悬臂式掘进机在小断面软岩隧洞工程的应用

悬臂式掘进机在小断面软岩隧洞工程的应用

作者：王先水,张宁波

中国水利水电第三工程局有限公司

1、工程概况

四川省蓬溪船山灌区工程文吉分干渠渠线总长27.310km。其中隧洞共27条，全长20.57km，占渠线全长的75.3%，断面为城门洞型，隧洞断面小，地质复杂，主要以砂岩、粉砂质泥岩和泥质粉砂岩组成，Ⅳ、Ⅴ类围岩为主。二衬衬砌混凝土厚度仅30cm,衬砌混凝土量小，常规钻爆会因施工超挖量导致超填混凝土量占比结构混凝土量极大，另外地质超挖导致超填混凝土量合同约定不予计量。

面对项目战线长、施工任务紧，隧洞Ⅳ类、Ⅴ类软岩占比大、开挖断面小，如何有效控制隧洞超挖，减少后期混凝土超填，加快隧洞施工进度成了合同履约、创效益关键。经技术人员层层分析，最终通过现场调研和沟通发现悬臂式掘进机适用这类小断面、软岩隧洞开挖，可以有效解决此类隧洞开挖的难题。

2、悬臂式掘进机简介

悬臂式掘进机是一种能够实现截割、装载运输、自行走及喷雾除尘的联合机组。悬臂式掘进机除在煤矿施工中得到了广泛的应用外，已经进入了铁路，公路，水利等行业，并取得了良好效果。掘进机技术发展迅速，未来必将广泛的应用。

3、施工方法

3.1掘进机隧洞开挖施工工艺流程

施工准备→测量放线→掘进机掘进→出渣→人工排危→喷锚支护→下一个循环。

3.2施工准备

根据EBZ120型掘进机功率选定型号为ZGS11-Z-10/1.2-500变压器，10KV转1.14KV,容量400KVA。

掘进机由刀头和机身组成，施工现场进行组装，具有自行移动，移动和工作均使用自身电机。

3.3测量放线

（1）首先利用全站仪由隧道外的测量控制点做一条导线引入隧道内，在距离拟安装激光指向仪位置大约30m处架设测站。

（2）先测出安装仪器位置的拱顶中线点，将指向仪沿中线点垂直安装在一定高度并固定，再测出隧洞中线的垂线点1、2用于检查、校正指向仪。

（3）测量指向仪激光点通过微调螺母将仪器调至隧洞中线，并记录该点的标高,在掌子面上测出与该点相对应的点。

（2）开挖轮廓线的确定和控制

利用激光指向仪结合断面支距法来确定隧洞开挖轮廓线，即自外拱顶高程起，沿隧洞中线向下每0.5m量出两侧外拱线的横向支距，所有支距端点的连线即为断面开挖的轮廓线。以突显隧洞轮廓线的体形,严格控制隧洞的超欠挖。还需利用两线水平仪来控制隧洞腰线标高，控制隧洞底板出现严重超挖。

3.4掘进机掘进

（1）在洞脸开挖支护完成后开始隧洞洞身掘进，掘进机施工时掘进机先驶入隧道一头，利用切割部在隧道掌子面进行切削掘进，切削下来的渣土直接由第一运输机输送至掘进机后方第二运输机，由第二运输机直接传送进入后方自卸车出渣。掘进完成后将初支台车运至掌子面进行初期支护，掘进机则后退至不影响后续施工的位置等待下一循环掘进工序。

（2）掘进切割：掘进机就位后，开始从掌子面底部水平割出一条槽，向前移动掘进机再一次就位，就位后切割头采取自下而上，左右循环切削，从底部开挖到拱部完成第一次开挖，之后进行边墙及顶拱第二次开挖。

1）掘进机的切割方式是从扫底开始切割，再按S型或Z型左右循环向上的切割路线逐级切割以上部分。

2）如遇节理发育较高岩石，则应选择岩石节理方向逐步切割。

3）针对不同硬岩的岩石可制定不同的截齿，科学合理的截齿螺纹线排布，确保机器有更好的掘削能力，并具有自洁功能，可根据实际工况条件选择最佳截割头，提高施工效率。当局部再有硬岩时，可以选用小直径切割头，切割力大，破岩能力强，以降低掘进难度及截齿消耗量。

4）如果不能熟练自如地操作掘进机，所掘出的断面形状和尺寸与设计图纸要求的断面是有一定差距的。因此，在最初学习掌握掘进机的操作时，按规定的断面尺寸进行掘进，以便养成好习惯。要求操作者既要熟练掌握操作技术，又要了解工作面的具体情况。

