论高速公路软岩隧道悬臂掘进机施工技术

摘要 隧道工程的隧道开挖工艺对项目工程质量、工程效益影响显著，悬臂掘进机施工技术作为一种隧道开挖新工艺，具有掘进效率高、对围岩扰动小、超欠挖易控制等优势。文章依托某高速公路軟岩隧道工程施工实例，对悬臂掘进机施工技术展开研究，论述悬臂掘进机作业特点，探讨了设备选型原则及悬臂施工技术流程，总结施工安全、质量控制措施，旨在为同类工程提供参考。

关键词 悬臂掘进机;超欠挖控制;施工成本;施工进度

中图分类号 TD632.2 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2022）12-0166-03

收稿日期：2022-04-05

作者简介：周航（1975—），男，本科，工程师，从事公路工程施工管理工作。

0 引言

隧道工程施工是公路工程施工重难点，传统钻爆开挖法施工安全性难以保证，且对环境扰动较大，易造成周围居民房屋震动开裂、下沉、坍塌事故。随国家环保、安全形势发展，爆破施工越来越难以满足环保、安全施工要求，且随着国家对爆破装置、爆破火药管制力度不断加强，爆破施工逐级上报、批复等时效不易控制，增加了施工工期控制风险。悬臂掘进工艺在煤矿开采中应用广泛，近年来应用于隧道施工领域，取得了良好的工程效果。相较于爆破施工工艺，悬臂掘进工艺采用掘进机施工，可实现自动化切削、装碴、转运、行走控制，具有施工成本低、掘进速度快、对围岩扰动小、可连续施工等优势，显著提高了隧道开挖施工安全性、经济性，降低了施工安全风险[1-2]。基于此，该文依托具体工程，对悬臂机掘进工艺展开研究，对提高隧道工程整体效益具有积极意义。

1 工程概况

某高速公路隧道为左右幅分离式结构，左洞隧道长3 181 m，右洞隧道长3 202 m，隧道洞底最大埋深约294.5 m，开挖方量总数量为65万m³。施工场地地质勘测报告显示，该隧道沿线地层主要为第四系全新统坡洪积堆积层（Q4dl+）pl、第四系上更新统风积黄土层（Q3eol）、冲洪积层（Q3al+pl），新近系上统临夏组风化泥岩（N2l）。泥岩呈红褐色，可塑-硬塑状，原岩构造破坏严重，节理、裂隙发育明显，局部夹薄层状砂岩[3]。

2 悬臂掘进机简介

2.1 设备系统大样图（如图1）

2.2 设备介绍

悬臂机主要由切割系统、装载系统、运输系统、行走系统、液压系统、操作控制系统等结构系统构成，能实现切削、装运、行走的同步化、自动化运行控制，具有掘进效率高、施工安全、对环境扰动小、无爆破震动等优势，最初在煤矿开采领域应用广泛，近年来应用于隧道掘进施工，取得了良好的工程效果，提升了隧道施工安全性、经济性[4]。

