懸臂式掘進(jìn)機(jī)在中、軟弱圍巖隧道中的應(yīng)用

摘要 文章以懸臂式掘進(jìn)機(jī)（STR260/6型）在甘肅省安臨一級公路建設(shè)項(xiàng)目中軟弱圍巖的百和隧道相關(guān)工程應(yīng)用為例，結(jié)合項(xiàng)目地質(zhì)、水文特征及施工水平，首先闡述了工藝工法的選擇，然后介紹了實(shí)際施工過程應(yīng)用及施工中重點(diǎn)階段的操作要點(diǎn)，最后論述了采用懸臂式掘進(jìn)機(jī)與傳統(tǒng)隧道開挖工藝之間的經(jīng)濟(jì)性評價(jià)的全過程，翔實(shí)地列明了全過程相關(guān)數(shù)據(jù)，以期完整地為相似工程項(xiàng)目提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞 懸臂式掘進(jìn)機(jī)；軟弱圍巖；隧道；工法

中圖分類號 U455 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）22-0150-03

0 引言

隨著高速公路建設(shè)發(fā)展，相關(guān)施工單位的技術(shù)能力與設(shè)備投入同步增加，與此同時(shí)現(xiàn)場一線施工人員老齡化和勞動(dòng)力成本不斷上升，提高施工機(jī)械化水平不可避免，故隧道施工鉆爆開挖技術(shù)將逐漸式微，而掘進(jìn)法因其具有環(huán)保、高效、安全、進(jìn)度快、節(jié)約人力等方面的優(yōu)勢已在公路隧道施工中逐漸得以推廣應(yīng)用[1-2]。

現(xiàn)以安臨項(xiàng)目采用懸臂式掘進(jìn)機(jī)為配套核心，在中、軟弱圍巖百和隧道中的應(yīng)用為例，明確施工的相關(guān)參數(shù)設(shè)計(jì)及施工全過程數(shù)據(jù)，并進(jìn)行經(jīng)濟(jì)效益分析，以期對同類工程提供參考。

1 工程概況與相關(guān)背景

臨洮（安家咀）至臨夏公路建設(shè)項(xiàng)目（簡稱安臨項(xiàng)目）主線全長57.072 km，東鄉(xiāng)、和政連接線共計(jì)30.275 km，是國家脫貧攻堅(jiān)“三區(qū)三州”中臨夏州的重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目，是助推臨夏州打贏脫貧攻堅(jiān)戰(zhàn)的扶貧路。

百和隧道按一級公路分離式斷面設(shè)計(jì)，雙向四車道，設(shè)計(jì)行車速度為80 km/h，隧道穿越黃土山梁，山梁周圍溝道較發(fā)育。隧道最大埋深約258 m，主要為強(qiáng)～中風(fēng)化砂質(zhì)泥質(zhì)，屬極軟巖-軟巖，層狀構(gòu)造，泥質(zhì)膠結(jié)，成巖性一般，巖體較軟，強(qiáng)度較低，具膨脹性。地下水較為貧乏，僅在土石交界面處有出水現(xiàn)象。全線圍巖等級為Ⅴ級。

項(xiàng)目所用機(jī)械為三一重工生產(chǎn)的STR260/6型懸臂式掘進(jìn)機(jī)，整機(jī)重量為105 t，截割電機(jī)功率為260 kW。懸臂式掘進(jìn)機(jī)由截割機(jī)構(gòu)、裝運(yùn)機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)、液壓系統(tǒng)、電控系統(tǒng)和噴霧降塵系統(tǒng)等組成。利用裝在截割頭上的截齒破碎圍巖，升降和回轉(zhuǎn)液壓缸使懸臂在垂直和水平方向擺動(dòng)，以截割不同部位的圍巖，掘出所需形狀和尺寸的斷面。刮板鏈和星輪將截割破碎下來的洞渣集中裝載、傳送到機(jī)器后面的轉(zhuǎn)載機(jī)或其他運(yùn)輸設(shè)備中，然后運(yùn)出工作面[3]。

2 工藝流程、參數(shù)設(shè)計(jì)及要點(diǎn)

2.1 施工流程及準(zhǔn)備工作

施工流程大致如下：施工準(zhǔn)備（高壓電纜、輸水管線安裝）—測量放樣—懸臂掘進(jìn)機(jī)就位—工作面保持降水至無明水。

按設(shè)計(jì)斷面開挖—噴霧除塵、出渣，按此循環(huán)開挖，最后修正輪廓線、人工局部處理，退出保養(yǎng)。

首先熟悉施工圖紙，做好技術(shù)交底及培訓(xùn)。其次清理噴漿回彈料，提前整平掘進(jìn)機(jī)的工作場地。再次做好現(xiàn)場勞動(dòng)力的組織，準(zhǔn)備好各種設(shè)備，并保證施工機(jī)械的完好，使其滿足施工要求。將1.14 kV高壓電纜、輸水管線與STR260/6型懸臂式掘進(jìn)機(jī)連接，同時(shí)將掘進(jìn)機(jī)在工作面就位，并擺放妥當(dāng)。最后測量放樣，在掌子面上進(jìn)行輪廓線的放樣并布點(diǎn)，也可采用激光制導(dǎo)控制系統(tǒng)，這樣能使操作員掘進(jìn)得更加精確，并提高操作效率。在已施工初支安裝7個(gè)及以上的激光制導(dǎo)指向儀，由此獲得需要的掘進(jìn)方向，用于控制輪廓，確保精確掘進(jìn)。

