悬臂式掘进机在深埋软岩隧道开挖中的应用研究

摘 要：目前国内交通、水利等领域对长大隧道的需求不断增大，出现大量深埋软岩隧道，传统的钻爆法不适应深埋软岩隧道的开挖，机械开挖避免爆破振动效应对围岩的不利影响，更有利于软岩隧道围岩与支护的稳定。近年来悬臂式掘进机截割功率不断增大，截割与出渣同步，功能愈加全面，在软岩隧道开挖中展示出明显优势。悬臂式掘进机在深埋软岩隧道开挖中的应用，总结悬臂式掘进机的发展方向。

关键词：悬臂式掘进机;软岩隧道;隧道开挖;截割

中图分类号：U45                                   文献标识码：A                                       文章编号：2096-6903（2022）07-0056-03

0 引言

悬臂式掘进机目前主要应用在煤矿巷道掘进施工中，而在公路隧道施工中较少使用。山岭隧道目前主要采用钻爆法开挖，爆破振动效应会对围岩产生较大的影响，尤其是深埋软岩隧道，在爆破作用下，围岩松动圈半径更大。为避免爆破对围岩的扰动，部分软岩隧道采用挖掘机开挖，然而挖掘机破岩效率较低、较硬岩挖掘机破岩困难。目前，悬臂式掘进机不断向重型化发展，截割功率增加，破岩效率不断提高，大量应用于煤矿巷道掘进施工中，而在山岭隧道中的应用较少。

四川省乐汉高速豹狸岗特长隧道全线为V级围岩，为挤压大变形隧道，采用钻爆法开挖段二衬开裂破坏严重，后采用挖掘机破岩，施工进度缓慢。在引进悬臂式掘进机（型号EBZ260）开挖后，大大提高了施工进度，为保证隧道按时贯通打下坚实基础。本文就悬臂掘进机在深埋软岩隧道开挖中的应用做总结分析。

1 悬臂式掘进机性能特点

悬臂式掘进机是一种可以实现岩体截割、转载、喷雾除尘以及履带行走等多功能为一体的机械，由支撑结构、行动结构、本体结构、切割结构、装运结构以及电控系统组成[1]。根据截割头布置方式的不同，将悬臂式掘进机分为纵轴式掘进机和横轴式掘进机;根据岩石抗压强度的适用性可分为半煤岩掘进机（岩石单轴抗压强度小于60 MPa）和硬岩掘进机（单轴抗压强度为60～150 MPa）[2]。相较于TBM、盾构机这些全断面掘进机，悬臂式掘进机具有施工准备时间短、灵活机动、投资少、便于支护等优点。同时，对于软岩大变形隧道，全断面掘进机容易出现卡机等问题，一旦卡机，可造成严重经济损失，并耽误施工工期，而悬臂式掘进机不存在卡机等问题。

本工程采用的EBZ260型悬臂式掘进机整机重量80 t，切割范围达到6.03 m宽，5.06 m高，切割电机功率260 kW，总功率447 kW，可适用于IV级、V级围岩隧道掘进，但随着围岩强度增高，掘进效率降低。

2悬臂式掘进机施工工艺及维护保养

2.1 悬臂式掘进机施工工艺

开挖前准备，采用挖掘机将地面铺平，进行测量放线，采用激光导向仪控制开挖方向，然后悬臂式掘进机到位开始截割。掘进机依次启动油泵电机、第二运输机、第一运输機、星轮以及截割头，即可进行截割作业。本隧道采用上下台阶开挖，掘进机分上下左右4部分开挖，在上台阶开挖时，掘进机先在左侧掘进，左侧掘进完成，将掘进机开到右侧，再掘进右侧。总体采取从左至右，从下到上的截割方式（现场掘进如图1所示）。当围岩硬度较大，岩性一致时，采用低速截割，掏槽位置位于机器中心且与截割部位水平。一次掏槽钻进深度不宜超过22 cm，通过扩窝后才继续钻进，根据岩石硬度及节理发育情况决定掏槽深度，一般不超过70 cm，掏槽后进行横向切割。当围岩硬度不一致时，先对较软岩体进行截割掏槽，然后横向切割，遇到部分硬岩，先将突出岩块周围岩石截割完成，使得硬岩坠落。对于坠落的大块岩石，采用挖掘机进行处理。将岩体切削后，将切削的洞渣转入第一运输机，通过第一运输机转运至第二运输机，第二运输机直接将洞渣装入出渣车，截割作业与出渣同步进行。

