浅谈液压破碎锤在隧道开挖中的应用

浅谈 液压破碎锤在隧道开挖中的应用

刘贵新

北京赛瑞斯国际工程咨询有限公司 北京 10007 0

摘要：液压破碎锤应用范围非常广泛，是以液压能作为动力源。液压破碎机能够在运动时通过液压传递机械动能，推动钎杆破碎作业。隧道液压挖掘机带破碎锤能够有效地进行隧道的破碎工作，在工作的过程中，具有噪声小，破碎性能优越等诸多优点。本文结合某工程实例对隧道液压挖掘机带破碎锤的应用进行分析研究，以供参考。

关键词：隧道；液压挖掘机；破碎锤；应用

1 工程概况

本工程隧道设计参数：正洞开挖断面尺寸为15.3*12.76m，最大开挖断面为153㎡。具体尺寸如图 1所示。因隧道IV、V软弱围岩占97%，且富水，本工点选用了开挖采用液压挖掘机带破碎锤开挖工法。液压挖掘机带破碎锤施工方法适用于围岩软弱、裂隙发育，强、中风化泥岩隧道，但要“因隧制宜”合理有效的控制使用液压挖掘机带破碎锤施工方法。

2、三台阶施工步距和施工步骤

2.1三台阶施工步距

2.1.1台阶长度

上台阶5米，中台阶5米，下台阶7米，台阶合计17米为宜。上、中台阶控制在5米以便于快速扒渣，下台阶7米以满足挖机出渣时的安全空间保障。

2.1.2中路长度

中路长度控制在15米左右，中路坡度适宜，压缩下台阶至仰拱初支之间的步距。

2.1.3仰拱初支步距

三个台阶长度和中路长度占去32米距离，预留仰拱栈桥前引桥3米的搭接长度，在围岩条件差，沉降变形大的情况下可以保证35米的安全步距。

2.1.4仰拱及填充步距

使用24米仰拱栈桥仰拱及填充安全步距控制在60米为宜，达到前环仰拱浇筑混凝土，后环仰拱绑扎钢筋的流水作业，能充分发挥作业工效。

2.1.5二衬步距

二衬安全步距的控制关系到施工形象和软弱围岩初期支护体系的整体稳定，以120米规范规定为限，越短越有利。在本工点工装配套情况下，二衬安全步最短可达91米。即仰拱栈桥的后引桥8米，防水板台车本身6米及前后预留空间约3米，对位当环二衬12米及工作空间2米，合计31米，加上仰拱及仰拱填充的60米安全步距，合计91米。在初支体系变形可控的情况下，宜将安全步距适当拉开，减少工序之间的干扰，降低因后部工序紧跟对通风排烟、排热效果的影响。

2.2施工步骤

2.2.1台阶破碎顺序

下台阶—中台阶—上台阶。

2.2.2具体施工步骤。

第一步：挖机置于中路左右交叉破碎下台阶，底脚要一次破到位，避免二次破碎消耗时间。第二步：前行至中台阶以同样方法破碎中台阶，此时挖掘机可同步挖装下台阶渣土。第三步：破碎上台阶。破碎上台阶是该施工方法中最为重要的一个环节，既要抢抓时间，又要控制好超欠挖，指挥人员和挖机司机要掌握好操作技巧。具体做法是挖机置于左侧（右侧）先斜向交叉破碎底脚至指定进尺和标高，后破碎底板临空面，再以两底脚标高和进尺为指引，自下而上逐层破碎至开挖限界，临近开挖限界20厘米左右，破碎锤尽量不起锤，以抠、扫等方式来修边，以达到控制超挖的最佳状态。第四步：推出破碎锤，退出过程中下台阶如有欠挖，顺道处理。

图1 开挖尺寸图

3 隧道液压挖掘机带破碎锤施工特点与工艺原理

3.1 工法特点

传统的软弱围岩隧道开挖方法为钻爆法，每循环需要进行人工打眼，装药，放炮特殊情况下还需要补炮，在软弱围岩施工中使用钻爆法，存在如下问题 ：（1）软弱围岩打眼时容易造成炮眼塌孔、卡钻导致现场施工工序时间增长。（2）软弱围岩自稳能力差，围岩破碎、爆破的振动速度易造成掌子面大面积塌方滑层，增大了现场施工的安全风险。（2）成本控制方面，隧道施工使用钻爆法时，需用开挖工18人、钻机10台和消耗相关炸材极大的增加项目成本和材料，因此迫切需要创新出一种全新并适用于隧道软弱围岩的工法

相比传统隧道开挖法，该工法从安全、质量、成本、等方面都极大的优于钻爆法，从安全的层面上考虑，第一，钻爆法爆破施工易产生较大的粉尘，对工人身体产生较大的影响。第二，在隧道开挖中的应用爆破后遗留的“哑炮”容易造成排爆风险。从质量方面上，破碎锤施工在控制超欠挖方面要优于钻爆法，且钻爆法在处理欠挖方面的二次爆破容易对围岩造成二次扰动，但破碎锤施工能减少扰动的同时，IV、V级围岩的超挖能有效的控制在允许范围之内。

3.2 工艺原理

液压挖掘机带破碎锤施工方法主要由挖掘机+可更换液压破碎锤头。该工法主要工艺原理如下：（1）主要靠液压破碎锤的液压能转化成机械冲击能，从而造成对围岩的破碎。（2）针对软弱围岩自稳能力差这一特性，利用破碎锤挖掘机开挖安全。（3）破碎锤挖掘机开挖时对开挖掌子面整体扰动性干扰较小，不会造成大面积滑层、塌方现象出现。