3.5洞内出渣

悬臂式掘进机通过切割头旋转切削，由耙爪、实现落渣，由于本工程隧洞较多，各隧洞洞口到渣场运距较远，且隧洞断面狭小，施工空间范围有限，施工出渣比较困难，为减少出渣车辆在洞口至工作面间消耗的时间，出渣采用0.8m³三轮车将洞渣运至洞外，在洞内每200m~300m设置一个错车洞，这样，当一台出渣车接料时，另外的出渣车可以提前进洞等待，可以加快出渣的速度。洞渣运至洞外再采用大型自卸汽车运至指定渣场，为保证车辆安全，设置专人将运输道路进行维修和养护，使其经常处于平整、畅通，道路两侧的废渣余料及时清理，并用水将道路冲洗干净，直到满足到环保要求。

3.6隧洞初期支护

（1）根据设计图纸要求，本工程隧洞初期支护参数如下：

1）Ⅲ类围岩素喷C20砼，厚度5cm；采用随机φ22砂浆锚杆，L=2.0m。

2）Ⅳ类围岩挂φ6.5钢筋网@20cm×20cm，喷C20砼，厚度8cm；采用系统锚杆，φ22砂浆锚杆，L=2.0m，@1.5m×1.5m，梅花型布置。

3）Ⅴ类围岩挂φ6.5钢筋网@20cm×20cm，喷C20

砼，厚度10cm；采用系统锚杆φ22砂浆锚杆，L=2.0m，@1.0m×1.0m，梅花型布置；采用钢支撑，间距1.0m；视具体情况采用超前锚杆，顶拱120°范围，φ22砂浆锚杆，L=3m，环向间距30cm，排距1m或超前小导管。

4）锚杆注浆施工

采用先注浆后插杆的锚杆，注浆时将PVC注浆管插至距孔底50～100mm，随砂浆的注入缓慢匀速拔管，浆液注满后立即插杆，并在孔口加塞使锚杆体居中。

先插杆后注浆的锚杆，先插入锚杆和注浆管，锚杆应插入孔底并对中，注浆管插至距离孔底50～100mm，当浆液至孔口，溢出浓浆后缓慢将注浆管拔出。

锚杆施工完成后，24h内严禁敲击、碰撞、拉拔锚杆和悬挂重物。

5）钢支撑施工

在初喷混凝土后立即进行，置于稳固岩石上。按照先顶拱后边墙的顺序进行安装。利用起吊设备配合人工将钢支撑固定就位，按设计尺寸安装。安装时准备风镐，随时剔除个别突出部位，保证钢支撑就位准确，受力可靠。将钢支撑与锁脚锚杆和系统锚杆焊接牢固，每榀之间利用钢筋焊接相连，形成纵向连接系。

安装完成后，钢支撑之间采用钢筋网制成挡网，以防止岩石掉块，钢筋网挡网，采用焊接或其他方式与钢支撑牢固连接。喷混凝土进行覆盖时，先喷钢支撑处，然后喷钢支撑之间空隙，直至完全覆盖。

3.7安全监测

施工时必须做到“勤量测、短支护、快封闭”遵循一炮一支护的原则。因此应配备足够的测量人员，定期对隧洞进行安全监测，每个观测断面的测点数量一般情况下为5点，但不得少于3 点，通过数据评估和判断稳定状况。

4、掘进机施工注意事项

（1）底板预留保护层

掘进机行走为履带式，自身重量达35余吨，在开挖过程中要来回碾压底板，对于软岩避免碾压导致底板超挖，应预留保护层，通过现场实际对比预留30cm保护层厚度为宜。

（2）渗水隧洞施工

隧洞部分段发育有地下水，主要呈散浸状，与地表降雨相关，难以集中导排，加重围岩软化，尤其是泥岩掘进机切割后呈泥浆状，导致掘进机铲板部和运输部很难出渣，施工效率低下，因此掘进机不适用该类型发育有地下水隧洞。

（3）隧洞转弯半径

悬臂式掘进机长度较长，EBZ120型掘进机整机长度达9m，在隧洞转弯段需要的转弯半径较大，应提前与设计沟通能否调整隧洞转弯段曲率，否则为保证掘进机能够通过转弯段增加了较大超挖及后期回填混凝土。

5、结束展望

目前随着建筑业的大力发展，采用常规的隧洞爆破施工风险极大，不能规避常规人工钻爆火工材料管理风险，且不能有效的控制隧洞超欠挖，随着悬臂式掘进机推广，机械性能的大幅度提高，可有效的控制工人的安全性。特别是在市政、煤炭、矿井施工中悬臂式掘进机应用前景非常广泛，悬臂式掘进机可以适用于任何结构和断面的尺寸，能较好的满足人们的需求，且悬臂式掘进机价格低廉，经济性能高，可大幅度提高施工效率，减少施工人员的投入，对施工成本管控功不可没。