懸臂式掘進(jìn)機(jī)開挖前還需要對工作面進(jìn)行降水處理，應(yīng)降水至工作面無明水，并盡量保持干燥。工作面降水的目的是防止因滲水過大，開挖的巖渣成泥狀而糊住切割頭，以致降低開挖效率。采用臺階法施工時(shí)，工作面基本具有自然降水的能力，僅在拱腳及邊墻等局部有水滲出。

2.2 設(shè)計(jì)

2.2.1 斷面設(shè)計(jì)

根據(jù)隧道斷面尺寸及現(xiàn)場圍巖情況，結(jié)合掘進(jìn)機(jī)參數(shù)（最大開挖高度為6.6 m），確定STR260/6型懸臂式掘進(jìn)機(jī)適用于上下臺階法的開挖，上臺階高6.31 m，下臺階高3.87 m，如圖1所示：

2.2.2 機(jī)械組合與水電配置

以STR260/6型懸臂式掘進(jìn)機(jī)為核心，配置車輛組合如表1和表2所示：

2.3 開挖

2.3.1 上臺階

上臺階分左、中、右三部分，每部分縱向1次，縱長1～3 m，按左、右、中或右、左、中順序依次開挖到位。為了保證切割頭的活動(dòng)空間符合切削要求，需要將鏟板靠近掌子面，所以采用從下往上的切削方式（如圖2所示），即由上臺階掌子面的左下部或右下部進(jìn)刀，由下而上往復(fù)切割，按照斷面設(shè)計(jì)尺寸施工。掘進(jìn)機(jī)在完成單側(cè)載重切割后，需移至其他側(cè)，采用同樣的方法進(jìn)行掘進(jìn)作業(yè)。

2.3.2 下臺階（仰拱）

上臺階開挖完成后，掘進(jìn)機(jī)應(yīng)向下臺階方向移動(dòng)，開始進(jìn)行下臺階的切割作業(yè)。下層臺階以2～6 m步距，左右兩側(cè)交錯(cuò)施工。開挖下臺階的同時(shí)應(yīng)將仰拱部分一并開挖，清除渣土?xí)r需保留仰拱處的渣土，待施工仰拱時(shí)再采用挖機(jī)將仰拱渣土挖出。

2.4 出渣

在掘進(jìn)機(jī)開挖的同時(shí)，可采取流水線作業(yè)，實(shí)現(xiàn)開挖和機(jī)械設(shè)備配套（配備“一運(yùn)、二運(yùn)”設(shè)備）出渣的同步進(jìn)行。根據(jù)高速公路（一級）雙車道隧道的弧形斷面尺寸，掘進(jìn)機(jī)在上臺階正中處作業(yè)時(shí)能夠滿足二運(yùn)出渣，而進(jìn)行上臺階左、右部開挖時(shí)，受作業(yè)空間的限制而無法通過二運(yùn)出渣。

為解決作業(yè)空間對出渣的限制，高速公路隧道（一級）雙車道隧道可采用一運(yùn)+裝載機(jī)出渣的方式：在掘進(jìn)的同時(shí)，通過鏟板上內(nèi)旋轉(zhuǎn)的星輪將渣土送至傳動(dòng)帶，由傳送帶把渣土傳送至掘進(jìn)機(jī)后方地面，再由側(cè)翻式裝載機(jī)將渣土裝入出渣車運(yùn)送至洞外。

2.5 除塵

掘進(jìn)機(jī)切割布置有自動(dòng)噴霧除塵裝置，可在掘進(jìn)及出渣的同時(shí)實(shí)現(xiàn)除塵。

2.6 修正輪廓線及局部處理

掘進(jìn)機(jī)開挖完成后，需人工或挖掘機(jī)對開挖輪廓線范圍的局部進(jìn)行輪廓修整，再將場地整平。下臺階完成后應(yīng)將掘進(jìn)機(jī)退出截割作業(yè)面，進(jìn)行專業(yè)保養(yǎng)檢修工作。在掘進(jìn)機(jī)截割下臺階的同時(shí)，立架班開始上臺階立架的支護(hù)作業(yè)，再進(jìn)行錨桿、超前小導(dǎo)管及鎖腳錨管等工序的施作。

