向斜核部地质带悬臂式掘进机开挖施工方法

郑 刚 ，厉向伟 ，李 想

（1.杭州市千岛湖原水股份有限公司，浙江 杭州 310009；2.浙江省围海建设集团股份有限公司，浙江 宁波 315000）

1 问题的提出

传统水利水电工程隧洞开挖方法多采用钻孔爆破法，需经过测量放样、钻孔、装药起爆、通风散烟、出渣排险等工序，施工工序复杂繁琐，且施工安全风险极高，爆破冲击波对隧洞围岩扰动大，超欠挖难以控制。向斜核部地质带隧洞开挖更容易出现地质塌方、掉块等风险，施工不可控因素较多，存在较多弊端。本文施工方法在千岛湖配水工程12标西坞山主洞下游完成试验并成功实施，西坞山主洞下游输水隧洞位于“志留系上统唐家坞组”—“泥盆系上统西湖组”之间，穿越向斜核部地质带，单头掘进长达2 200余米。在西坞山主洞下游开挖过程中，钻爆法的施工效果一般。为此，杭州市千岛湖原水股份有限公司根据隧洞施工经验，通过实地考察后引进EBZ260悬臂式掘进机及其辅助配套设备，在西坞山开展实施。

2 适用范围及工法特征

本文施工方法适用于岩石单轴抗压强度小于30 MPa、横断面面积40～60 m2隧洞开挖施工，围岩级别为IV类、V类，尤其在遭遇向斜核部地质带的开挖中优势尤为显著。向斜核部地质带均为较新的岩层，自核心部位向两翼依次出露为老岩层，岩石强度较低，相对钻爆法而言，向斜核部地质带隧洞采用掘进机法开挖减少爆破震动，有效减少因围岩变形带来的不利影响，降低施工风险。非向斜核部地带的围岩强度较高，使用掘进机开挖极大加速了掘进机截齿的损耗，更换截齿的频率过高，既减少有效工作时间，又增加施工成本，不利于绿色施工、环保施工。隧洞开挖过程中，难免遭遇向斜核部等不良地质带，引进与隧洞规模相对应的掘进机进行隧洞开挖可有效解决不良地质条件带来的影响。

3 施工工艺流程及操作要点

3.1 施工工艺流程

采用分台阶法进行开挖，按照掘进机参数，合理选择上下台阶高度，本工程上台阶开挖高度为6.1 m，下台阶开挖高度为1.8 m。上台阶开挖一定长度后与下台阶拉开步距，再进行下台阶开挖，上台阶开挖完成进行支护时，下台阶同步进行开挖支护施工。施工工艺流程见图1。

图1 EBZ260悬臂式掘进机开挖施工工艺流程图

3.1.1 上台阶开挖

悬臂掘进机就位后，开始从掌子面底部水平割出一条槽，向前移动掘进机再一次就位，就位后切割头采取自下而上，左右循环切削。由于掘进机实际开挖高度约5.0 m，无法达到计划的6.1 m上台阶开挖高度，故在切割部分岩体后，先将洞渣在掌子面进行堆积，掘进机向前移动就位后，进行顶拱的岩体切割。在切削同时铲板部耙爪将切削下来的石渣装入第一运输机，转运至机械后侧再使用装载机装入出渣车运出洞外。从底部开挖到拱部完成后，第二次修整到准确设计断面。

3.1.2 下台阶开挖

下台阶开挖时采用镐头机单边开挖并及时架设钢拱架、喷混凝土，留出另一边作为运输通道，开挖支护完成后，再进行另一边开挖支护，开挖长度同上台阶循环进尺。

3.2 操作要点

3.2.1 施工准备

掘进机组装与调试：EBZ260悬臂式掘进机机身长、自重大，无法整体运送至施工现场，需分批运送至现场后在洞外组装，组装完成后进行调试。掘进机截齿属于耗损器材，开挖施工前必须对截齿进行检查，对损耗较大且焊接不牢固的截齿提前更换，确保机器有良好的掘削能力。检查掘进机的喷雾及除尘系统，保证洞内空气环境质量。各系统检查完毕后，开机试运行正常方可驶入作业面施工。悬臂式掘进机组装见图2。

