悬臂掘进机在隧道开挖施工中的实践应用

悬臂掘进机在隧道开挖施工中的实践应用

张星

四川公路桥梁建设集团有限公司铁路工程分公司，四川 成都 610000

摘要：使用悬臂式掘进机进行隧洞开挖，其适应性和灵活性都比较高，可以用于不同的支护模式和断面的挖掘，从而可以快速地完成施工，还具有后续施工优化、有效节约成本等优点，在隧道的开挖施工方面有着良好的应用价值。通过对悬臂式掘进机和常规掘进机进行比较，对其具体的施工技术进行了详细的分析，并对隧道建设中悬臂掘进机的适用范围进行了探讨，旨在为施工单位提升隧道开挖的施工管理提供借鉴。

关键词：隧道开挖；施工工艺；悬臂掘进机；应用性

引言

得益于科学技术的不断深入发展，各种专用的机械设备在工程中得到了广泛的使用，比如现在比较流行的悬臂掘进机、全断面掘进机等，这些都是在各种设备的帮助下，实现了工程的自动化施工。在局部硬岩巷道的建设中，尽管采用了大量的钻孔爆破式凿岩机，但其所带来的施工效益不高；而悬臂式掘进装置的可操作性较高，所带来的施工效益比较理想。

1隧道开挖方式与传统开挖对比

1.1盾构法隧道施工

盾构法施工多用于大断面、长距离的地铁隧道施工，具有施工效率高、掘进一体化程度高、适用于大断面、长距离等特点，但目前国内外对该法施工方法的研究较少+。但其不足之处在于，装备使用费用较高，开挖断面固定，适应性较差，装备的安装与运输不便，施工过程比较复杂。

1.2钻爆法隧道施工

钻爆法在隧道工程中具有技术比较成熟、对硬岩石的开挖费用低廉、对大断面隧道施工高效等优点，在水利、铁路和公路等工程中广泛应用。但其弊端是风险较大，不能控制超限，容易对生态环境产生影响，同时，由于对爆炸材料的控制要求越来越高，导致了建设成本的上升，建设效率的下降。

1.3悬臂式掘进机隧道施工

悬臂式掘进机隧道施工具有灵活机动、可靠性强、开挖效率高等特点，它不仅可以完成隧道附近的剥离、隧道土渣运输，还可以完成设备本身的移动及隧道开挖时的喷水降尘，在隧洞不中断开挖的时候，还可以确保开挖不会发生爆破及震动。与传统的盾构法、钻孔爆破法等相比，采用悬臂式开挖具有显著的优越性，且在今后的工程建设中，将会得到更多的发展。

2.悬臂掘进机隧道挖掘施工工艺概述

当将悬臂掘进机用于隧道挖掘的时候，它是一种将隧道挖掘的切割、装卸、运送等功能整合在一起的综合性的隧道挖掘设备，它可以利用设备前端的切割设备的左、右、上、下切割装置的高效移动，来完成对隧道周边的软岩的剥离，从而可以在不同的条件下，对其进行截面挖掘。

2.1不同台阶下的悬臂式掘进机分层开挖施工

针对较大断面的隧道开挖施工，应利用多悬臂式掘进机进行不同台阶上下断面分层的开挖施工，通过如下实施步骤进行。

(1)上断面施工。当上截面的多臂式掘进机进行挖掘工作时，由多臂式掘进机的后方，由多臂式掘进机和运载工具，直接接受废料，并将剥离出来的废料运到规定的位置。在上断面掘进施工结束1次周期后（一般为1~3个拱架的设计标准），悬臂式掘进机移至后侧，将喷锚设备及支护台车开入撑子面区域，进行喷浆和立拱架作业。在支护作业结束后，吊车移到撑子面区，进行上段开挖和残余土排渣工作[2]。

(2)下断面施工。除了上断面掘进挖筑之外的所有断面都被称作下断面，用多个悬臂式掘进机一次性挖筑到与上断面的步距大致相等的位置，然后由掘进机和运载工具从掘进机的后方直接接受，然后把剥离下来的土块运到规定的位置。在下段开挖过程中，将喷锚具和支架台车开到上段开挖面上，同步竖起拱和喷浆。在下段开挖结束后，为便于多台吊车在上段开挖，设置斜坡行走通道。之后，多个悬臂式掘进机通过斜向行走的通道，向上断面的方向移动，并将喷锚装置和支撑台车开到下断面，对下断面进行喷浆和竖起拱架作业。

通过上、下两个部分的相互交替，实现了大截面隧道的全开挖。

2.2全断面下的悬臂式掘进机开挖施工

当多悬臂式掘进机在前面进行作业的时候，在设备的后面与运输机相连接，完成残土出渣作业，由运输机设备将多悬臂式掘进机剥离下来的残土渣料运送到后面的货车上，然后由货车穿越支撑台，将残土渣料运送到指定的接收地点。在多悬臂式掘进机结束一个周期后，多悬臂式掘进机将支护台设备车运到撑子面的位置，开始手工喷浆支护的施工作业，多悬臂式掘进机则退回到隧道的另一侧的指定位置，方便其它施工车辆的持续作业。在全断面下，采用悬臂掘进机进行的残土排渣作业，亦可由挖掘机取代运输机械进行。

