懸臂式掘進(jìn)機(jī)在小斷面超長隧道施工中的應(yīng)用

孫柏坤

(中國葛洲壩集團(tuán)路橋工程有限公司，湖北 宜昌 443000)

0 引言

在水利水電等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)領(lǐng)域，經(jīng)常會涉及到大量的隧道工程。目前，隧道的開挖方式主要有鉆爆開挖和機(jī)械開挖2 種[1-2]，傳統(tǒng)的鉆爆法施工受水文地質(zhì)條件、外部環(huán)境和人為因素的影響較大，施工安全性較差，對光面爆破的技術(shù)要求高，易出現(xiàn)超欠挖等現(xiàn)象。同時(shí)，小斷面隧道由于其斷面小、作業(yè)空間狹窄、施工環(huán)境惡劣和平行作業(yè)難度大等特點(diǎn)，其施工難度會大幅增加[3-4]。

懸臂式掘進(jìn)機(jī)由于自身的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，具有掘進(jìn)速度快、適用性強(qiáng)、開挖效率高和對圍巖的擾動小等優(yōu)點(diǎn)，能夠適應(yīng)不同隧道斷面、各類地質(zhì)條件下的隧道開挖作業(yè)。本文闡述懸臂式掘進(jìn)機(jī)的工作原理和施工特點(diǎn)，通過合理的施工布置、設(shè)備選型、工序安排和現(xiàn)場調(diào)度等方式，對懸臂式掘進(jìn)機(jī)開挖技術(shù)要點(diǎn)進(jìn)行分析，總結(jié)懸臂式掘進(jìn)機(jī)在小斷面超長隧道施工中的應(yīng)用。

1 工程概況

肯尼亞某供水項(xiàng)目(以下簡稱“該項(xiàng)目”)位于肯尼亞首都內(nèi)羅畢北部，是肯尼亞2030 年遠(yuǎn)景目標(biāo)項(xiàng)目的重要組成。該項(xiàng)目的施工內(nèi)容主要包括修建1 條長11.7 km 的馬蹄形斷面隧道，在隧道沿線的3 條山間河流的河道上修建混凝土分流堰和進(jìn)水口，通過引水隧道將部分河水引流至內(nèi)羅畢北部一座大壩內(nèi)，用于發(fā)電、灌溉、供水等多種用途。該項(xiàng)目還包括2 條長度分別為269 m 和617 m 的支洞，以及1 座深度為50 m 的豎井，采用英國的施工技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

根據(jù)施工組織設(shè)計(jì)，該項(xiàng)目在隧道進(jìn)口和出口各設(shè)1 個(gè)工作面，2 個(gè)支洞和1 個(gè)豎井上下游各設(shè)1 個(gè)工作面，共計(jì)8 個(gè)工作面同時(shí)開挖。出口段為8#工作面，擬采用懸臂式掘進(jìn)機(jī)配合有軌運(yùn)輸?shù)姆绞竭M(jìn)行開挖出渣。8#工作面擬定長度為2 627 m，洞內(nèi)每隔700 m 設(shè)置1 個(gè)錯(cuò)車道。8#工作面隧道地質(zhì)條件以強(qiáng)風(fēng)化—全風(fēng)化的火山碎屑巖為主，局部存在軟弱巖層地段，巖石強(qiáng)度在5～30 MPa 范圍內(nèi)，開挖斷面直徑為4.0 m，初期支護(hù)采用“250 mm 厚的掛網(wǎng)錨噴+鋼拱架”的支護(hù)形式，永久襯砌采用250 mm 厚的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，襯砌后直徑為3.0 m，如圖1 所示。