2.3 设备特点

（1）定位截割范围大，悬臂掘进机最大截割宽度6.5 m，最大定位截割高度7 m，定位截割面积45.5 m2。

（2）破岩能力强，截割效率高，数字化的截割头设计软件，以高效、低磨损、低功耗为目标函数，优化截齿排布，实现高截割效率下的低齿消耗率。

（3）装运效率最高，配备宽幅大星轮铲板、高链速第一运输机及悬臂式皮带第二运输机。

（4）高效除尘系统，改善作业环境，适应大断面隧道施工。

（5）安全性高作业人员少。每班掌子面仅需2人，可有效降低人工成本、防止较大伤亡事故发生。

3 设备选型及施工方案

3.1 设备选型

依据工程实际情况，综合考虑隧洞断面尺寸、地质情况，拟选用CTR300A、STR318/5、XTR/260型三种悬臂掘进机进行施工，积累各品牌设备经验。

3.2 设备组装

（1）掘进机在洞外组装完成，现场需安装场地长30 m、宽20 m，现场汽车吊起吊组装。

（2）布置电缆和变压器，为掘进机供电;连接水管给掘进机供水[5]。

（3）开机试车，无异常开始正常施工掘进。

3.3 施工方案

（1）掘进开挖：掘进机上台阶全断面开挖，由挖机、装载机配合卡车在机器后方出料，也可直接装车。

（2）支护、立拱、喷浆作业：掘进机截割一定进度，控制掘进机离开作业面，停置于指定区域，工人对掌子面进行支护、立拱，喷浆作业，再进行下一循环施工。

（3）下台阶开挖注意仰拱地板的测量放样，尽量一次性开挖到位，出渣不要全部出完，确保栈桥、仰拱面水平高度一致。

4 施工注意事项

悬臂掘进机开挖在安全性、经济性上较传统工艺有很大优势，但是同时存在一些问题。

4.1 临时用电安全风险较高

悬臂掘进机额定电压为1 140 V，洞内供电额定电压为380 V，无法满足掘进机供电要求，须从洞外牵引10 kV的特高压专线进洞，经变压器变压成1 140 V高压电，方可满足施工需求。洞内空间有限，特高压电进洞易引发用电安全隐患，须编制高压进洞专项方案[6]。

悬臂掘进机施工过程必须严格按方案施工，洞内高压专线进洞必须请专门的电力公司安装、检修，同时还需做好高压变压器的防护工作，确保变压器不被洞内行走设备碰撞。隧道安全专员必须在每次使用设备前，检查洞内临时用电情况，谨防电缆破皮漏电现象。

4.2 优化施工工艺，加强前后工序的衔接

悬臂掘进机掘进速度较快，为防止初支封闭成环不及时发生安全隐患，须加强悬臂掘进机掘进施工及后续仰拱、二衬施工协调性，保证施工安全。

经该隧道施工经验总结，每个洞口需每两天一板仰拱及二衬的施作，才可确保安全步距满足施工要求。同类项目需根据施工班组的施工熟练程度，科学配置洞内作业人员、施工设备，保证掌子面进度要求[7]。

4.3 施工工作距离

新型悬臂式掘进机受设备自身尺寸影响，设备自身开挖长度需20 m，开挖上台阶时出渣长度需10 m，掌子面掘进时需将立架台车放置于装渣点之后，摆放长度约6 m，故下台阶距离掌子面最短距离需36 m。

开挖下台阶施工类似于掌子面开挖施工，开挖与装渣施工距离需30 m，仰拱开挖端头与下导施工距离需10 m，仰拱开挖、仰拱浇筑端头与二衬端头施工距离需35 m。综上述，为保证施工的正常推进，设备的高效运行，实际施工所需安全步距最少需111 m，正常作业需125 m。

5 进一步优化措施

后续设备改进过程中可采用类似盾构机形式的精密操作，输入几个轮廓线坐标，由提前编好的电脑程序指导操作设备的位置、切割角度[8]。悬臂掘进机最大不利条件为除尘措施，需在今后的工作中不断总结经验，完善除尘设施。

5.1 断面激光定位优化

采取移动单株红外线激光离掌子面后移30 m以内环形布置，间距2 m;断面激光定位示意图见图2。

喷浆面打孔定位，配套卡具固定，用全站仪红外线样测出实际数据，由测量技术员进行微调，确保隧道开挖过程中被现场施工员及悬臂掘进机手所掌握。

5.2 降尘环境优化

悬臂掘进机降尘设置不完善是悬臂掘进机得不到普及推广的直接原因，对项目部也是一项继续研究的课题，根据实况、超前地质资料，该隧道的围岩已经完全进入V2级性的岩质层，塑性，干燥，无水，悬臂掘进机掘进此类岩层结构，截齿旋转摩擦原石会产生更大粉尘。该工程做出了如下降尘优化措施。

