水工长隧洞掘进开挖方法研究

水工长隧洞掘进开挖方法研究

叶生华

贵阳筑水水利产业发展有限公司 贵州贵阳 550001

摘要：随着城乡一体化发展，城市地上空间规划的用地紧缺，为了解决城市水源点与城市发展用地的矛盾，往往需要将城市水源点外移，通过修建输水水工隧洞，将城市以外的水源点连接至水厂，向水厂供原水。水工隧洞大多为小断面，输水长度较长，隧洞施工开挖方法多为钻爆法。钻爆法需经过测量放线、钻孔、装药、连线、起爆、通风散烟、排险出渣等工序、不仅工序繁琐，而且施工安全风险高、爆破冲击波对隧洞围岩及附近建筑物扰动大、超欠挖控制难度大、涉爆施工审批手续复杂、火工品日常管理繁琐。悬臂掘进机又称为部分断面掘进机，是一种集切割、行走、装运、喷雾灭尘等多种功能为一体的高效联合作业机械。本文通过工程实例，采用悬臂掘进机对水工隧洞进行掘进开挖，得出了工程建设施工安全、质量、工期总体更加可控的结论。

[关键词]：水工长隧洞、输水隧洞、悬臂掘进机、钻爆法

1工程简介

花溪水库至南郊、中曹水厂输水工程由花溪水库至南郊水厂输水工程、花溪水库至中曹水厂输水工程两部分组成，输水末端为南郊水厂及中曹水厂。主要建筑物为：取水塔、输水隧洞、提水泵站、闸阀室、压力管道等，输水隧洞长12.3km，直径3米，总输水线路长14.4km。工程建成后向南郊水厂输水25万m³/d，向中曹水厂输水20万m³/d。

2施工工艺

2.1悬臂式掘进机简介

悬臂掘进机又称为部分断面掘进机，是一种集切割、行走、装运、喷雾灭尘等多种功能为一体的高效联合作业机械。采用悬臂掘进机对水工隧洞进行开挖，安装在悬臂上的截割头上下左右摆动，能够切割任意形状的隧洞断面，通过旋转产生的切削力进行岩石切割，达到切削岩石、完成隧洞开挖的目的，因此也称为任意断面掘进机。采用悬臂式掘进机施工降低隧洞开挖施工的安全风险，减少爆破振动破坏、减少涉爆施工相关手续办理及管理等不利因素。开挖断面尺寸的确定主要根据隧洞的设计断面尺寸和所选用的悬臂式掘进机的技术参数综合确定，确保悬臂式掘进机能发挥最大的效用。本项目隧洞开挖断面为4.2×4.1m，城门洞型。

悬 臂式掘进机选型：如图1

型号：三一重工EBZ200H；

装机最大功率：460kW；

截割硬度：围岩抗压强度≤80MPa；

截割功率：240/220kW；

机身尺寸：14.5m×2.6m×2.6m；

板铲宽度：3.2m

供电电压：1140v

最大定位截割断面：30m²。

图1 悬臂式掘进机示意图

2.2工艺原理

施工方法原理：悬臂式掘进机就位后，开始从掌子面底部水平切削出一条槽，向前移动掘进机再一次就位，就位后截割头采取自下而上、左右循环切削。在切削同时铲板部耙爪将切削下来的碴装入运输车辆，挖机配合出渣。从底部开挖到顶部完成后，进行二次修整以达到准确的设计断面。悬臂式掘进机的截割方式是从扫底开始截割，再按S型或Z型左右循环向上的截割路线逐级截割以上部分。选用右旋截割头截割硬岩，先由右向左从扫底开始截割，再按从左至右、自下往上的方式或从右往左、自上而下逐步进行截割。如遇节理发育较好岩石，则应选择沿岩石节理方向逐步切割。

2.3施工工艺流程

悬臂式掘进机施工工艺流程图见图2。

下循环施工

收渣、整平场地

开挖断面复测

初期支护

本循环结束

、安设防迷流铜排

图2 悬臂式掘进机施工工艺流程图

表1 EBZ200H配套设施表

2.4 悬臂式掘进机开挖、出渣

悬臂式掘进机在掌子面进行截割，截割下来的碎石物料通过铲板、输机传送到掘进机后部装入渣土车运出外。

悬臂式掘进机就位后，开始从掌子面底部水平切削出一条槽，向前移动掘进机再一次就位，就位后截割头采取自下而上、左右循环切削。在切削同时铲板部耙爪将切削下来的碴延运输带运入装渣车输机。从底部开挖到顶部完成后，进行二次修整以达到准确的设计断面。当局部遇有硬岩时（≥100MPa），可先掘周围软岩，使大块硬岩坠落，再用液压破碎锤改小方式另行处理，以降低掘进难度及截齿消耗量。

图3 掘进机切割方式示意图

悬臂式掘进机出料运输方式：通过切割头旋转切削，由耙爪、第一运输机实现落碴的装运。

出碴：出渣采用悬臂挖机直接装渣，通过运输带装入自卸车，自卸汽车运输出洞。

图4 悬臂式挖掘机配合自卸汽车洞内出渣示意图

截割过程中，通过截割部的高压喷水器进行降温、降尘，同时，洞内通过轴流式通风机进行通风，保证洞内空气流动。

开挖工作完成后，悬臂式掘进机退出工作面进行下一步支护施工。

2.5 施工进度测算

表2 1#洞施工进度统计表

3.结语

花溪水库至南郊、中曹水厂输水工程洞身开挖施工采用悬臂式掘进机开挖的施工方法，在保证安全质量的前提下整体断面成型较好，线型容易控制、开挖面平整、超欠挖易控制；对隧洞周边围岩扰动小、对岩层节理发育破坏小、施工安全风险小；机械化作业程度高，降低人员劳动强度施工人员需求少，每班只需2~3人；开挖与出渣同时进行，循环施工进度快；1号支洞洞口位于贵阳市花溪区花石路旁，开挖总长度272m，用时60天，经检查，完工后的隧洞开挖断面及初期支护满足要求。采用悬臂掘进机对水工小断面隧洞进行开挖，得出了工程建设施工安全、质量、工期总体更加可控的结论。

参考文献：

1.吕涛;基于流固耦合的岩溶管道对水工隧洞围岩影响的数值分析研究[D];重庆交通大学;2011年

2.王勇勤 刘宇 袁泽俊;浅谈悬臂式掘进机在水工长隧洞掘进施工中的应用;《建筑学研究前沿》2017年第11期

3.许海玲;锚喷联合支护在水工隧洞中的应用[J];甘肃水利水电技术;2011年06期

5