在截割作业整个过程中，打开掘进机喷雾系统，可冷却液压系统，降低油温;可冷却截割电机，延长电机寿命;可冷却截割齿，减小截割齿耗损，同时可降低隧道内粉尘。当围岩流水较多时，为避免隧道掌子面前积水过多，可切换外喷水三通阀把喷雾水从第二运输机后部放出。开挖出初步断面后，与实际所需断面轮廓若有一定差异，通过二次修整达到尺寸轮廓要求。截割完成后，掘进机退出工作面，停放在隧道二衬完工段。开挖出渣完成后依次进行立拱架、挂网、喷浆作业，即完成一个施工循环。

2.2 悬臂式掘进机的维护与保养

按照悬臂式掘进机使用说明书，保证使用过程中操作正确，同时在使用期间对机械进行维护保养。对机械部位和电气设备进行维护修理要断电，高温和环境恶劣条件下尽量不开盖板，盖板打开后避免长时间放置。按照掘进机说明更换液压油，且保证液压油为同一品牌，保证液压油质量及油量;定期检查液压系统的压力，出现异常需要专业人士进行调控。按时给掘进机加润滑油;定期检查掘进机各部分螺栓是否松动，以免因为螺栓松动在掘进过程中造成设备损坏。零部件老化或工程性能损坏要及时修理或更换，避免引起更大损失。截割时回转台处于复杂应力状态下，通常因为突然绷现裂纹而报废，由于未掌握动态特性及其寿命，常通过定期更换的方式来避免施工中突然报废。定期检查履带，是否有断裂、变形损坏以及松紧程度，及时修补。

掘进机工作时，油温若超过70℃应停止掘进工作，并检查冷却水系统，确保无故障，等油温冷却再开机。检查是否有油缸及管路漏油现象，铲板油缸、回转油缸、截割部升降油缸、后稳定器油缸及其管路接头等，在掘进机运行不断振动下，液压管路接头容易松动，若有漏油，应及时处理。截割时要注意观察截齿，判断截齿的旋转是否顺畅，若旋转不顺畅，则采用铁锤敲击，使其旋转顺畅，若工作中截齿损坏，要及时更换，否则会损坏截齿座。每班次截割后，需要及时清理除尘器，以保证除尘效果。

3悬臂式掘进机在隧道开挖中的优缺点

3.1 悬臂式掘进机在隧道开挖中的优势

悬臂式掘进机操作方便，可适应复杂地质条件，维护方便。与传统钻爆法相比，掘进机可减少超挖，节省衬砌材料费用;而且没有了钻炮眼、装药、躲避放炮、排烟降尘、出渣等工序，需要的工人数量少，工序简单，施工效率高。同时，采用掘进机开挖，施工人员距离掌子面较远，大大降低了掌子面落石、塌方对工人的人身安全风险。掘进机采用电力驱动，极少产生有毒有害气体，且自带除尘功能，大大改善隧道内的空气质量，保障了施工人员身体健康。与挖掘机破岩相比，悬臂式掘进机截割岩石效率高很多，为缩减工期提供保障。

3.2 悬臂式掘进机在隧道开挖中的不足

随着围岩强度的增加，掘进机截割速度降低，强度较高、完整性较好的围岩对截齿的损耗大，机械耗损费用增加。对于不同强度的围岩，应该采用不同的掘进参数，如摆动速度、进给速度、截割深度等，一般截割参数与岩石强度成反比。但是掘进参数由操作工人调整，对技术人员经验要求较高。

4 浅析悬臂式掘进机发展方向

4.1 智能化控制

现代掘进机朝着智能化、自动化、信息化、无人驾驶的方向快速发展。为了实现掘进机高效高质量完成掘进工作，掘进机控制系统必须根据工作面的地质条件对截割部、行走部等实现智能化控制。实时监控机身位置、机身姿态参数、截割头姿态，实时感知工作面岩层特征，实现对工作面的自动开挖成型控制，并且达到对掘进机的远程监控。

传统的人工驾驶掘进机施工作业，通过全站仪、激光源等确定掘进机机身位置，司机手动控制机身行走和悬臂摆动完成截割作业，掘进过程中，可能还停机通过人工测量位置进行纠偏。相对无人驾驶来说，传统掘进方法测量工作量大，效率低，掘进精度有限、人员依旧在施工区范围。要实现无人驾驶掘进机或者人员远程控制掘进机，掘进机机身空间姿态及空间自动实时定位显得尤为重要，同时，为精确控制开挖位置，准确定位截割头空间位置同样重要。