图2 悬臂式掘进机组装图

用电：掘进机用电额定电压为1 140 V，采用1 200 kW柴油发电机单独供电，将柴油发电机放置在主隧洞左侧（面向掌子面），通过专用变压器提升到1 140 V供掘进机使用。后期采用高压铠装电缆进洞，由专用变压器升到1 140 V，供掘进机使用。专用变压器至掘进机端低压线路不大于500.0 m，专用变压器随开挖进展逐步向隧洞开挖面齐头移动。

用水：掘进机工作时需使用高压水润滑和降尘，供水压力不小于3 MPa，用水量不小于100 m3/d。西坞山支洞口山顶已修建高压水池以满足供水要求。在掘进机后方边侧设置一临时集水井，通过水泵排到后方排水沟再集中排出洞外。

通风：采用发电机进洞发电方式提供掘进机工作用电。因掘进机在隧洞内工作时，会产生大量粉尘，为满足施工及环保要求，发电机处增设一套净化设施（见图3），同时在隧洞口安装2×55 kW轴流压入式风机排风，采用DN1 200 mm PVC塑料涤纶风筒布接入掌子面，将洞外新鲜空气压送至掌子面，并将洞内污浊空气排至洞外，大大改善空气质量。洞口风机见图4。

图3 柴油机尾气净化装置结构示意图

图4 轴流压入式风机图

3.2.2 测量放样

测量放样采用激光导向定位仪结合全站仪，当隧洞为直线型，长度大于30.0 m时，根据断面尺寸，分别在拱顶、腰线、边墙、拱脚等部位安装7～9个激光导向定位仪，使用过程中每隔3 d对其进行复核检查，保证仪器工作正常，测量放样准确无误。当隧洞有拐弯时，需要使用全站仪定位放样，测量人员将放样成果向现场管理人员交底，从而指导作业队伍施工。

隧洞放样轴线水平允许偏差±100 mm，洞底高程允许偏差±60 mm，隧洞开挖轮廓线允许偏差为±50 mm，不允许欠挖。

3.2.3 EBZ260悬臂式掘进机开挖

EBZ260悬臂式掘进机利用截割头上下、左右移动截割，截割出初步断面形状，与实际所需要的形状和尺寸有一定差别，可进行二次修整以达到断面尺寸的要求。

截割较软的岩石时，可采用左右循环向上的截割方法；截割稍硬岩石时，可采用由下而上、左右截割的方法。尽可能由下而上截割。

遇有硬岩时，不可勉强截割，对部分露头硬石，首先截割其周围部分，使其坠落，对大块坠落体，采用适当方法处理后再进行装载。当掘柱窝时，将截割头伸到最长位置，同时将铲板降到最低位置向下掘，在此状态下将截割头向回收缩，将围岩拖拉到铲板附近，以便装载。同时需要人工对柱窝进行清理。

本工程隧洞断面较大，EBZ260悬臂式掘进机无法完成全断面开挖，故采用台阶法施工，按照掘进机技术参数，合理选择上下台阶高度。悬臂掘进机就位后，开始从掌子面底部水平割出一条槽，向前移动掘进机再次就位，就位后切割头自下而上，左右循环切削。

悬臂掘进机的切割方式是从扫底距轮廓线10～200 mm开始切割，再按S型或Z型左右循环向上的路线逐级切割以上部分。

选用右旋截割头截割硬岩，先由右向左从扫底开始截割，再按从左至右、自下往上的方式或从右往左、自上而下逐步进行切割。如遇节理发育较高岩石，则选择岩石节理方向逐步切割。掘进机开挖截割示意见图5，掘进机洞内施工成果见图6。

图5 掘进机开挖截割示意图

图6 掘进机洞内施工成果图

EBZ260悬臂式掘进机开挖作业每天填写报表，以此反映施工情况。日报表可包含如下内容：①掘进机开挖的起止桩号；②掘进机的运行参数；③开挖洞段的地质情况；④是否遇到特殊问题及处理结果。对日报表进行分析，进一步优化施工参数，形成反馈调节模式，使隧洞开挖效率得到进一步提升。