圖1 隧道設(shè)計(jì)斷面形式

2 小斷面隧道施工難點(diǎn)分析

該項(xiàng)目為肯尼亞首條超長隧道，開挖斷面小，加之采用英國施工技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，對隧道施工質(zhì)量、環(huán)境污染、水土流失、生態(tài)保護(hù)和施工作業(yè)環(huán)境等方面的要求極高。該項(xiàng)目隧道圍巖的地質(zhì)條件較差，以強(qiáng)風(fēng)化—全風(fēng)化的火山碎屑巖為主，Ⅳ類、Ⅴ類圍巖的占比達(dá)58%，且隧道的埋深較淺，最淺處僅14 m。同時(shí)隧道開挖斷面小、作業(yè)空間狹窄、單工作面開挖進(jìn)尺長，導(dǎo)致洞內(nèi)作業(yè)環(huán)境差、出渣施工效率低。合理選用開挖出渣施工設(shè)備組合，將決定隧道的整體施工效率。

小斷面隧道作業(yè)空間狹窄，大型開挖設(shè)備無法滿足要求，同時(shí)出渣設(shè)備的選型也是難題，若采用小型電瓶車出渣，因其單臺運(yùn)輸量小，設(shè)備投入數(shù)量大，洞內(nèi)狹窄錯(cuò)車會車次數(shù)多，對行車安全存在重大隱患。經(jīng)項(xiàng)目考察和技術(shù)論證，懸臂式掘進(jìn)機(jī)在軟巖隧道中的開挖效率較高，且可以滿足小斷面隧道尺寸要求；有軌電瓶車運(yùn)輸配合梭車及自制渣土車出渣，其運(yùn)輸效率高、單臺運(yùn)輸量大、出渣車沿軌道行駛，安全性得到很大保障。因此，該項(xiàng)目隧道8#工作面采用懸臂式掘進(jìn)機(jī)開挖有軌運(yùn)輸出渣施工技術(shù)，大幅度提高了隧道的開挖出渣施工效率，同時(shí)懸臂式掘進(jìn)機(jī)配合有軌運(yùn)輸施工技術(shù)的應(yīng)用，在肯尼亞工程建設(shè)尚屬首例技術(shù)，得到了業(yè)主、監(jiān)理和各界團(tuán)體協(xié)會的一致肯定。

3 主要設(shè)備選型

3.1 開挖設(shè)備選型

現(xiàn)階段，小斷面隧道開挖主要采用鉆爆法和機(jī)械開挖法2 種形式，其中機(jī)械開挖法包括懸臂式掘進(jìn)機(jī)、盾構(gòu)機(jī)和全斷面巖石隧道掘進(jìn)機(jī)(tunnel boring machine，TBM)等。

鉆爆法開挖會產(chǎn)生大量的粉塵，對圍巖的擾動大，存在很大的安全隱患，對操作人員的鉆爆水平要求高，還要根據(jù)不同的圍巖地質(zhì)條件調(diào)整爆破設(shè)計(jì)，超欠挖難以控制，整體工作量較大、不經(jīng)濟(jì)。

盾構(gòu)機(jī)和TBM 的掘進(jìn)速度快，開挖、出土和拼裝襯砌等過程的自動化程度高、對外界環(huán)境的擾動和影響小，但是對于馬蹄形斷面隧道和多變的地質(zhì)條件的適用性差。同時(shí)，盾構(gòu)機(jī)和TBM 整機(jī)設(shè)備的購置費(fèi)昂貴，且肯尼亞當(dāng)?shù)責(zé)o相應(yīng)裝備，需從國內(nèi)采購運(yùn)輸至現(xiàn)場，施工成本高，影響項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性。

懸臂式掘進(jìn)機(jī)適用于各類不同地質(zhì)、不同斷面的隧道工程施工，尤其針對圍巖強(qiáng)度小于50 MPa 的地層，其掘進(jìn)速度可達(dá)15 m3/h，相較于爆破作業(yè)產(chǎn)生的粉塵量少、振動小，設(shè)備本身的防塵、吸塵和噴霧等裝置有利于改善洞內(nèi)施工環(huán)境，經(jīng)簡單的通風(fēng)即可達(dá)到規(guī)范要求的作業(yè)條件。另外，采用懸臂式掘進(jìn)機(jī)開挖的洞渣料粒徑相對較小且均勻，便于運(yùn)輸和堆放，對周邊環(huán)境的污染較小。