目前，关于掘进机机身定位及姿态监测方法主要包括：基于激光导向器的位姿测量、基于陀螺仪的位姿测量、基于超宽带技术的位姿测量、基于iGPS的位姿测量、基于机器视觉的位姿测量以及各方式组合导航的掘进机机身位姿测量方法。科技不断发展的情况下，由人工控制截割头截割会逐步实现自动截割，通过设置开挖形状及路径，自动控制截割头的运动，截割头的实时定位是完成断面自动成形的基础。通过控制连接掘进机机身与截割头间的杆件及关节的变化量，来精确控制计算截割头相对机身的空间位置，从而实现精准截割。

为方便掘进机更高效更安全对岩体的截割，应发展对岩体完整性及岩石强度的智能识别，以应对复杂的地质条件，目前的图像识别技术可以实现对明显节理的自动识别标注，同时可通过在机身设置传感器，测试围岩的强度，实现让掘进机根据岩体特征自动调整截割参数，以保护截割头截齿，减小机身振动。

4.2 多功能化

悬臂式掘进机朝着多功能化方向发展，对不同工程的适应性越来越强。掘进机的配套除尘系统，极大改善施工作业空间内空气质量，减少工人患尘肺病的可能;将红外线定位与截割轨迹、遥控技术相结合，从而可实现远程遥控施工;自动化系统功能更加完备，实现掘进机故障自动检测诊断，更加适应复杂的施工环境;实现掘进机上的锚杆支护功能，提高安装锚杆支护的可靠性，可为掘进机多功能化迈进一大步。

4.3 轻量化设计

目前，悬臂式掘进机向着重型化发展，切割功率快速增加。我国第一台掘进机质量10 t，截割功率20 kW，逐渐发展到现在大型悬臂式掘进机质量135 t，截割功率达到350 kW。重型大功率掘进机具有破岩能力强、掘进效率高、截割范围大、机身稳定性好等优点。然而，在隧道软弱地层中，重型掘进机在使用过程中会沉陷，影响机身位置参数，对开挖掘进定型产生不利影响。不仅仅是隧道，现在的厚层煤矿也在逐渐减少，越来越多的去开采中薄层煤矿。因此，在满足掘进机的截割范围、截割功率、自身稳定性的基础上，对掘进机进行轻量化设计同样重要。

悬臂式掘进机轻量化设计需要保证零部件的功能、强度、刚度需求;保证机身前后左右的整体平衡性;保证截割时掘进机的稳定性配重。在优化结构设计方面，可以考虑提高装在機构铲板板材性能，以减小板材厚度;铲板前部的无效受料面积较多，对支撑和装载无益，可以减小前部面积;采用做减料处理的铸造扒爪，而非切割扒爪等[3]。悬臂式掘进机整机为前重后轻，为平衡质量，改善履带对地作用力分布，提高行走性能，可将部分零部件（泵站油箱、液压附件等）靠后放置。在结构形式上，同等截割功率下，纵轴式截割机构比横轴式截割机构轻;提高履带行走结构转向比，可增加截割稳定性，从而降低对机械自重的依赖。

5 结语

国内长大隧道的建设项目越来越多，对施工质量的要求越来越高，施工工期越来越短。如何提高软岩隧道的施工效率，保证隧道施工质量，是施工单位亟需突破的瓶颈。目前隧道向综合机械化施工过渡，通过在豹狸岗特长隧道的施工中证明：在深埋软岩隧道中应用悬臂式掘进机，掘进效率高、保证施工工期;断面成型好，减少喷混耗材;工序简单，所需工人少，节省人力;无需爆破，减少围岩扰动;截割时电力驱动，还自带降尘功能。深埋软岩隧道应用悬臂式掘进机，实现高效、安全、绿色、环保施工。

参考文献

[1] 王鹏.掘进机结构的分析及电控系统的设计[J].机械管理开发， 2020，35（6）：205-206+249.

[2] 李旭.悬臂式掘进机关键结构的力学特性研究[D].北京：中国矿业大学，2017.

[3] 王本林.悬臂式掘进机轻量化设计探讨[J].煤矿机械，2020， 41（11）：71-73.

收稿日期：2022-03-11

作者简介：刘复红（1978—），男，四川成都人，本科，工程师，从事工程项目管理工作。