悬臂掘进机在水利隧洞工程中的应用

悬臂掘进机在水利隧洞工程中的应用
周新顺刘永谷
（中国水利水电第七工程局有限公司一分局，四川彭山620860）摘要：随着时代的发展，在城市地下隧洞建设中采用隧洞掘进机技术建造隧洞应用极为普遍，但在水利水电工程中使用掘进机进行隧洞施工则较少，本文以菲律宾大马尼拉引水工程为实例，简要介绍掘进机在水利水电隧洞工程中的应用。

关键词：隧洞掘进机施工技术
1工程概况
本工程位于菲律宾大马尼拉东北部的BULACAN区，AQ－6输水管线二期工程沿着首都供排水系统的路权范围布置，从釜馏2号进水池至Novaliches下游出口，全长约9.9Km。

我局负责施工的工作内容为：6条引水隧洞，总长度为3784m，开挖断面为多圆心马蹄形断面，开挖底宽3.6m，最大开挖高度4.6m，砼衬砌后隧洞直径为3.7m。

2施工重点及特点
（1）工程量大
6条隧洞累计长3784米隧洞的开挖、支护、衬砌是该工程的关键。

（2）工程地质条件复杂，地下水丰富，不可预见因素多
地质勘探程度较低，地下水位较浅，涌水量资料不详，这些给施工方案的选择和施工带来困难。

根据地质资料，该隧洞围岩的岩石胶结程度差，岩石强度低，风化强，对成洞不利，应采取必要的支护措施。

由于基础资料的系统性和精度的差异，各隧洞段的相对长度都有待于再补充勘察，甚至施工期揭露情况的基础上及时调整。

各隧洞段围岩由晚第三系的页岩、第四系更新统的砾岩、凝灰岩以及第四系全新统的砾石土、砂砾石组成。

由于地下水位较高、岩石胶结程度差、风化强，围岩的透水性较强，可能产生一定的外水压力。

3、隧洞施工采用掘进机的背景
由于该工程处于大马尼拉城市郊区，工程线路多穿越居民小区，且AQ－6引水管线需从已建的管线之间穿过，有的地段与已建管线之间的距离不足4.5m，为避免爆破对相邻输水管线的影响，需采用非爆破的方式进行。

隧洞开挖断面多为马蹄形，最大开挖面积为17.58m2，决定采用悬臂式掘进机进行隧洞的开挖。

悬臂式掘进机又称巷道掘进机，具有运行灵活、效率高、截割断面整齐，超挖欠挖量量小等优点。

特别适合开挖断面面积20m2左右的软岩。

4、掘进机的选型
悬臂式掘进机见图1。

岩石单轴强度在50Mpa～100pa之间时，选用重型悬臂式掘进机，即切削功率在160kw以上；岩石单轴抗压强度在50Mpa以下，可选用轻型悬臂式掘进机，即切削功率在100kw以下。

图1 悬臂式掘进机
交通水利等工程隧洞地质复杂，围岩情况难以预测，在悬臂式掘进机选型上最好选用200kw以上的重型悬臂式掘进机，以提高掘进机对围岩的适应性，使悬臂式掘进机经济可掘围岩单轴抗压强度达到100Mpa，定位开挖宽度×高度达到7m×6m左右，以提高功效。

对于平行导坑选用悬臂式掘进机，一次定位即可实现全断面开挖，选型时除考虑围岩的地质条件外，
还应考虑设备的外形尺寸与作业空间相关要求。

为加快施工进度，探索悬臂式掘进机隧洞施工方法，根据本隧洞的地质条件及隧洞的断面尺寸，大马尼拉引水工程隧洞选用EBZ200、EBZ160悬臂式掘进机各一台进行掘进施工，其施工范围向下0.4m，向上5.1m，左右摆幅6.5m，满足本工程的施工空间要求。

5、施工方案及方法
5.1施工方案
隧洞开挖主要采用掘进机破碎岩石为主，液压反铲配破碎锤进行辅助施工。

采用皮带机配自卸车运输渣料至渣场。

5.2施工方法
（1）施工准备
开挖前，由测量放线（采用激光导向仪控制开挖边线）完成后，掘进机到位即可进行开挖施工。

洞挖施工程序：工作面清理→测量放线（采用激光导向仪控制开挖边线）→掘进机施工→装车→石方运输→支护施工→下一个循环。

掘进机操作顺序：油泵电机→开动第一运输机→开动星轮→开动截割头
（2）施工方法
掘进机就位后，开始从掌子面底部位切削出一导洞，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，如图：
掘进机开挖施工图
在遇较软的岩体时，采用左右循环向上的截割方法；当在截割稍硬的岩体时，可采用由下而上左右截割的方法；当局部遇有硬岩体时，可先掘周围软岩，使大块硬岩坠落，采用适当办法处理后再进行装载，以降低掘进难度及截齿消耗量。