經(jīng)上述選型對比，該項(xiàng)目8#工作面掘進(jìn)開挖采用懸臂式掘進(jìn)機(jī)。

3.2 出渣設(shè)備選型

隧道施工的洞內(nèi)運(yùn)輸方式分為有軌式和無軌式2 種。有軌式運(yùn)輸是在洞內(nèi)鋪設(shè)小型鋼軌軌道，用軌道式運(yùn)輸車出渣和進(jìn)料，有軌運(yùn)輸大多采用電瓶車或內(nèi)燃車牽引，采用斗車或梭式礦車運(yùn)送石渣，是一種適用性強(qiáng)且較為經(jīng)濟(jì)的運(yùn)輸方式；無軌運(yùn)輸則是采用無軌運(yùn)輸車進(jìn)行出渣和進(jìn)料。針對該項(xiàng)目實(shí)際情況，對二者的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)進(jìn)行對比，對比情況見表1 所列。

表1 有軌運(yùn)輸與無軌運(yùn)輸優(yōu)缺點(diǎn)對比

通過上述出渣設(shè)備選型，結(jié)合開挖效率、洞內(nèi)行車安全和施工作業(yè)環(huán)境等因素，該項(xiàng)目采用有軌運(yùn)輸方式進(jìn)行出渣，牽引設(shè)備采用電瓶車，運(yùn)渣設(shè)備采用梭式礦車和自制出渣車，牽引設(shè)備和運(yùn)渣設(shè)備配置比例為1∶5，以滿足現(xiàn)場出渣工作的需要。

3.3 供電設(shè)備選型

掘進(jìn)機(jī)工作電壓為1.14 kV，需采用變壓器將電網(wǎng)電壓調(diào)整至掘進(jìn)機(jī)工作電壓。隨著隧道掘進(jìn)深度的加大，電壓降損失將會變得越來越大，當(dāng)電壓降過大，不能滿足掘進(jìn)機(jī)工作需要時(shí)，將實(shí)施高壓進(jìn)洞，在隧道洞口處布置1 臺升壓變壓器，將電壓升高至10 kV 輸送至洞內(nèi)，在洞內(nèi)掘進(jìn)機(jī)后面布置1 臺降壓變壓器，將電壓降低至掘進(jìn)機(jī)的工作電壓，輸送給掘進(jìn)機(jī)使用。

4 掘進(jìn)機(jī)施工工藝流程

在已完工初期支護(hù)上安裝激光導(dǎo)向儀，定位出開挖輪廓線關(guān)鍵點(diǎn)，掘進(jìn)機(jī)采用由下而上“S”形方向，左右切割的方法進(jìn)行掌子面開挖。同時(shí)，第一組電機(jī)車和出渣車停在掘進(jìn)機(jī)尾部皮帶機(jī)下方，掘進(jìn)機(jī)伸出鏟板，轉(zhuǎn)動的星輪將渣料輸送至掘進(jìn)機(jī)運(yùn)輸機(jī)，渣料經(jīng)運(yùn)輸機(jī)、皮帶機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)至出渣車內(nèi)。待出渣車裝滿渣料，由電機(jī)車牽引運(yùn)輸至洞外，停在錯(cuò)車道內(nèi)的第二組電機(jī)車和出渣車行駛至掘進(jìn)機(jī)尾部繼續(xù)裝渣，如此循環(huán)作業(yè)直至完成該循環(huán)進(jìn)尺開挖出渣施工。

施工初期支護(hù)，延伸軌道，進(jìn)行下一循環(huán)開挖出渣施工，在條件允許的情況下，可以加大掌子面和初期支護(hù)之間的距離，實(shí)現(xiàn)小斷面超長隧道開挖出渣和初期支護(hù)的平行作業(yè)，掘進(jìn)機(jī)開挖有軌運(yùn)輸出渣施工工藝流程如圖2 所示。

圖2 掘進(jìn)機(jī)開挖有軌運(yùn)輸出渣施工工藝流程圖

5 施工技術(shù)要點(diǎn)

5.1 洞內(nèi)輔助設(shè)施施工

1)施工供風(fēng)

