小斷面、長隧洞懸臂式縱軸掘進(jìn)機(jī)開挖工法

鞠林林 黑旭豪 廖兆勇

(中國水利水電第七工程局有限公司， 四川 郫縣 611730)

小斷面、長隧洞懸臂式縱軸掘進(jìn)機(jī)開挖工法

鞠林林 黑旭豪 廖兆勇

(中國水利水電第七工程局有限公司， 四川 郫縣 611730)

本文中該工法提出了懸臂式縱軸掘進(jìn)機(jī)開挖與軸流風(fēng)機(jī)負(fù)壓抽風(fēng)、激光導(dǎo)向儀定位放樣輔助的配套使用模式，重點(diǎn)介紹了懸臂式縱軸掘進(jìn)機(jī)在小斷面、長隧洞開挖中的施工工藝流程及操作要點(diǎn)，為類似工程施工提供參考。

負(fù)壓抽風(fēng)； 激光導(dǎo)向儀定位放樣； 橫向往復(fù)式截割； 二次倒運(yùn)

傳統(tǒng)水利水電工程隧洞的開挖方法多為鉆孔爆破法，需經(jīng)過測量放線、鉆孔、裝藥、連線、起爆、通風(fēng)散煙、排險(xiǎn)、出渣等工序，不僅工序繁瑣，而且施工安全風(fēng)險(xiǎn)高、爆破沖擊波對隧洞圍巖及附近建筑物的擾動大、超欠挖控制難度大。小斷面、長隧洞的開挖更是存在火工材料單耗高、通風(fēng)散煙困難、施工效率低等一系列弊端。

1 適用范圍

本文中該工法適用于巖石單軸抗壓強(qiáng)度低于100MPa、施工區(qū)域居民較多、環(huán)保要求高、橫斷面面積為10～30m2小斷面隧洞開挖施工，隧洞長度大于1000m時(shí)優(yōu)越性能尤為顯著。

2 施工工藝流程及操作要點(diǎn)

2.1 施工工藝流程

懸臂式縱軸掘進(jìn)機(jī)的主切割運(yùn)動是通過截割頭旋轉(zhuǎn)和截割臂水平或垂直擺動合成的運(yùn)動。截割頭的截齒克服與巖體的摩擦阻力，通過旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生切削力進(jìn)行巖石切割，達(dá)到切削巖石、完成隧洞開挖的目的。

其施工工藝流程見圖1。

圖1 小斷面、長隧洞懸臂式縱軸掘進(jìn)機(jī)開挖施工工藝流程

2.2 操作要點(diǎn)

2.2.1 施工準(zhǔn)備

掘進(jìn)機(jī)組裝與調(diào)試：懸臂式縱軸掘進(jìn)機(jī)的機(jī)身長且自重大，不能整體運(yùn)至施工現(xiàn)場，設(shè)備到場后由廠家的技術(shù)人員在隧洞外組裝并完成專用變壓器的安裝。組裝完成后進(jìn)行整體調(diào)試，試運(yùn)轉(zhuǎn)正常后方可進(jìn)洞掘進(jìn)，懸臂式縱軸掘進(jìn)機(jī)組裝見圖2。

安裝電纜：懸臂式縱軸掘進(jìn)機(jī)供電電壓為1140V，其專用高壓電纜放置于錨固在隧洞邊墻的簡易電纜支架上，距離底板高度80cm，以便于移線作業(yè)，高壓電纜隨掘進(jìn)機(jī)開挖進(jìn)尺向洞內(nèi)延伸。

圖2 懸臂式縱軸掘進(jìn)機(jī)組裝

安裝通風(fēng)設(shè)備：開挖過程中隧洞內(nèi)空氣污濁，若長隧洞采用射流風(fēng)機(jī)進(jìn)行壓入式通風(fēng)，通風(fēng)效果甚微，故在隧洞口安裝3×37kW軸流風(fēng)機(jī)負(fù)壓抽風(fēng)，采用DN800mm HDPE雙壁波紋管延伸至掌子面。開挖時(shí)掌子面產(chǎn)生的污濁空氣通過軸流風(fēng)機(jī)及波紋管被抽排至隧洞外，洞口附近的新鮮空氣則由于掌子面范圍形成負(fù)壓自流至隧洞內(nèi)，大大改善隧洞內(nèi)的空氣質(zhì)量。通風(fēng)設(shè)備及電纜安裝見圖3。

圖3 通風(fēng)設(shè)備及電纜安裝

2.2.2 測量放樣

測量檢查加密控制樁點(diǎn)，采用全站儀按設(shè)計(jì)樁位坐標(biāo)進(jìn)行放樣，放出開挖輪廓邊線，并將測量放樣成果向現(xiàn)場管理人員交底。隧洞軸線的水平允許偏差為±100mm，洞底高程允許偏差為±60mm，隧洞開挖輪廓線的允許偏差為+50mm，且不允許欠挖。

