掌子面采用“一次切割成型，二次局部修整”的方式。根据初次截割的形状断面进行二次局部精修以达到设计断面尺寸要求。

（4）掌子面切割后，采用掘进机自带装运铲板集渣，经第1运输机转运至第2运输机，第2运输机直接装自卸汽车运至规划渣场。

5.3 进度分析

优良隧洞围岩类别为V类，隧洞开挖按照短进尺要求，每次循环开挖长度不得超过1.0 m，随挖随衬。EBZ200H型悬臂式掘进机钻渣速度为0.8～1.0 m3/min。实行每天3班生产，8 h工作制，日进尺约为2.5 m。每月实际有效工作天数为25 d，悬臂式掘进机月进尺62.5 m。掘进机掘进效率是钻爆法的2.0～2.5倍。悬臂式掘进机掘进时间分析见表2。

6 悬臂式掘进机隧洞开挖费用分析

悬臂式掘进机没有相应的台时定额和开挖定额，从优良隧洞EBZ200H型悬臂式掘进机的掘进过程台时费用组成和隧洞岩石开挖费用构成2个方面，对悬臂式掘进机隧洞石方开挖费用进行分析。

经市场咨询，购买1台EBZ200H悬臂式掘进机价格约为380万，租赁价格约为20万元/月。优良隧洞350 m掘进段总工期10个月。其中，管棚支护占2期4个月，掘进机开挖占2期6个月，掘进机按10个月进行租赁。因此，台时设备租用费=200000×10/（6×24×25）=555.56（元/台时）。设备安装、调试及拆除需耗时15 d，安拆费用8万元。折算每台时安装拆卸费=80000/（6×24×25）=22.22（元/台时）。机上操作人员1人，为高级熟练工，消耗1.6工时。EBZ200H型悬臂式掘进机总功率387 kW（含二运、除尘系统），掘进机所耗电量为其额定功率的0.8～0.9倍。折算台时耗电量=387×0.85=329（kW·h）。蓄水量为7.2 m3。因此掘进机掘进过程中的台时费用为984.89元/台时。

掘进机开挖以磨岩为主，对岩石扰动小，超挖控制很有利。掘进机一般平均径向超挖量仅为3～5 cm。该工程按照超挖5 cm考虑，隧洞总开挖断面面积59.09 m2。

按照上述掘进机进度分析，掘进进尺2.5 m/d。每开挖100 m3所需机械台班为100/（59.09×2.5/24）=16.25台时。掘进机施工时需5～6人进行配合，每开挖100 m3岩石需消耗24个工时。掘进机截齿为易耗品，根据现场实际工程经验，每开挖100 m3消耗2～6个截齿。截齿单价为500元/个，本次费用测算考虑截齿消耗为4个。

EBZ200H型悬臂式掘进机进行隧洞石方开挖单价分析见表3。

7 结 语

优良隧洞EBZ200H型掘进机进场日期为2018年8月20日， 8月28日开始掘进，组装级调试时间为9 d。

优良隧洞掘进完工日期为2019年7月3日，总计掘进长度为350 m（C6K131+119.847～C6K131+469.847）;单日最大掘进长度为4 m（两个循环），日实际平均掘进长度为2.5 m，月实际平均进尺约为38.0 m。

优良隧洞下穿国道，临近构筑物较多，隧洞施工过程中对振动和沉降要求较高，采用悬臂式掘进机进行施工对围岩扰动小、施工效率高、成型断面好，技术合理且经济效益显著。

参考文献：

[1] 裴茂才，王祥. 浅谈悬臂式掘进机在水利隧洞工程中的应用[J]. 四川水力发电，2016，35（S2）：66-69.

[2] 王超，杨运鹏，阿里木江，等. 悬臂式掘进机在小断面、长隧洞中的应用[J]. 四川水力发电，2019，38（4）：101-104.

[3] 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，2016，39（6）：50-52.

（编辑：李 慧）