悬臂式掘进机在小断面引水隧洞开挖中的应用

2023-01-15毛建平

广西水利水电 2022年2期

毛建平

（中国水利水电第十二工程局有限公司，杭州 310004）

1 工程概况

广西桂西北治旱百色水库灌区位于广西西部百色右江河谷地区，任务为农业灌溉及城乡生活生产供水，充分发挥已建百色水库工程效益。

百色水库引水工程东蚕～东笋1#、2#隧洞沿线覆盖层主要为残坡积灰褐色、黄红色含碎石黏土，层厚一般为0～3 m，下伏基岩为薄～中厚层状粉砂质泥岩、粉砂岩夹薄层状泥岩、泥质粉砂岩、粉砂岩等，强～弱风化为主，节理裂隙较发育，岩体完整性差。隧洞围岩以Ⅳ类、Ⅴ类为主约占80%，局部为Ⅲ类围岩约占20%。隧洞沿线地下水位高于洞顶15～80 m不等。

其中东蚕～东笋1#隧洞长2.229 km，东蚕～东笋2#隧洞长1.336 km，隧洞开挖断面为4.00～4.50 m（宽）×3.90～4.35 m（高），城门洞型，设计坡降为0.05%～8.0%。最大开挖断面积15.85 m2，最小开挖断面积13.88 m2，一般开挖断面积15.32 m2，隧洞初期支护后的最小面积为12.89 m2。

2 隧洞开挖方案的确定

东蚕～东笋1#隧洞、2#隧洞均无施工支洞，1#洞出口与2#洞进口相邻，二者间距约50 m，因工程标段之间的冲突，2#隧洞出口有一段暂时不能施工，故2#隧洞只能从进口方向单向掘进。而1#隧洞进口段地下水特别丰富而且以中硬质岩体为主，采用悬臂式掘进机开挖有困难。根据东蚕～东笋1#、2#隧洞的地质条件、围岩类别、断面尺寸、单向掘进长度、地下水发育程度等因素综合分析，采用悬臂式隧道掘进机开挖和钻爆法相结合的施工方案。即东蚕～东笋1#洞洞身及出口段、2#洞洞身及进口段采用悬臂式掘进机开挖，东蚕～东笋1#洞进口段、2#洞出口段采用钻爆法开挖。

3 悬臂式掘进机工作原理及设备选型

悬臂式掘进机是一种能够实现截割、装载运输、自行走及喷雾除尘的联合机组。它主要由切割机构、装载机构、运输机构、行走机构、机架及回转台、液压系统、电气系统、冷却灭尘供水系统以及操作控制系统等组成。

经调研，适应于小断面引水隧洞开挖的悬臂式掘进机有XTR4/180、XTR4/230、XTR6/260 等型号，因XTR4/180、XTR4/230的动力较小，对围岩中夹杂的中硬质岩体的截割较为困难，开挖工效较低，通过综合比选，最终选择了XTR6/260 掘进机作为隧洞机械开挖的主设备。

XTR6/260 掘进机外形尺寸长×宽×高=14.0 m×2.6 m×4.29 m（截割头水平放置时），定位切割面积37 m2，行走速度0～6 m/min，总功率441 kW，供电电压AC1140 V。为满足本工程小断面引水隧洞开挖的需要，实际使用时对XTR6/260 掘进机作了一些必要的改造。

4 悬臂式掘进机施工

（1）悬臂式掘进机隧洞开挖方案。根据东蚕～东笋1#、2#隧洞的断面尺寸及地质特征，悬臂式掘进机的开挖方式采用定位全断面截割单向掘进，出碴由铲板将切割物旋绞入配套的第一装载机，再输入第二卸装载机后直接卸入小型自卸车运出洞外集中堆放。开挖过程中及时施做初期支护以封闭开挖面，同时做好隧洞监控量测及时调整支护参数。开挖前期，由一台悬臂式掘进机分别在东蚕～东笋1#隧洞出口和2#隧洞进口轮换交替掘进，后期投入两台悬臂式掘进机分别向1#洞进口方向和2#洞出口方向掘进。

（2）截割。由于隧洞开挖断面较小，截割方法采用“中间打，两边扩，预留20～30 cm 保护层修边”。一般情况，当截割较软的岩石时，采用左右循环向上的截割方法。当截割稍硬岩石时，可采用由下而上左右截割的方法。不管采用那种方法要尽可能地从下而上截割。当遇有硬岩时，不应强行截割，对有部分露头硬石时，首先截割其周围部分，使其坠落。对大块坠落体，采用适当办法处理后再进行装载。