图2液压式破碎锤

4 隧道液压挖掘机带破碎锤施工工艺与质量控制

4.1 施工工艺

4.1.1 施工放样

测量人员放出隧道中线、隧道净空开挖线，现场放样点间距定为2m一个，对隧道轮廓进行标注，利于挖掘机破碎开挖。

4.1.2 平整场地

挖掘机破碎开挖前，先对掌子面开挖范围内的场地进行平整，确定开挖过程中不会出现安全隐患的同时，也确保了开挖的范围，不会存在场地因素而影响破碎开挖[1]。

4.1.3 液压破碎锤挖掘机定位

挖掘机在隧道中线位置进行破挖，先确保挖掘机定位准备，然后才可进行破碎开挖，破除拱脚时，当适当与相反的方向调整。

4.1.4 净空复核

对已开挖完成的隧道初支断面进行断面净空复核，看有无欠挖。

4.1.5对欠挖处进行补破

净空复核过后，看有无欠挖或不平整处，及时进行标出方便破碎头挖机进行二次补破。

4.1.6 施工注意事项

（1）在重新组装，液压破碎锤工作时的最佳液压油温度为50~60度，最高不得超过80度，否则，应当减轻液压破碎锤的负载。

（2）液压破碎锤使用的工作介质，通常可以与主机液压系统油一致，使用液压破碎锤及钎杆应垂直于工作面，以不产生径向力为原则，被破碎围岩出现破裂后开始产生裂纹时应立即停止破碎锤的冲击，以免出现有害的“空打”。

（3）破碎锤挖掘机施工时要防止泥土及灰尘进入输油管，用堵头将软管堵好，用内螺纹堵头将管道堵好，为防止被灰尘污染，应将高压管及低压管用铁丝扎好。如果破碎锤长期不使用，一定要把破碎锤的外部清理干净，将钢钎从壳体拆下后，涂上防蚀油，将活塞推向氮气室之前必须先将氮气室的氮气排出，重新组装时，应将破碎锤上各个零部件涂上润滑油后进行。

图3 液压破碎挖掘机带破碎锤施工图4 破碎完后整体效果

4.2 质量控制

4.2.1 质量控制标准表

表1 质量控制标准表

4.2.2 质量控制措施

开挖前由技术室对专门施工班组和操作人员进行专项技术交底培训。加强施工工程中质量验收制度，对本道工序验收合格后，方可进入下道工序施工。对每循环开挖完成后进行报检检查，确保掌子面的平整度。对超欠挖形成考核，对班组进行考核奖罚。报检时对掌子面超挖进行严格考核。

5 隧道液压挖掘机带破碎锤施工经济效益

液压挖机带破碎锤施工工法效益的主要特点是：“两提高，三降低”。两提高：一是隧道开挖的机械化程度，二是提高隧道开挖效率[2]。两降低：一是降低了劳动力投入，二是降低了隧道施工成本，三是降低隧道开挖的施工风险及爆破安全风险。

5.1 施工成本分析

液压挖机带破碎锤施工工法与传统钻爆施工方法进行对比，具有施工机械化程度高、施工效率高、施工成本低、操作简单、安全风险低等特点，具有明显的经济效益，其具体经济效益对比如下表。

表2 传统钻爆施工成本分析表（以上台阶开挖为例）

表3 液压挖机带破碎锤施工成本分析表(三台阶法)

（1）液压挖机破碎施工机械化程度高，使人员和劳动强度大大降低。基本上保证正常开挖，不存在欠挖情况，挖机施工操作，行走方便，不影响其它工序施工，可以用于其他打杂工作。使用破碎头施工后，其进度大大提高，节省隧道整体施工工期。

（2）正常情况下综合耗时基本和传统钻爆法施工没有太大差异，在本工点施工过程中曾遇到过有孤石而造成耗时长的情况，但二者相比较，破碎锤开挖施工组织更加灵活，可实现交叉作业，不需要刨底可省下40分钟左右的时间，通风排烟环节可节约15分钟时间，最为重要的是超欠挖控制较好，喷浆工序可节约60分钟以上的时间，对整个循环的时间控制非常有利。

5.2 经济比较

表2、表3 对传统钻爆与液压挖机破碎两种开挖方法进行了经济对比分析，表明每米人工开挖方法比液压挖机破碎开挖成本略低。

结束语

综上所述，液压挖掘机带破碎锤施工，在机械上并不一定最先进的，但也有它独特之处，它在软弱围岩特殊地质方面的运用产生较好的效果，在施工安全、控制超欠挖、进度等方面具有优势。可应用到不良地质、软弱围岩的隧道施工。本工点Vc级最弱围岩月进度75米，与本项目施工条件相近的工作面相比快20米/月。

参考文献

[1]甄建军,王洪光,刘微,etal.液压挖掘机自动控制破碎锤模式[J].工程机械,2013,044(001):13-15.

[2]李亚东,孟凡建,简立瑞,etal.浅谈液压破碎锤在挖掘机上的应用[J].建筑机械化,2018,039(012):40-43.

[3]孙建波. 液压破碎锤在无专用液控阀挖掘机上的应用[J]. 建筑机械化, 2005(08).