在洞口布置22 m3/min 和17 m3/min 的電動空壓機(jī)各1 臺，進(jìn)行集中供風(fēng)。高壓風(fēng)管采用φ159×4.5 mm 無縫鋼管，安裝在隧洞側(cè)墻上，離地高度0.9 m。在端部布置1 個(gè)2 m3儲風(fēng)罐，在距掌子面30 m 處主風(fēng)管端接分風(fēng)器，用高壓軟管接至各風(fēng)動工具。

2)施工通風(fēng)

洞口配置1 套多級串聯(lián)風(fēng)機(jī)，洞內(nèi)每掘進(jìn)600 m 設(shè)置1 臺對旋軸流風(fēng)機(jī)，掌子面設(shè)置1 臺輔助風(fēng)機(jī)進(jìn)行通風(fēng)，多級串聯(lián)風(fēng)機(jī)配套風(fēng)管采用φ500 mm 正壓PVC 波紋管。

3)施工供水

在洞口設(shè)1 座高位水箱，利用自來水往高位水箱加水，再由高位水箱自流至工作面，洞內(nèi)采用φ50 mm 鋼管向工作面供水。

4)施工排水

施工廢水和洞內(nèi)滲水采用自流方式至洞外沉淀池內(nèi)，經(jīng)沉淀后的水可用于灑水除塵進(jìn)行循環(huán)利用。

洞內(nèi)風(fēng)水電等輔助設(shè)施的布置詳如圖3所示。

圖3 洞內(nèi)風(fēng)水電布置示意圖

5.2 掘進(jìn)機(jī)開挖施工

5.2.1 施工測量

在已完工初期支護(hù)上安裝3 個(gè)激光導(dǎo)向儀，其中，2 個(gè)安裝在側(cè)墻的腰線上，1 個(gè)安裝在拱頂處。通過激光導(dǎo)向儀定位出開挖輪廓線關(guān)鍵點(diǎn)，作業(yè)人員依據(jù)關(guān)鍵點(diǎn)操作掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行精準(zhǔn)開挖。在直線段上每300～400 m 移動激光導(dǎo)向儀一次，定期用全站儀對激光導(dǎo)向儀進(jìn)行校準(zhǔn)，確保其指示方向準(zhǔn)確。

5.2.2 掘進(jìn)機(jī)開挖有軌出渣

1)掘進(jìn)機(jī)開挖

用懸臂式掘進(jìn)機(jī)的切割頭向前切割出1 個(gè)探洞作為擴(kuò)挖至設(shè)計(jì)線的臨空面，操作掘進(jìn)機(jī)切割頭上下、左右移動切割，先切割出初步斷面形狀，然后二次修整至設(shè)計(jì)輪廓斷面。掘進(jìn)機(jī)操作室位于機(jī)體左側(cè)，修整右側(cè)輪廓斷面時(shí)操作人員視線存在一定的盲區(qū)，須派專人進(jìn)行指揮，防止超挖。根據(jù)實(shí)際地質(zhì)條件，每循環(huán)開挖進(jìn)尺宜控制在2～3 m 范圍內(nèi)。

2)有軌出渣

有軌出渣軌道路線固定、單一，重難點(diǎn)在于現(xiàn)場施工調(diào)度。首先對電機(jī)車和出渣車進(jìn)行分組編號，出渣過程中固定各組出渣車的先后次序，不輕易調(diào)整改變。在洞挖剛開始時(shí)，將第1 組出渣車停在掘進(jìn)機(jī)尾部皮帶機(jī)下方，第2 組出渣車停在錯(cuò)車道內(nèi)做好接料準(zhǔn)備，第3 組出渣車在洞口處做好準(zhǔn)備。當(dāng)?shù)? 組出渣車裝滿渣料后即向洞外行駛，當(dāng)其行駛至錯(cuò)車道時(shí)，錯(cuò)車道內(nèi)的第2 組出渣車行駛至掘進(jìn)機(jī)尾部皮帶機(jī)下方裝渣，當(dāng)?shù)? 組出渣車出洞后，第3 組出渣車向洞內(nèi)行駛停放在錯(cuò)車道內(nèi)，第1 組出渣車卸渣結(jié)束后在洞口做好準(zhǔn)備，如此循環(huán)直至完成該循環(huán)進(jìn)尺開挖出渣作業(yè)。