3 經(jīng)濟(jì)效益分析

3.1 經(jīng)濟(jì)效益分析

懸臂式掘進(jìn)機(jī)的應(yīng)用，對高速公路（一級）雙車道隧道開挖的安全性、工程質(zhì)量、經(jīng)濟(jì)性、施工效率等均有本質(zhì)提高，同時(shí)可大幅縮短了隧道初支的施工工期。以安臨公路百和隧道為例，通過總結(jié)、分析懸臂式掘進(jìn)機(jī)施工過程中人、材、機(jī)等相關(guān)費(fèi)用的構(gòu)成，測算施工成本，可為類似工程提供較好的借鑒和指導(dǎo)。使用懸臂式掘進(jìn)機(jī)比使用挖機(jī)破碎錘，共計(jì)減少噴射混凝土費(fèi)用517萬元；使用隧道泥巖作為路基填料，共計(jì)減少成本156萬元。相比于使用挖機(jī)破碎錘開挖，直接總成本節(jié)約共計(jì)673萬元。另外，由于掘進(jìn)機(jī)開挖工效高，縮短了施工工期，可減少施工期間的管理費(fèi)、間接費(fèi)等，此部分效益尚未進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

3.2 掘進(jìn)機(jī)開挖費(fèi)用

單臺掘進(jìn)機(jī)配備2名輔助工、2名操作手和1名維修工，共5人。百和隧道使用掘進(jìn)機(jī)開挖共計(jì)3 926 m，使用挖機(jī)破碎錘開挖502 m，單臺掘進(jìn)機(jī)開挖長度按1 963 m計(jì)，使用掘進(jìn)機(jī)開挖時(shí)間17個(gè)月，平均月進(jìn)尺115.5 m，平均月開挖12 238 m3。單臺懸臂式掘進(jìn)機(jī)費(fèi)用明細(xì)見表3所示：

3.3 噴射混凝土節(jié)約費(fèi)用

該隧道使用懸臂式掘進(jìn)機(jī)開挖部分的設(shè)計(jì)C25噴射混凝土總量為28 338 m3，噴射混凝土系數(shù)為1.88；前期使用挖機(jī)破碎錘開挖部分的設(shè)計(jì)噴射混凝土總量為3 147 m3，噴射混凝土系數(shù)為2.19。

開始使用懸臂式掘進(jìn)機(jī)后比使用挖機(jī)破碎錘共節(jié)約噴射混凝土方量：28 338×（2.19-1.88）=8 785 m3。

節(jié)約噴射混凝土費(fèi)用（材料、拌和運(yùn)輸?shù)龋┕灿?jì)：8 785 m3×588.6元/m3=517萬元。

3.4 洞渣利用

由懸臂式掘進(jìn)機(jī)切割后的泥巖塊狀粒徑小，通過試驗(yàn)檢測，該泥巖自由膨脹率滿足路床以下填料要求，可作為路基填料利用，既減輕了棄渣場的負(fù)擔(dān)，也解決了取土困難，實(shí)現(xiàn)雙向減少成本。該項(xiàng)目使用隧道泥巖作為填料的方量為26萬立方米，共節(jié)約填料成本：260 000 m3×

6元/m3=156萬元。

3.5 總結(jié)

懸臂掘進(jìn)機(jī)開挖成隧質(zhì)量好，洞室開挖斷面圓順度高，杜絕了超挖過大和欠挖現(xiàn)象，從源頭上防止了初支空洞的產(chǎn)生；相比傳統(tǒng)的鉆爆法開挖和破碎錘開挖，掘進(jìn)機(jī)帶有自動(dòng)噴水降塵功能，能夠改善作業(yè)環(huán)境；杜絕了鉆爆法的高風(fēng)險(xiǎn)安全隱患，且開挖振動(dòng)小，對圍巖擾動(dòng)小，減小了施工危險(xiǎn)系數(shù)，在保證質(zhì)量的同時(shí)，可有效提高施工效率，顯著減少施工成本；隧道超挖能有效控制在17 cm以內(nèi)，噴射混凝土超方系數(shù)控制在1.88。

4 結(jié)論

懸臂式掘進(jìn)機(jī)雖然有一次性投資大的缺點(diǎn)，但與鉆爆法施工相比，優(yōu)點(diǎn)如下：（1）洞內(nèi)粉塵、有害氣體含量低，改善了勞動(dòng)條件。（2）成洞質(zhì)量好，減少超挖，降低噴射混凝土的使用，節(jié)省施工成本。（3）對圍巖擾動(dòng)小，巖壁完整，施工安全，減少隧道塌方事故。（4）作業(yè)人員少，施工速度快，開挖、出渣同步。懸臂式掘進(jìn)機(jī)適用于公路隧道中、軟弱圍巖開挖施工，圍巖強(qiáng)度5～30 MPa，如砂巖、泥巖、礫巖等圍巖。對于30～60 MPa的圍巖，隨著圍巖強(qiáng)度的增高，開挖工效降低，經(jīng)濟(jì)效益下降，可綜合考慮酌情使用。

懸臂式掘進(jìn)機(jī)因其具有環(huán)保、高效、安全、進(jìn)度快等方面的優(yōu)勢將在公路隧道施工工程中得以廣泛應(yīng)用。該文根據(jù)現(xiàn)場隧道截面尺寸、圍巖情況、掘進(jìn)機(jī)性能等因素，實(shí)現(xiàn)了對懸臂式掘進(jìn)機(jī)的選型和應(yīng)用示范，可為類似工程項(xiàng)目提供很好的借鑒。

參考文獻(xiàn)

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