（3）喷雾。喷雾装置包括截割头上的内喷雾和截割头后部与机械两侧的外喷雾。外喷雾装置位于掘进机的最高部位，高度达4.29 m，受洞高3.9 m的限制，为保证掘进机的自由通行，实际开挖时拆除了外喷雾装置，仅使用截割头的内喷雾系统。

（4）出渣。XTR6/260 掘进机切割下来的岩碴通过弧形五齿星形轮式铲板旋绞入第一装载机内，铲板转动时第一装载机实现随动，采用液压马达直接驱动链轮带动刮板链组实现石碴落到第二装载机，通过第二装载机卸至小型自卸车运出洞外集中堆放。当积聚至一定体量时，采用大型自卸车运至指定渣场。

（5）掘进机作业循环时间。悬臂掘进机开挖单个循环作业包括测量放样、超前支护、掘进及出碴、掘进机退出、支护（安装钢拱架、格栅、挂网及喷射混凝土等）、掘进机再进入实施第二循环作业。

采用悬臂掘进机施工，开挖与出渣、除尘同时进行，省缺了钻眼、装药、除尘、出渣及烟雾消散的时间。正常情况下，开挖IV 级围岩每循环进尺3.0 m，循环时间480～720 min，每天2～3 个循环，日进尺6～9 m；V级围岩每循环进尺2.0 m，循环时间480～720 min，每天2～3个循环，日进尺4～6 m。经统计，东蚕～冬笋1#、2#隧洞最大日进尺13 m，综合平均日进尺5 m，最大月进尺220 m。

5 针对小断面隧洞对悬臂式掘进机的改造

（1）拆除掘进机最上部的外喷雾装置。XTR6/260 掘进机当截割头水平放置时最高为4.29 m，最高点处在外喷雾机的部位，而东蚕～东笋1#、2#隧洞最小洞高为3.90 m，初期支护后的高度为3.80 m，显然掘进机难以进入洞内，为保证掘进机能在隧洞内自由行走，不得已拆除了外喷雾装置。拆除了外喷雾装置给开挖带来了负面影响，除尘效果大打折扣，洞内空气质量降低，影响了操作视野，容易造成超欠挖。为消除或降低由于拆除外喷雾装置造成的影响，采取了在洞口增设轴流风机，架设风筒接近掌子面，大流量通风以达到消尘的效果。而架设的风筒又妨碍了掘进机的行走，所以每次掘进机外撤时，必须拆除一段风筒让掘进机退出，掘进机就位后又恢复风筒。如此反复，既增加了工作量和劳动强度，又浪费了作业时间，从而降低了开挖工效。

（2）3800 mm 铲板更换为3600 mm 铲板。XTR6/260掘进机原装铲板的宽度为3800 mm，而隧洞初衬后的隧洞宽度为3900 mm，设备两侧仅有50 mm理论上的间隙，显然难以满足施工需要，为此将原3800 mm 铲板改装为3600 mm 铲板，使设备两侧有150 mm的间隙，勉强能够满足人员和掘进机行走。

（3）800 kVA 专用变压器改用630 kVA 移动式矿用变压器。XTR6/260 掘进机供电电压AC1140 V，800 kVA 专用变压器安装在洞口，采用软式电缆接至掘进机。随着隧洞开挖深度的增长，供电电缆也随着加长，人工拖拽电缆的时间越来越长，劳动强度也越来越高，并且电缆价格昂贵，成本也在不断提高。为改变现状，改用630 kVA 防爆可拖矿用移动变压器，将变压器安置在避车洞内，每掘进200 m左右移动一次变压器，减少了人工拖拽卷缆时间，降低了电缆成本。

（4）尝试遥控操作装置。悬臂式掘进机操作台在设备的左侧，受操作手视线角度等影响，超欠挖大多发生在隧洞右侧。为控制右侧的超欠挖，曾尝试采用遥控装置操作截割头，操作时，操作手不断地在地面、驾驶台、机械左右来回奔波，造成操作手始终处于疲惫不堪的状态。另外，可能是装置本身、人员的视觉及思维反应等综合因素的影响，遥控操作有明显的延滞现象，没有人工操作直观可控，使用效果并不理想，最后放弃了使用，留待厂家进一步研发。

