浅谈悬臂掘进机在黄土隧道开挖中的优势

浅谈悬臂掘进机在黄土隧道开挖中的优势

王宁

中国中铁七局集团路桥工程有限公司 陕西省宝鸡市 721000

【摘要】：我国西北地区黄土地质隧道较为普遍，土质结构多为湿陷性软弱土，土质软塑、脆弱，黄土结构中经常夹杂砂岩，或伴有裂隙水，开挖方法与岩石隧道不同，开挖安全风险高。本文针对黄土隧道的特性，以定临高速黑庄坪隧道为例，对黄土隧道引进悬臂掘进机开挖优势进行阐述。

【关键词】：黄土隧道；悬臂掘进机；开挖优势

我国西北地区黄土地质隧道较为普遍，土质结构多为湿陷性软弱土，土质软塑、脆弱，黄土结构中经常夹杂砂岩，或伴有裂隙水，开挖方法与岩石隧道不同，开挖安全风险高。本文针对黄土隧道的特性，以定临高速黑庄坪隧道为例，对黄土隧道引进悬臂掘进机开挖优势进行阐述。

一、工程概况

定西至临洮高速公路线路全长约69.86公里，设计速度为80km/h。全线共设计隧道7座，其中特长隧道1座，长隧道5座，中隧道1座，隧道区属黄土梁峁沟壑区，山高坡陡，地势起伏大，隧道区地表覆盖主要以第四系冲洪积成因粉细砂及第四系风积成因黄土为主，隧道洞身为风积黄土、强~中风化泥质砂岩，是典型的穿越黄土地区的公路隧道工程。   黑庄坪隧道为左右行分离式双洞长隧道，右线长约1640m，左线长1710m,最大埋深约175m,常规开挖断面面积104m²,最大跨度12.6m。隧道围岩级别V级，主要采用台阶留核心土分部开挖和台阶法施工。隧址区位于缺水地区，勘察钻孔未揭露到地下水，上覆地层为第四系上更新统风积成因(Q₃^eol)新黄土，下伏新近系临夏组(N₂1⁴) 泥质砂岩，其工程地质特征详细描述如下:   1)新黄土(Q₃^eol):黄褐色，稍密，稍湿，具大孔隙，含少量钙质结核，失陷等级IV(很严重)，土石等级为II级，孔隙比1.01，黏聚力23.9kpa，内摩擦角23.7°，承载力容许值130，隧道表层广泛分布。   2)泥质砂岩(N₂¹⁴): 棕红色，泥质结构，中厚层状结构，半成岩状，遇水易软化、崩解，失水易龟裂，属极软岩，单轴天然抗压强度2.1~11.4MPa,平均5.9MPa,分布于整个隧址区。

二、开挖方法

1.挖掘机开挖

进洞采用挖掘机开挖，洞口段为风积新黄土层，土软易于挖掘，随着隧道进一步施工深入，泥质砂岩强度越来越高，挖掘机一个循环的开挖时间长达10-12小时，大大的延长了工序时间，不仅进度缓慢使工期加长，还会因围岩自稳能力差而工序时间过长导致拱顶产生塑性形变甚至引起塌方。

2.钻爆法开挖

该隧道为黄土隧道本自稳能力有限，加之采用钻爆法会对土体产生极大扰动，围岩的稳定性会进一步降低，本身的节理发育会更加清晰，且在爆破完成后才进行出渣工序，使得围岩无支护状态持续时间过长，极大地增加了掌子面掉块失稳甚至塌方的风险。

3.悬臂掘进机开挖

悬臂掘进机主要技术参数：

悬臂掘进机开挖存在的优势：

  1、安全：悬臂掘进机是一种准静态的破岩方式，噪声小、对围岩损伤小、扰动少，结构安全；作业人员只需要4人，且基本都在距掌子面5-10m位置，安全系数高。 2、质量：超欠挖控制较好，摆动油缸和伸缩油缸可以控制工作部件运动轨迹，线性超欠挖可控制在±5～10cm，成型圆顺，有效保证了施工质量。 3、进度：开挖、出渣同步作业，节约工序转换时间，可连续施工，进度是挖机开挖的4倍。 4、成本：超欠控制好，可大大节约支护和衬砌材料，开挖过程中将开挖的土体直接传送至自卸车，减少了机械二次倒运，机械化施工，节省人力，管理灵活，工期控制好。 5、施工环境：掌子面灰尘少，仰拱、二衬人员能同时施工。 6、提高工作效率：挖机、掘进机开挖配置人员相同，掘进机开挖提高人、机的工作效率，减少成本。

4.悬臂掘进机技术措施

（1）超欠挖控制：悬臂掘进机铣挖工艺的核心就是利用铣挖类设备进行隧道掌子面的切削、铲运与出碴一体化作业，与钻爆法相比较,铣挖法的围岩受力状态更为合理，扰动及变形较小。   在隧道已完成初期支护部位的端头布设5组激光导向定位仪，测量人员每班开挖前对激光导向定位仪进行量测及复核，为开挖提供实时断面轮廓范围及边界参考，从而实现精准导向控制超欠挖。黄土隧道超欠挖的精准控制，减少了超挖部分回填喷射工作量，有效控制了施工成本。悬臂掘进机开挖面光滑圆顺，为后续湿喷机械手作业规整，钢拱架一次安装密贴到位创造了有利条件，大幅提高了初支工序效率的同时，使用悬臂掘进机开挖的优

势得以发挥，悬臂掘进机非爆法开挖效果见下图。

①激光导向定位 ②悬臂掘进机开挖后效果

三、结语

通过引进悬臂掘进机进行开挖，使用激光的导向定位，极大的解决了超欠挖问题，同时也大大的缩短了工序的循环时间保证了施工进度，从而降低了人工费用及成本。

而悬臂掘进机的小扰动对围岩结构起到了很好的保护作用，降低了隧道形变以及塌方的风险。

因此无论从安全、进度、经济等层面综合评价，悬臂掘进机在黄土隧道的开挖作业中优势明显，也使得隧道施工进一步向机械化迈进。

参考文献

【1】《公路隧道施工技术规范》（JTG F60）

【2】《黄土隧道工程》赵勇，李国良，喻渝 2011

4 /6 勇于跨越 追求卓越