當(dāng)直線型隧洞開挖長度大于20m時(shí)，根據(jù)斷面尺寸使用5～7個(gè)激光導(dǎo)向儀定位放樣，替代每循環(huán)的全站儀放樣。激光導(dǎo)向儀安裝在拱頂、拱腳、邊墻等部位，使用過程中每隔3天對其進(jìn)行檢查、校核，防止儀器震動或損壞，確保放樣準(zhǔn)確性，以保證隧洞準(zhǔn)確貫通。激光導(dǎo)向儀安裝位置及應(yīng)用效果見圖4。

2.2.3 懸臂式縱軸掘進(jìn)機(jī)開挖

啟動懸臂式縱軸掘進(jìn)機(jī)，依次開動油泵電機(jī)→第一運(yùn)輸機(jī)→星輪→截割頭。將掘進(jìn)機(jī)行走至截割頭與掌子面距離50mm位置，將后支撐操作手柄向后拉動，保證后支撐下降與底板壓接密實(shí)，增大掘進(jìn)機(jī)與底板摩擦力，以抵制截割時(shí)產(chǎn)生的巨大后推力。

圖4 激光導(dǎo)向儀安裝位置及應(yīng)用效果

掘進(jìn)機(jī)采用橫向往復(fù)式截割，截割時(shí)將截割頭調(diào)至隧洞中部，由隧洞中下部開口進(jìn)刀，左右擺動先割出槽窩，然后按照S型或Z型左右循環(huán)向上的截割路線逐級截割以上部分。通過掘進(jìn)機(jī)行走系統(tǒng)和截割頭的伸縮控制進(jìn)刀深度，進(jìn)刀深度不超過截割頭長度，以0.8m為宜，根據(jù)隧洞巖石性質(zhì)確定每個(gè)循環(huán)的進(jìn)刀次數(shù)、進(jìn)尺長度。懸臂式縱軸掘進(jìn)機(jī)開挖施工方法及截割路線如圖5和圖6所示。

圖5 懸臂式縱軸掘進(jìn)機(jī)開挖施工方法示意圖

圖6 懸臂式縱軸掘進(jìn)機(jī)開挖截割路線示意圖

在軟巖和極軟巖洞段開挖時(shí)，應(yīng)根據(jù)圍巖變形大小，在設(shè)計(jì)開挖線之外適當(dāng)預(yù)留變形量，保證永久襯砌結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)尺寸。當(dāng)遇有硬巖時(shí)，不應(yīng)勉強(qiáng)截割，對于有部分露頭的硬石，先截割其周圍部分，使其墜落，解體后再進(jìn)行裝載。截割作業(yè)時(shí)，鏟板尖與底板壓接密實(shí)，防止機(jī)體振動。

截割出初步斷面形狀后，進(jìn)行二次修整成型并及時(shí)進(jìn)行地質(zhì)編錄。懸臂式縱軸掘進(jìn)機(jī)洞口及洞內(nèi)開挖施工見圖7。

懸臂式縱軸掘進(jìn)機(jī)開挖作業(yè)應(yīng)每天填寫反映掘進(jìn)機(jī)工作情況的日報(bào)表，日報(bào)表中應(yīng)有下列主要內(nèi)容：?掘進(jìn)機(jī)開挖的起止樁號；?所掘進(jìn)的洞段開挖輪廓線、高程和洞軸線偏差的檢查結(jié)果；?掘進(jìn)機(jī)的實(shí)際運(yùn)行參數(shù)；?機(jī)械故障及維修的詳細(xì)情況；?洞內(nèi)各類人員和設(shè)備投入數(shù)量；?開挖洞段的地質(zhì)條件，所遇到的特殊地質(zhì)問題，并出具相應(yīng)的檢測數(shù)據(jù)和處理措施。

圖7 懸臂式縱軸掘進(jìn)機(jī)洞口及洞內(nèi)開挖

2.2.4 出渣

開挖渣料采用掘進(jìn)機(jī)自帶裝運(yùn)鏟板收集，經(jīng)第一運(yùn)輸機(jī)和第二運(yùn)輸機(jī)裝自卸汽車運(yùn)輸至指定渣場。當(dāng)渣場運(yùn)距較遠(yuǎn)或隧洞斷面較小，洞內(nèi)只能采用小型運(yùn)輸車時(shí)，在洞口設(shè)置臨時(shí)堆渣場，采用裝載機(jī)裝大型自卸汽車二次倒運(yùn)至指定渣場。懸臂式縱軸掘進(jìn)機(jī)出渣施工見圖8。

3 工法特點(diǎn)

a.懸臂式縱軸掘進(jìn)機(jī)開挖徹底取代了火工材料，從根源上消除了火工材料保管和使用過程中的安全隱患，且避免了由于火工材料供應(yīng)的不確定性影響施工進(jìn)度。

b.采用懸臂式縱軸掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行開挖施工，可徹底消除爆破沖擊波對周邊圍巖及附近建筑物、結(jié)構(gòu)物的擾動，提高圍巖穩(wěn)定性及隧洞整體施工質(zhì)量，減少對外協(xié)調(diào)工作量。

c.懸臂式縱軸掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行開挖施工具有機(jī)械化水平高、施工工藝簡單、施工進(jìn)度穩(wěn)定、施工速度快等特點(diǎn)，較鉆爆法開挖速度可提高2～3倍。

d.懸臂式縱軸掘進(jìn)機(jī)開挖成型效果好，可有效控制超欠挖，減少后期超填工程量和欠挖處理工作量，提高施工效率，節(jié)約施工成本。

e.懸臂式縱軸掘進(jìn)機(jī)采用清潔能源——電能作為動力來源，對環(huán)境污染小，積極地響應(yīng)了國家“綠色施工、環(huán)保施工、低碳施工、文明施工”的號召。