3隧道施工中悬臂掘进机的应用性分析

3.1不同地质条件的施工措施分析

(1)在沙质地层中，采用悬臂掘进机-基坑法进行施工。与石灰岩土地层相比，采用悬臂掘进机型钻头在沙土地层中更容易造成钻头的磨损，进而影响钻头的工作效率。因此，在掘进过程中，应该采用专用的沙石切削刀，必要时可以采用低速沙石切削的方法，以降低沙石切削部分的损耗。

(2)在泥岩地层中，采用悬臂掘进机-掘进法进行施工。在泥岩层中，为避免切削头部分因淤泥而被粘结，必须采用大节距的螺旋式切削，并配有长式截齿片。在使用中，应该定期对切割头进行清除作业，以免因干涸而造成清除困难，从而影响挖掘工作。

(3)在坚硬的岩层中，采用悬臂掘进机-掘进法进行施工。在大范围的无缝岩层进行开挖施工的时候，为了能够有效地降低截齿部件的损耗，提高开挖的效率，可以采用钻、胀、掘组合工开挖法，并与安装了硬岩型截齿的硬岩截割头相结合，在能够有效地降低硬岩应力之后，将硬岩块状截割完成。

3.2其他应用性措施分析

(1)采取悬臂掘进机的粉尘清除方法。悬臂掘进机在挖掘过程中会排放出很多灰尘，因此需要采取有效的措施来控制隧道内的灰尘，对于大截面的分层挖掘，需要采用履带式的灰尘清洁器来清理，而对于全截面挖掘，则需要采用悬臂掘进机自己的灰尘清洁器来清理，并与排气管一起使用。

(2)悬臂掘进机井下过深、过浅的治理对策。悬臂掘进机系统主要利用激光导向器对施工剖面进行精确定位，确保了开挖剖面的精确位置，并利用悬臂掘进机系统的远程操控能力，避免了施工盲区，确保了对超挖的精确、灵活的控制。

(3)掘进式轨道和自动布线技术。悬臂掘进机型类似于挖掘机的轨道更适用于隧道内部道路的挖掘工作。本发明所述的自动卷索机构，可随悬臂掘进机的运动，实现钢索的出入，避免了人工收放，从而提高了作业的安全性，提高了施工效率。

4.XTR6/260型悬臂掘进机的应用分析

XTR6/260型“隧道悬臂掘进机”系列产品，在我国各大隧道施工中得到了大量应用，特别是在易塌陷、硬岩、溶洞等复杂地质条件下，具有很好的应用前景。具体研究内容包括：①面向泥岩、砂岩等复杂地质构造，通过对不同构造构造进行合理配置，实现对复杂地质构造的高效切割。②针对传统隧道开挖、清除残余土等步骤耗资巨大，开挖工人进行危险性工作的难题，XTR6/260型隧洞悬臂掘进机仅需3个操作工人，且在危险工作区域不需配备操作员，不需使用炸药，有效避免了传统隧道开挖存在的安全性隐患；③针对建筑工程产生的大量尘土，设计了与其相匹配的湿法振动清灰装置，该装置具有较好的清灰能力，清灰作用显著，灰尘污染得到了有效控制；④与常规爆破方法相比，掘进效率提高了30%以上[3]。根据实际挖掘资料进行的统计，XTR6/260型隧道悬臂掘进机对不同硬度等级的灰岩开挖能力如图1所示。从切削能力、岩石硬度及截齿损耗等变量所构成的开挖效率曲线可以看出，XTR6/260型隧道悬臂掘进机在小于90MPa的硬岩硬度开挖时，其效率较高，截齿磨损低；在90MPa以上的硬岩石上，掘进时，掘进机的掘进效果不佳，且掘进机的截齿易出现磨损现象。

图1灰岩开挖效率曲线

结语

在铁路、水利等工程中，采用悬臂掘进机进行隧道挖掘，其适应能力强，可应用于多种支护方式及剖面，挖掘效率高，还能改善后续施工，有效节约成本。通过对悬臂掘进机法在隧道开挖中的运用进行分析，以期对提高隧道开挖技术水平，提高管理水平，提高隧道开挖技术水平有一定的参考价值。

参考文献

[1]代洪森.悬臂掘进机在铁路隧道开挖施工中的应用价值研究[J].四川水泥，2020(05):249..

[2]伍平.悬臂掘进机在铁路隧道开挖施工中的应用[J].施工技术，2018,47(S1):915-917.。

［3］赵霞，饶军应，崔会超，等.悬臂式掘进机在岩溶隧道暗挖施工中的应用研究［J］.施工技术，2018（14）：15-19.