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摘要：在水利工程施工中，由于长隧洞施工难度大、可利用的工作面有限等因素，长隧洞往往是制约工程是否按合同工期顺利完工的关键工程。采取合理的施工工艺可有效的控制因交叉作业而引起的窝工等因素影响施工进度。引进悬臂式掘进机进行掘进作业，在掘进速度上具有明显的优势。基于此，本文对水利工程长隧洞悬臂式掘进机的施工工艺、施工方法、与传统钻爆法的区别、质量控制关键点、控制措施等进行了探讨，供同行参考。
关键词：悬臂式掘进机、长隧洞、应用
悬臂式掘进机近年来大量应用于水利灌溉工程引水隧洞的掘进施工，为隧洞施工加快进度、改善开挖质量、提高施工安全等具有明显的优势。
1 工程简介
武都引水西梓干渠第六流量段其中二座隧洞金子岭隧洞长4674.94m（K2+351.858-K7+026.798）、伞柏桠隧洞长4556.12m（K9+786.589- K14+342.709），其地质构造为上处于新华夏构造体系之川西褶带与川中、川北褶带的交接部位，未见区域性断裂，以褶曲构造为主，位于云凤宽缓向斜的北西翼，岩层产状平缓，倾角1～3°，其中：金子岭隧洞包括3个弯道，参数为R=80米，圆心角分别为23.49°、41.811°、45.076°，Ⅴ类围岩71米，Ⅳ围岩共两段共2740.78米，Ⅲ围岩为1863.16；伞柏垭隧洞包括2个弯道，参数为R=80米，圆心角分别为52.89°、34.491°，Ⅴ类围岩68米，Ⅳ围岩共两段为3878.72米，Ⅲ围岩为609.4米。根据国家标准查得地震峰值加速度为0.05g(对应地震基本烈度Ⅵ度)。设计流量16.7 m3/s、加大流量20.0 m3/s。
2 掘进机适用范围及工作参数
2.1 主要用途及适用范围
该机主要用于煤巷、半煤岩巷以及全岩的项道、隧道掘进。通过第二运输机、皮带转载运输机等配套，实现掘进、运输连续作业，也可与自卸车、校车配套使用。最大定位切割断面可达33.15m2，经济切割≦80MPa，对硬度40～100MPa的沉积岩、层离节里发育的岩类有较强的切割能力，纵向工作坡度≦±18o。
2.2使用环境条件
本工程使用EBZ200掘进机，在下列条件下可正常工作：
海拔不超过2000m；-20℃～+40℃（注：掘进机使用说明标注为0～30℃）；周围空气相对湿度不大于90％（+25℃）；在有瓦斯、煤尘或其他爆炸性气体环境矿井中；无破坏绝缘的气体或蒸汽的环境中；无长期连续漏水的地方；污染等级：3级；安装类别：Ⅲ类。
2.3掘进机工作参数
2.3.1基本参数
长×宽×高（m)（10.63×2.58×1.68）、机重(t) 62、装机总功率（kw) 362、（kw) 200/110、切割头卧底深度（mm) 220、地隙（mm) 300、龙门高（mm) 430、生产能力（m3/h) 258（装载能力：4m3/min）、爬坡能力（o）±18牵引力（kN) 320、切割煤岩抗压强度（MPa) ≦80、供电电压（V) 1140、最大切割高度（m) 5.1、最大切割宽度（m) 6.5、履带接地比压（MPa）0.14、泵站额定功率（kW) 110。
2.3.2.主要部件切割机构参数
切割功率（kW）200/110、驱动方式电机驱动、切割头转速（r/min) 48/23.9
3 掘进机施工
武都引水西梓干渠二期工程最长的两隧洞位于西梓干渠第六流量段施工九标即金子岭隧洞（4674.94m）、伞柏垭隧洞（4556.12m），均采取悬臂式掘进机进行掘进施工。截至目前金子岭隧洞已完成3274.94米，完成约70%，伞柏垭隧洞已完成2656.12米，完成约58%；目前对已掘进成型的隧洞在超欠挖控制、安全、进度等方面均达到预定效果。
3.1掘进机启动前的注意事项