4 工法特点

（1）悬臂式掘进机开挖取代了爆破火工材料，消除火工用品运输及存储的安全风险，降低火工材料不稳定对工程建设的影响。

（2）悬臂式掘进机开挖具有机械化水平高、施工工艺简单、施工进度稳定等特点，相比钻爆法可节约人力且能加快工程进度。

（3）悬臂式掘进机开挖成型效果好，能有效控制超欠挖，减少后续因超欠挖引起的善后工作，可节约工程成本，提高施工效率。

5 以试验段指导后续施工

5.1 掘进机试验情况

由于工程隧洞所处地段地质条件极为复杂，为确保后续正常施工，选取地质条件最具有代表性的一段作为试验段。试验时间为2018年4月16日至5月1日，试验段围岩类别均为V（1）类，采用台阶法开挖，上台阶开挖高度6.1 m，下台阶开挖高度1.8 m。为了保证施工安全，试验期间掘进机开挖进尺从1.00 m开始逐步加大进尺，同时协同专业监测单位对收敛变形、拱顶沉降、钢拱架应变、锚杆应力、地下水位进行监测，根据监测数据适度增大进尺。试验期间掘进机开挖支护共10个循环，进尺27.20 m，平均循环进尺2.72 m。试验期间监测结果均在设计限值内，无异常情况。试验期间单循环进尺最大控制在3.20～3.30 m，监测数据稳定且有足够的安全变形范围，质量安全总体可控。试验的实施表明：在此类地质围岩条件下，采用掘进机法开挖时，通过加强施工监测及超前支护方式，V（1）类围岩的月进尺实际开挖约80.00 m，较V类围岩优化超前支护爆破开挖的施工方案由月进尺50.00 m增加了30.00 m，增加施工进度约60%。

5.2 应用实例

通过试验段成果的研究分析，对设计及施工方案优化后开始实施。千岛湖配水工程施工12标实施时间为2018年5月11日至6月6日，完成开挖进尺86.00 m，施工过程中无安全事故发生，成功穿过向斜核部地质带，满足工期及质量要求。千岛湖配水工程施工14标爽坞里检修洞控制段主洞下游在开挖过程中采用《悬臂式掘进机开挖引水隧洞施工工法》，安全高效地通过不良地质段，20 d完成V类围岩开挖进尺66.00 m，日均进尺3.30 m，相比传统爆破开挖节省工期15 d，且无安全事故发生，攻克不良地质带爆破开挖困难的问题。

6 效益分析

采用悬臂式掘进机开挖大幅提高机械化施工水平，采用激光导向仪放样、全站仪定期复核施工方法，降低人工成本且减少人工放样的工序时间，降低人为操作失误概率，降低施工风险，同时有效解决向斜核部地质钻爆法施工困难的窘境，且隧洞成型好，超欠挖控制效果好， 减少后期因欠挖处理及超挖超填的投入，节约大量潜在成本；掘进机法施工速度较快，创造复杂地质条件下隧洞开挖进尺3.20 m/d的记录，比钻爆法开挖速度快1.5倍，节约施工工期及管理成本。采用该工法施工，对围岩扰动小，通过分析监测数据，并经参建各方研究确认取消系统锚杆施工不影响隧洞的稳定性，可极大降低施工成本，节约爆破火工品材料费，减少隧洞超挖清运及混凝土超填工程量近2 000 m3，产生经济效益400万元。

7 结 语

EBZ260悬臂式掘进机开挖与轴流风机压风、激光导向仪定位放样、柴油发电机及除尘设备的配套使用模式，成功解决向斜核部地质带开挖安全风险高、超欠挖控制难度大、施工进度缓慢等诸多难题，在安全、质量、进度各方面均有显著优势，对工程项目建设有极大的促进作用，且符合当前“绿色施工、环保施工”的技术要求，对今后类似条件的隧洞开挖具有一定的指导作用。