調(diào)度過程中執(zhí)行“進(jìn)洞車輛讓行出洞車輛”的原則，洞內(nèi)錯(cuò)車道距離宜綜合考慮電壓降問題，該項(xiàng)目每700 m 設(shè)置1 個(gè)錯(cuò)車道，錯(cuò)車道內(nèi)停放1 臺移動式變壓器。

5.2.3 初期支護(hù)施工

該項(xiàng)目采用鋼拱架噴混支護(hù)。每循環(huán)開挖完成后，首先施工5 cm 厚噴射混凝土，掛設(shè)一層規(guī)格為100 mm×100 mm×5 mm 的鋼筋網(wǎng)，然后采用自制簡易臺架輔助安裝鋼拱架，最后施工20 cm 厚噴射混凝土，如圍巖地質(zhì)條件允許，可增加最大不支護(hù)距離，實(shí)現(xiàn)開挖出渣和初期支護(hù)之間平行作業(yè)。

5.2.4 軌道鋪設(shè)

初期支護(hù)施工完成后，及時(shí)延伸軌道，確保有軌運(yùn)輸順暢。初期支護(hù)施工時(shí)預(yù)埋軌道螺栓，然后澆筑C20 混凝土作為軌道基礎(chǔ)，利用螺栓和墊塊將軌道固定在混凝土基礎(chǔ)上。軌道標(biāo)準(zhǔn)選用18 kg/m 的輕軌，軌距為600 mm，軌道軸線與隧道軸線一致，當(dāng)開挖至錯(cuò)車道區(qū)域時(shí)，鋪設(shè)雙線軌道，以提高洞內(nèi)有軌出渣效率。

6 懸臂式掘進(jìn)機(jī)施工效果

采用上述懸臂式掘進(jìn)機(jī)開挖，配合有軌運(yùn)輸出渣技術(shù)，該項(xiàng)目懸臂式掘進(jìn)機(jī)實(shí)際應(yīng)用主要指標(biāo)見表2 所列。可見，在該項(xiàng)目Ⅳ類圍巖地質(zhì)條件下的月最大進(jìn)尺為143.2 m，單次循環(huán)進(jìn)尺最大為5.8 m，開挖效率14.47 m3/h，超欠挖量可控制在50 mm 以內(nèi)。與鉆爆法開挖相比，超欠挖比例大幅減少且不會產(chǎn)生任何有毒有害氣體，對圍巖的擾動小，隧道施工安全性得到有效保障。同時(shí)，懸臂式掘進(jìn)機(jī)開挖的噪音值僅為56 dB，洞內(nèi)空氣粉塵濃度為1.85 mg，滿足英國標(biāo)準(zhǔn)《Health and safety in tunnelling in the construction industry - Code of practice》(BS 6164: 2019，建筑行業(yè)隧道施工的健康和安全實(shí)踐守則)的要求。

表2 該項(xiàng)目懸臂式掘進(jìn)機(jī)實(shí)際應(yīng)用主要指標(biāo)

7 結(jié)語

根據(jù)工程應(yīng)用情況，小斷面超長隧道采用懸臂式掘進(jìn)機(jī)開挖，具有施工效率高、開挖進(jìn)尺長、超欠挖量少、圍巖擾動小、安全性好、環(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn)。有軌運(yùn)輸出渣設(shè)備的配合，使得隧洞開挖機(jī)械化程度大幅提高，有效保障小斷面隧洞的出渣效率和洞內(nèi)交通運(yùn)輸安全，縮短工程建設(shè)整體工期。

隨著工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，懸臂式掘進(jìn)機(jī)的機(jī)械性能將大幅提高，在水利水電、市政和礦井等建設(shè)領(lǐng)域具有較廣泛的應(yīng)用場景，特別是在小斷面軟巖隧道中的應(yīng)用效果良好。