在切削后，采用截割头将切削下来的碴装入第一运输机，同时采用第一运输机转运至第二运输机，第二运输机直接装入出碴车运出洞外。

从顶部开挖到底部完成后，进行二次休整以达到准确的设计断面。

5.3掘进机在初期支护中的应用
在掘进以及出渣完成后，在安装钢支撑时，采用人工先把钢支撑的上半弧放在截割头上，操作掘进机将钢支撑A段运至顶拱，并由人工在掘进机平台上将钢管插入已安装完成的钢支撑和正在安装的钢支撑的环扣中，进行临时安放，待底部两侧钢支撑与顶部段钢支撑连接好之后再收回截割头；在需挂钢网片时，则将马道板一段铺垫在截割头上，一段在两钢支撑的环扣中插入钢筋，作为马道板另一段支撑。

其支护中的操作平台搭设容易、简单，减少传统支护工艺中的施工平台搭设和搬运时间，提高了工作效率。

6、工作效率
6#隧洞进口EBZ200悬臂式掘进机于2010年8月10日正式进洞掘进，截至目前为止（2011年3月1日），共计完成390m （均为Ⅴ类支护），6#隧洞出口EBZ160悬臂式掘进机于2010年12月6日正式进洞掘进，截至目前为止（2011年3月1日），共计完成310m（均为Ⅲ类支护）。

Ⅴ类支护围岩综合平均日进尺1.9米；III类支护围岩综合平均日进尺3.7米，最高日进尺5.2米。

掘进初期，由于刚进洞，洞室地质条件差，断面小，司机操作不熟练，机器本身存在不足，如出碴系统不完善，卡链故障频繁发生等原因，平均日进尺仅为1米。

随着掘进施工的进行，工人操作熟练程度提高，机器故障减少，平均日进尺有所提高。

隧洞每一施工循环，影响掘进机工作效率除了支护外，还有以下两点：
（1）围岩类别与掘进速度
岩体的结构面发育程度，岩体的整体性或岩体的裂隙程度、岩体的抗压强度以
及硬度与掘进速度有很大的关系
围岩等级与掘进速度关系
岩体抗压强度与掘进速度关系（2）截齿、截割参数与掘进速度
截齿的失效对掘进机的工作效率影响较大，截齿的选型，截割参数正确与否是保障掘进机掘进速度的关键。

截齿的选型可根据岩体抗压强度的不同进行选择，购进时可考虑两种不同的刀盘，装有不同的截齿，根据现场岩体的硬度更换。

同时可采取冷却的方法来降低截齿的磨损。

正确合理的截割参数的选择至关重要，不同的岩石硬度应考虑增加截割参数。

截割参数里主要有切割深度、切割速度、进给量，通常是岩石硬度小，切割参数设置大些，反之则相反。

7、结束语
（1）悬臂式掘进机在开挖上无爆破产生的有害气体，减少了隧洞的施工通风压力，有效的改变了隧洞的施工环境，降低了工人的劳动强度。

（2）悬臂式掘进机施工对围岩的扰动小，超欠挖小，提高了隧洞的开挖质量，洞室开挖断面圆顺度高，便于喷砼支护，同时也提高了初期支护的质量。

（3）采用悬臂式掘进机对提高软岩隧洞施工速度具有现实意义。

悬臂式掘进机施工进度由支护工序时间控制，由于开挖断面规范，格栅、网片拼装快捷，喷射砼可节省大量时间。

大马尼拉引水隧洞工程掘进机的成功使用，为将来同类型工程的施工积累了宝贵的经验，在将来的水利水电工程相应的隧洞施工也值得推广。

特别适应隧洞台阶法开挖、土质隧洞开挖以及穿越居民集聚区的地下工程。

作者简介：
周新顺：（1976～），男，四川眉山人，高级工程师，任水电七局一分局副分局长兼菲律宾大马尼拉供水项目经理，长期从事水电与公路等施工管理工作。

刘永谷：（1979～），男，四川中江人，助理工程师，任菲律宾大马尼拉供水项目工程部副主任，从事水电与公路施工技术工作。