4 效益分析

4.1 經(jīng)濟(jì)效益

采用懸臂式縱軸掘進(jìn)機(jī)開挖可大大提高機(jī)械化施工水平，采用激光導(dǎo)向儀放樣，全站儀定期復(fù)核工藝，可大幅度降低人工成本；相比鉆爆法開挖降低了由于手工操作工序繁瑣而導(dǎo)致的人為操作失誤概率，減少經(jīng)濟(jì)損失、降低安全風(fēng)險(xiǎn)；同時(shí)有效解決了小斷面、長隧洞火工材料單耗量高等問題；隧洞成型效果好，可有效控制超欠挖，減少后期超填工程量和欠挖處理工作量，節(jié)約潛在成本；掘進(jìn)機(jī)施工工藝簡單、施工進(jìn)度穩(wěn)定、施工速度快(每天可開挖8～10m)，較鉆爆法開挖速度可提高2～3倍，節(jié)約了施工工期和管理成本，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

4.2 社會效益

懸臂式縱軸掘進(jìn)機(jī)開挖徹底取代了火工材料，從根源上消除了火工材料保管和使用過程中的安全隱患，消除爆破沖擊波對隧洞周邊圍巖及附近建筑物、結(jié)構(gòu)物的擾動，提高圍巖穩(wěn)定性及隧洞整體質(zhì)量；有效降低施工噪音對周邊村民生產(chǎn)、生活的影響，減少施工的負(fù)面影響；同時(shí)該掘進(jìn)機(jī)采用清潔能源——電能作為動力來源，對環(huán)境污染小，響應(yīng)了國家“綠色施工、環(huán)保施工、低碳施工、文明施工”號召，在施工區(qū)域居民較多、環(huán)保要求較高、隧洞覆土厚度不大的條件下，社會效益顯著。

5 應(yīng)用實(shí)例

資中縣水庫聯(lián)網(wǎng)輸水工程A2隧洞和B3隧洞長度分別為2140.3m、2049m，開挖斷面尺寸分別為5940×3738mm(馬蹄形)、4040×3920mm(城門洞形)，無施工支洞。隧洞開挖采用懸臂式縱軸掘進(jìn)機(jī)施工，于2016年3月開始施工，2016年12月貫通，滿足工期及質(zhì)量要求，施工過程中無安全事故發(fā)生，得到了縣政府和業(yè)主的高度認(rèn)可。

采用該工法施工，創(chuàng)造了此工程中隧洞開挖及初支綜合進(jìn)尺277m/月和開挖進(jìn)尺16m/天的最高紀(jì)錄，節(jié)約直線工期1.5個(gè)月，節(jié)約隧洞超挖清運(yùn)及混凝土超填工程量約9089m3，避免采用鉆孔爆破法開挖不能滿足工期要求而新增施工支洞及新建施工便道長度3142m，產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益1281萬元。

6 結(jié) 語

在科技發(fā)展日新月異的今天，應(yīng)積極采用“四新”工藝，提高機(jī)械化施工水平、降低安全風(fēng)險(xiǎn)。懸臂式縱軸掘進(jìn)機(jī)開挖與軸流風(fēng)機(jī)負(fù)壓抽風(fēng)、激光導(dǎo)向儀定位放線輔助的配套使用模式，成功破解了小斷面、長隧洞工程開挖安全風(fēng)險(xiǎn)高、超欠挖控制難度大、施工成本高、通風(fēng)散煙困難、施工進(jìn)度慢等諸多難題，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，證明該工法具有較好的推廣應(yīng)用價(jià)值，可為類似工程施工提供參考。

On the construction methods of cantilever vertical shaft type tunnelingmachine in small section and long tunnels excavation

JU Linlin, HEI Xuhao, LIAO Zhaoyong

(SinohydroBureau7Co.,Ltd.,Pixian611730,China)

In the paper, the matched application mode of cantilever vertical shaft type tunneling machine excavation, axial flow fan negative pressure convulsion, and laser alignment telescope location lofting auxiliary measures is proposed for the method.The construction process flow and operation keys of cantilever vertical shaft type tunneling machine in small section and long tunnels excavation are mainly introduced, thereby providing reference for construction in similar projects.

negative pressure convulsion; laser alignment telescope location and lofting; horizontal reciprocating cutting; secondary reshipment

10.16616/j.cnki.11-4446/TV.2017.05.021

TV53+4

A

1005-4774(2017)05-0078-05