6 悬臂式掘进机超挖控制

隧洞围岩以Ⅳ类、Ⅴ类为主，地质条件复杂，容易形成较大超挖。控制隧洞超挖，不仅在于保证隧洞开挖的成型质量，更重要的是控制施工成本，提高企业的经济效益。

为此，项目部专门成立了“减小掘进机隧洞开挖超挖”QC 小组。QC 小组通过现状调查、分析原因、确定要因等活动，确立“放样测量指示不到位、掘进机截割头喷雾不足影响视线、操作人员技术水平参差不齐”3 个因素是造成掘进机超挖的主要因素，采取下列措施减小超挖：

（1）引进高精度全站仪，在原有10个放样点的基础上再增加10个放样点，确保放样的准确度。配置激光导向系统，借助光束长距离聚集、穿透力强的特点，在其支持下准确标记开挖轮廓，掘进机驾驶员沿指示线开挖。

（2）在原有照明的基础上，在掌子面两侧壁各增加一台照明灯，提高隧洞作业面照明度。

（3）由于拆除了外喷雾装置，除尘效果和操作手视野受到影响，容易造成掘进机开挖的超欠挖。为消除或降低由此造成的影响，采取了在洞口增设轴流风机，架设风筒至掌子面，加强通风换气，开挖时两套系统同时实施降尘、除尘。

（4）掘进机操作手的操作水平直接决定了隧洞成型的质量，为提高掘进机操作人员的操作技艺，特请厂家专业操作人员进场培训指导，并对操作手现场考核，不合格者不得上岗。施工期间，两名厂家高水平操作手全程参与了隧洞开挖，有效地控制了超挖量。

通过实施上述改进措施，隧洞开挖由原最大超挖0.46 m，平均超挖0.25 m，合格率21.8%，提高至无欠挖，最大超挖0.16 m，平均超挖0.11 m，合格率96.0%。不合格率仅为4.0%。

7 悬臂式掘进机的优势

东蚕～东笋1#、2#隧洞洞挖采用悬臂式掘进机开挖和钻爆法二种开挖方法，通过二种开挖方法的比较，悬臂式掘进机开挖具有下列优点：

（1）开挖围岩扰动小，隧道成型质量好，洞壁稳定，超挖量容易控制。悬臂式掘进机为连续机械挖掘，避免了爆破对围岩的破坏，大大降低了对围岩的扰动，隧道洞壁光洁规整平顺，超挖量大大减少，有效地提高了隧洞的施工质量，可避免坍塌、掉块、冒顶等现象的发生。

（2）施工过程安全性高，管理风险压力相对较低。悬臂式掘进机开挖不使用炸药等火工材料，减少了火工品管理的环节，完全避免了重大公共安全事件的发生。相比于爆破法，洞挖过程中基本没有振动，减少了对周边居民生活的影响，同时也不受节假日和重大社会活动影响，能够持续施工。悬臂式掘进机洞挖时作业人员少，降低了群伤群亡的风险。洞挖时悬臂式掘进机处于已支护的洞段，操作人员远离开挖掌子面，即使掌子面上有少量掉块也不至于伤及设备和操作人员。

（3）开挖效率高，掘进速度快。采用悬臂式掘进机施工可以实现开挖与出碴、除尘同时进行，省缺了爆破法施工的钻眼、装药、除尘、出碴、烟雾散尽的时间。在适合的地质条件和施工条件下，悬臂式掘进机开挖进尺明显高于钻爆法进尺。经统计，东蚕～冬笋1#、2#隧洞悬臂式掘进机在Ⅳ类、Ⅴ类围岩中平均日进尺为5～6 m，月平均进尺150～200 m。而采用钻爆法在同类围岩中开挖平均日进尺为1～2 m，月平均进尺30～60 m。

（4）悬臂式掘进机技术比钻爆法对任意形状断面的切割更自如、更准确。钻爆法虽然对任意形状断面的隧洞也能开挖，但炸药的瞬间爆炸力不可能使岩体保留良好的棱角，准确度也不可能完全到位。悬臂式掘进机经切割头上下、左右摆动及切割头旋转破岩，可实现不同形状断面的成型，对完成任意形状断面的切割更加自如，更加准确到位。

