悬臂式掘进机在软岩隧洞开挖中的应用

2021-02-25徐仁军

小水电 2021年1期

徐仁军

(中国水利水电第十一工程局有限公司，河南郑州 450001)

1 概述

水工隧洞作为一种特殊的引水输水建筑物，在我国农业灌溉工程、城乡供水工程、发电引水工程等工程建设中得到广泛应用，相应的施工技术也随着时代发展而不断进步。早期兴建的水工隧洞多采用钻爆法开挖，钻孔方法由人工凿孔发展到用凿岩台车或多臂钻车钻孔。爆破技术从火雷管逐个引爆单个药包发展到应用毫秒爆破、预裂爆破及光面爆破等。开挖支护理念发展到以隧道工程经验和岩体力学理论为基础，及时进行锚喷支护使围岩自身的承载能力得到最大限度发挥的新奥法。随着施工技术不断发展，TBM、盾构法等非开挖技术应运而生，近年来在引水隧洞中得到广泛应用。21世纪以来，我国成功建设的锦屏二级发电引水工程、大伙房引水工程、南水北调中线穿黄工程等极具挑战性的水工隧洞工程分别是钻爆法、TBM掘进法、盾构法施工的典型代表。

分析发现，软岩隧洞采用钻爆法需按“管超前、严注浆、短进尺、快封闭、强支护、勤量测”的十八字方针，进度慢，易发生变形坍塌，安全风险大；使用TBM投资大，价格昂贵，对于一般工程难以接受。由此，笔者结合四川省蓬溪船山灌区西梓干渠延长段引水隧洞工程施工具体特点，引进悬臂式掘进机，节约了施工成本，且相较钻爆法而言，在围岩裂隙发育地段开挖较钻爆发更易控制设计断面的轮廓尺寸和超欠挖，生产效率大幅提高；Ⅳ类围岩最大月进尺可达250 m，最小月进尺也能到达180 m；Ⅴ类围岩最大月进尺可达150 m，最小月进尺也能达到120 m。

2 悬臂式掘进机的工作原理

悬臂式掘进机为电动自行、开挖、集渣、装车流水作业的履带式连续开挖机械，由切割部、铲板部、第一运输部、主机部、行走部、后支承、液压系统、水系统、电气系统构成(见图1)。

悬臂式掘进机的工作原理是利用设备支承部承紧洞底板产生的作用力推进液压缸推压切割头，将狼牙棒似的截齿切入岩石，并在岩面上作同心圆轨迹滚动破岩实现洞挖；将切割的隧洞石渣利用铲板部装到第一运输部并通过第二运输部(技术改造增加)卸料至自卸汽车运至洞外，是煤矿掘进巷道常用的设备，其发展应用使得矿井巷道掘进速度和效率大幅度提高。我国掘进机技术虽经近几十年的努力有了较大的提高，但与西方发达国家比还有距离，悬臂式掘进机在水利工程中的运用及总结却少之又少，尤其是在洞挖条件复杂，地质岩性为软岩、较软岩、泥岩、粉砂质泥岩、渗水、冒水、小断面隧洞开挖、弯道控制、施工组织等方面均未提出比较有效的施工方法及相关文献。

图1 悬臂式掘进机示意

3 悬臂式掘进机选型

3.1 软岩特性

软岩的定义：定性描述认为，软岩是松散、破碎、柔软、强风化及膨胀性一类岩体的总称，定量指标以岩石单轴抗压强度值Rc作为评估软岩的依据，其中15

隧洞开挖后，将引起应力重分布。由于软岩强度低，对工程扰动极其敏感，在受拉或受压条件下将产生塑形区，使围岩和支护发生变形。从隧洞开挖后的围岩变形看，在软弱围岩中开挖，多呈现拱顶崩塌、掌子面失稳、底鼓现象严重、长时间的持续变形或变形不收敛、初期支护严重变形等力学现象。软岩隧洞发生变形的共同特征为断面缩小、拱脚下沉、拱顶上抬、拱腰裂开、地基鼓起等。软弱围岩对隧洞爆破要求较高，规范上作了明确规定要采用弱爆破、短进尺，但对如何控制才算达到弱爆破，未有详细说明。即便是采用弱爆破工艺进行软岩隧洞的开挖掘进，也很难避免爆破作业对围岩的扰动。一旦施工方法和施工措施不当，极易发生初期支护变形侵限或隧洞塌方等工程灾害。

3.2 实例分析

四川省蓬溪船山灌区为武都引水第二期灌区工程的发展灌区，是继武引二期灌区之后的一项具有灌溉、城乡工业生活供水等功能的综合性大型水利工程。西梓干渠延长段是该工程其中的一个标段，总渠线长度为27.37 km，隧洞共计14条，总长度19.19 km，其中大平山隧洞最长，约3 855 m；狮子山隧洞最短，为91 m。隧洞断面形式为城门洞型，断面尺寸分为两种，分别为上游段4.3 m×4.4 m(梨树山隧洞至楼房岩隧洞)，下游段3.7 m×4.25 m(鼓楼山隧洞至玉凤山隧洞)。工程沿线分布地层为蓬莱镇组下段工区第十二层～第十四层(J3p1_～J3p1_)及上段工区第一层～第四层(J3p2_①～J3p2_④)的砂、泥岩类地层，其中砂岩饱和抗压强度为10.0～14.8 MPa，为软岩；泥岩天然抗压强度一般为4.1～8.3 MPa，均为极软岩。