（1）规划与提高机械操作手的切割方式：其原理是利用开挖下来的原土石，掩盖截齿头进行旋转，将粉尘阻隔在松散的渣体内。

（2）添置喷雾设备，包括采用雾炮机、雾帘除尘、徐工机械除尘机等。

5.3 通道洒水降尘

该隧道基本无出水流动，洞身通道过车扬尘严重，路面洒水降尘为日常工作重点。

6 安全控制措施

（1）成立安全管控小组，全面提升项目管理人员安全意识，多措并举提升其安全管理水平;做好三级安全教育，差异化开展安全教育，提升安全教育的针对性、实效性;加强安全培训，强化培训工作，提升项目管理人员的安全意识，树立安全就是效益的思想，根据项目生产活动实际，动态管理风险源。

（2）强化制度执行。根据项目施工特点，制定并持续完善安全生产管理制度，强化制度执行力，提升制度执行的刚性，将安全生产管理制度落实落地[9]。

（3）安全生产负责人应做好各项监督检查工作，施工现场配专职安全员，专责做好安全监督工作，一旦发现存在安全问题应及时上报和解决;现场负责生产的管理人员要协调技术员、安全员、施工员仔细检查安全监管设备、施工机械等，经检查合格后方可开展施工活动。

7 环保措施

（1）建立以项目经理为主要负责人的“环境保护领导小组”，落实“环境保护责任制”，加强环保施工、绿色施工、文明施工教育，增强施工人员环保意识。

（2）施工前，深入学习国家地方环保法规，组织项目环保、技术、施工负责人开展“环保施工”交底。

（3）施工阶段，积极落实国家、地方、项目环保制度规定，并邀请上级环保部门监督。

（4）根据项目实际编制环保管理预案，同时施工人员应定时学习国家及地方各项环保制度、法规，提升环保意识，优化环保管理，将环保施工思想贯穿于整个施工过程[10]。

7.1 施工废水处理

（1）为防止地表废水乱排乱放，须按照施工场地地表废水来源、污染程度等，设置地表排水设施，确保地表废水污水排放顺畅。

（2）为防止机械清理废水、施工用水、油污水、泥沙废水污染环境，须先将相应废止按类排放至沉淀池进行脱污处理，再排入外排水设施。

7.2 施工废弃物处置

（1）施工场地设置可移动垃圾桶、分类垃圾桶，分类处理生活垃圾、生产垃圾、可回收垃圾、不可回收垃圾、有毒有害垃圾。

（2）施工现场安排专门的清洁人员，负责打扫场地、生活区卫生，收集场地、生活区遗留垃圾，污水沟沉淀物等，保持场地、生活区环境卫生。

7.3 施工燃油排放措施

集中收集、处理机械运行、维护产生的油污、油水，严禁油污、油水直接排放。

7.4 施工噪声控制

（1）设备选型阶段，选择性能良好、规格合适的施工设备，避免设备超载;施工中，严格按照机械设备操作规程操控设备作业，防止误操作。

（2）做好设备检修保养，保持设备处于良好状态。

（3）加强现场施工组织管理，严格按照环保法规规定作业。

7.5 空气污染防治

（1）加强场地车辆、设备日常维护管理，严禁车辆、设备超载作业或空载运行，减少尾气排放。

（2）隧道施工产生有毒、有害气体的工序、工段，设置通风设施，防止引发施工安全事故。

（3）每天安排人员专门打扫、冲洒现场道路、施工地点，减少扬尘。

8 结论

综上所述，悬臂掘进机开挖对隧址周边或地表居民房屋的震动影响为“0”，对围岩扰动小，环保效益、社会效益显著;隧道开挖可一次完成，省去了钻爆布眼、机具打孔、人工装药、爆破、欠挖布炮、块石解体、机械排险等繁杂的工序，施工进度快，有利于节省工期;超挖欠挖易控制，节省喷浆料，经济效益显著;施工中发现该工艺对安全步距要求较高，需加强安全步距控制。

参考文献

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[10]李青.  悬臂掘进机在高速公路大断面软弱围岩隧道应用的可行性分析[C]//. 2021年重庆市矿山学会年会优秀论文集， 2021： 117-119.