（5）施工成本降低，经济效益高。正常施工时，每台悬臂式掘进机需1名操作工和1名辅助工，而钻爆法施工作业人员需5～6人，投入的劳动力比钻爆法少3～4人，降低了人工成本；同时，在适合的同类围岩中，悬臂式掘进机开挖进尺是钻爆法的3～5倍。经综合统计，悬臂式掘进机开挖与钻爆法比较，洞挖1 m3石方可节省直接成本30～50元。间接地，悬臂式掘进机开挖能精准地控制超挖量，节约喷射混凝土用量，特别是节约衬砌混凝土的费用更是可观，经济效益明显。另外，根据当前民爆管理的有关规定，爆破施工需委托有爆破资质的第三方承担，需支付火工品管理费和爆破施工咨询费。悬臂式掘进机开挖不涉及民爆器材，节约了这笔不菲的费用。

8 悬臂式掘进机的适应性分析

悬臂式掘进机开挖的优点突出，但也有明显的局限性，其适应性受到岩性、地下水、开挖断面、单向掘进长度等因素的制约。

（1）岩石强度及岩性影响。经统计，东蚕～冬笋1#、2#隧洞XTR6/260 悬臂式掘进机开挖，在50 MPa以下的岩石中开挖，每个台班消耗的截齿1～2个；对大于70 MPa 以上的岩石开挖，每个台班截齿磨损报废达15 个以上；对于大于90 MPa 以上的岩石中开挖，每个台班截齿磨损报废数量急剧增加，同时开挖进尺明显下降。截齿目前的市场价格约300 元/个，从截齿损耗及开挖工效分析，XTR6/260掘进机最适合50 MPa以下的围岩开挖；50～70 MPa围岩适合使用XTR6/260 掘进机开挖；70～90 MPa围岩使用XTR6/260 掘进机开挖，开挖成本明显提高，开挖工效降低，应通过认证后谨慎使用；大于90 MPa以上的岩石使用XTR6/260掘进机开挖，开挖成本急剧提高，开挖工效明显降低，不建议使用。

（2）地下水的影响。东蚕～冬笋1#隧洞出口、2#隧洞进口1000 m以内地下水不发育，洞内比较干燥，较适合悬臂式掘进机的开挖。随着隧洞向纵深发展，地下水发育，给悬臂式掘进机的开挖造成了困难。主要原因是隧洞围岩为粉砂质泥岩、泥质粉砂岩，掘进机通过磨削、刮擦岩体形成粉状碎屑物，在地下水的作用下使切割物呈泥糊状，作业时间长了就成了“泥浆池”，使整个开挖掌子面和工作面泥泞不堪，工作条件极为恶劣，不仅工作效率明显降低而且增加了安全风险。所以，对以泥岩为主叠加地下水发育的隧洞一般不适合悬臂掘进机开挖，故东蚕～东笋1#洞的进口段、2#隧洞的出口段放弃了掘进机开挖而改用钻爆法开挖。

（3）隧洞开挖断面的影响。根据XTR6/260 悬臂式掘进机的工作参数，定点开挖面积为37 m2，对定位全断面截割的引水隧洞而言，为充分发挥掘进机的效率，开挖断面以5 m×5 m（25 m2）～37 m2为佳，本工程开挖断面一般只有18.15 m2，难以发挥掘进机的最佳工效。同时，开挖断面过小，掘进机两侧没有足够的工作空间，每一开挖循环完成后，在进行支护前，掘进机必须退出掌子面至洞口或者退至避车洞避让，浪费了大量的有效作业时间。所以对开挖断面小于5 m×5 m（25 m2）的小断面隧道，XTR6/260 悬臂式掘进机的开挖工效并不能充分发挥，XTR6/260悬臂式掘进机更适合断面大于5 m×5 m（25 m2）隧道的开挖。

（4）隧洞单向开挖长度的影响。对小断面的引水隧洞，由于没有并行的作业通道，支护时悬臂式掘进机需退出掌子面，如果单向开挖长度过长，需花费大量的时间用于掘进机来回退进。以来回退进300 m 为例，掘进机在小断面隧洞中行走速度按3 m/min 计，则掘进机来回行走的时间至少需200 min。同时，单向开挖长度太长，拖拽卷缆时间也长，劳动强度明显提高，所以悬臂式掘进机单向开挖长度一般以500 m左右为佳，不宜超过1000 m。