针对本工程隧洞特点，选用悬臂式掘进机型号为EBZ200A型，切割电机为200/110 kW，油泵电机为100 kW，切割头转速为46/23 r/min，定位切割高度4.65 m、宽度5.7 m，接地比压0.132 MPa，总重54 t，总长10.525 m，总宽3.2 m，总高2 m。星轮转速30 r/min，装载能力5.5 m3/min，第一运输机速度56 m/min，龙门高度400 mm，行走速度为0～7 m/min，爬坡能力±18。液压泵为二联柱塞泵，液压系统压力最大25 MPa，供电电压为AC 1 140 V，装机总功率310 kW。

4 悬臂式掘进隧洞开挖掘进施工技术

4.1 开挖支护施工流程

(1)一般洞段机械全断面开挖施工工艺流程

测量放样→掘进、出渣、通风除尘→安全检查→安全处理→支护→下一循环。

(2)机械开挖时穿过断层破碎带等不良地质洞段开挖施工工艺流程

测量放样→超前锚杆→掘进、出渣、通风除尘→安全检查→安全处理→初喷混凝土→钢支撑、喷射混凝土→下一循环。

4.2 掘进机开挖

本方法主要使用3个激光指向仪，其中2个安装在两侧边墙起拱处，1个安装在拱顶位置。激光指向仪的激光束中心距开挖设计线距离统一为25 cm。激光指向仪安装牢固后，利用测量仪器测量激光指向仪激光中心线的位置和方向，同步实施风机安装与调试；然后悬臂式掘进机及第二运输机就位、调试，之后开始首次掘进开挖。

掘进开挖：使用悬臂式掘进机的切割头向前切割出一个探洞作为扩挖至设计线的临空面，切割时应将铲尖与底板压接以防止机体的振动。利用切割头上下、左右移动切割，可切割出初步断面形状，如此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。当切割较软的岩石时，采用左右循环向上的切割方法；当切割稍硬岩石时，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；对有部分露头硬石时，首先应切割其周围部分，使其坠落。

开挖岩体装载：对大块坠落体，采用适当办法处理后再进行装载。在后续掘进过程中，使用悬臂式掘进机的切割头自下而上、自左至右地切割岩石，使用悬臂式掘进机的星形铲板将切割下来的岩石运送至第一运输机；通过第一运输机将切割下来的岩石运至悬臂式掘进机的尾部，使切割下来的岩石进入第二运输机；通过第二运输机将岩石置于运输车辆里，然后使用运输车辆将岩石运出洞外。

钢尺量测与开挖面修整：用钢尺量测激光指向仪中心线与开挖设计线之间的距离，若切割断面与开挖设计线的形状和尺寸有差别，则进行修整，直到达到切割断面尺寸的要求。

4.3 支护

支护控制参数:IV类围岩φ22砂浆锚杆，L=2 m,间排距1.2 m×1.2 m梅花形布置，挂网φ6@20×20 cm，C20喷射混凝土厚度8 cm。V类围岩φ22砂浆锚杆，L=2 m,间排距1 m×1 m梅花形布置，挂网φ6@20×20 cm，I14钢支撑@80 cm，C20喷射混凝土厚度15 cm。

悬臂式掘进机切割头距操作驾驶室5 m，在掘进过程中不论是IV类围岩还是V类围岩均能在保证操作人员安全的前提下进行，故掘进机开挖最低能够保证每一安全循环进尺为5 m以内。

4.4 和钻爆法比较

(1)从施工工艺来看，钻爆法施工工艺流程为：测量放样→钻孔爆破→通风除尘→出渣→安全处理→支护→下一循环。悬臂式掘进机施工工艺流程为：测量放样→掘进、出渣、通风除尘→出渣→安全处理→支护→下一循环。两种施工工艺流程仅在掘进和通风除尘上有所区别，而悬臂式掘进机掘进、出渣和通风除尘能同时实现，较钻爆法相比减少了工序之间的转换。

(2)从施工进度来看，钻爆法每一循环进尺控制标准：IV类围岩每一循环进尺为1～2 m，V类围岩每一循环进尺为0.5～1 m；掘进机开挖最低能够保证每一安全循环进尺为5 m以内。显而易见，从进度方面悬臂式掘进机优于钻爆法施工。

(3)从施工安全性来看，由于钻爆法对于爆破参数的控制和地质条件等方面要求较高，若地质条件较差，围岩稳定性较差，采用爆破方式对围岩扰动较大，易在排危过程中出现安全事故。悬臂式掘进机施工则不然，它是将岩体粉碎成末，切割过程中对周围岩体扰动较小，切割完成后周边岩体较为完整，不易引发安全事故。

(4)从施工质量来看，钻爆法在围岩裂隙发育地段开挖易产生超挖较严重情况，断面成型质量差，超欠挖控制较为困难；而掘进机开挖则在断面成型质量、超欠挖控制上控制较好，特别是在城门洞型、弧形断面上开挖控制明显。

(5)从施工成本来看，钻爆法开挖在超欠挖方面难以控制，在隧洞一期支护和二衬加大了回填量，对台车刚度、强度要求也进一步提高，增加了台车制作成本、超填成本和人工投入；而悬臂式掘进机开挖在隧洞断面形成工程中对围岩的扰动小，并能有效的控制隧洞断面的超欠挖，避免因为超挖超填造成的成本投入。

综上所述，掘进机开挖在软岩隧洞施工中明显优于钻爆法施工(见表1)。

表1 两种施工方法比较

5 经济社会效益

软岩隧洞中悬臂式掘进机开挖技术的实施，不仅解决了软岩隧洞中弯道控制、断面小、距离长交通不便、地下水发育洞段泥化等难点，还填补了水利工程隧洞地下水控制先进技术的空白，是企业内部乃至同类型施工中的先进技术；有效的控制了隧洞超欠挖，提高了断面成型质量，降低了项目成本，对企业的发展和后续类似隧洞掘进机施工提供了宝贵的经验。