非掘进机操作者，不得操作机器；操作者在操作前必须检查确认周围确实安全；必须检查确认顶板支护可靠；在每天工作前应认真检查机器状况。
3.2掘进机开机前的检查事项
首先检查周围的安全情况，并且注意隧洞内环境温度、有害气体等是否符合规定；检查各注油点油量是否合适，油质是否清洁，开机前检查冷却水是否充足、清洁；检查各电气结合面，螺丝是否齐全、紧固；检查各电缆是否吊挂不良或绷得太紧，是否有外部损伤、漏电现象，更要充分注意不要被掘进机压住或卷入履带内；所有机械，电气系统裸露部分是否都有护罩，是否安全可靠，经检查确认安全无误后，方可开机；检查截齿是否活动并可旋转，在开机前必须检查截齿的使用情况，如截齿断裂或磨损大必须及时更换，否则截割时会损坏齿座。
3.3掘进机正式运行前的试运转
地面试运转之前，由专职电工检验电源电压，是否与机器要求供电电压（1140V/660）相同，然后按要求接通电源；先按按钮使电机微动，以确定其运转方向是否正确；开机前先鸣响报警，打开照明灯。待无关人员撤离后，方可开机；电机空载运行 3 分钟，有关人员密切观察各部位声响、温度是否正确，有无卡阻或异常现象。司机要集中精力，认真操作，不准离开操作台。
3.4掘进机掘进施工方法、工艺
利用截割头上下、左右移动截割，可截割出初步断面形状。如果截割断面与实际所需要的形状和尺寸有一定的差别，可进行二次修整，以达到断面尺寸要求；一般情况，当截割硬度较小的围岩时，如图3-1所示，采用左右循环向上的截割方法。当截割稍硬岩石时，可采用由下而上左右截割的方法。不管采用那种方法要尽可能地利用从下而上截割。
图3-2 石方开挖方法
如果不能熟练自如地操作掘进机，所掘出的断面形状和尺与所要求的断面会有一定差距。例如，当掘进较软的围岩时，所掘出断面的尺寸往往大于所要求断面尺寸，这样就会造成掘进时间的延长，以及支护材料的浪费。而掘进较硬的围岩时，所掘断面尺寸往往小于所要求的断面尺寸。因此，在操作时，应按规定的断面尺寸进行掘进，以便养成好习惯。这要求操作者既要熟练掌握操作技术，又要了解工作面围岩的具体情况。
3.5掘进机掘进开挖中应注意事项
启动截割电机开始掘进前，必须打开外喷雾控制阀，水冷却液压系统和截割电机后向截割头处喷雾，确定其流量不小于每分钟 30 升后，方可开始进行截割。否则容易造成液压系统油温升高和截割电机损坏、粉尘增大等；发现异常应停机检查，处理好后再开机；不能超负荷操作；在装载时一定要注意，铲板高度的调整；要充分注意，不要使掘进机压断电源线；在切割硬岩时，会产生较大的振动，为保持机器的稳定性，可先放下后支撑（可以使履带后部抬起）然后使铲板接地（不能使履带前部抬起），同时要保证履带不能完全离开底板；软底板上操作时，应在履带下垫木板，木板间距1至1.5m，加强行走能力。
4 掘进机掘进质量控制措施
4.1开挖准备：洞内风、水、电就绪，施工人员、机具准备就位。
4.2测量放线：洞内导线控制测量及施工放线均采用全站仪进行。施工测量作业由专业人员实施，每班掘进机掘进后进行设计开挖线测放。
4.3掘进作业：由熟练操作手利用掘进机截割头上下、左右移动截割，可截割出初步断面形状，如此截割断面与实际所需要的形状和尺寸有一定的差别，可进行二次修整，以达到断面尺寸要求。
4.4通风散烟及除尘：隧洞施工过程中一直启动通风设备供风，保证洞内将有害气体浓度降到允许范围内，对开挖面利用掘进机自带喷水设施除尘，使用除尘风机对碛头降尘，以保证洞内空气质量。
4.5安全处理：掘进后，用人工清除掌子面及边顶拱上残留的危石及碎块，保证进入人员及设备的安全，在整个施工过程中，设兼职安全员每天进行安全检查，发现问题及时处理。
4.6出渣：采用掘进机自带皮带输送机装车，农用自卸车运至洞口卸车，然后装载机上车，10t自卸车运到指定堆渣场。
4.7围岩支护：每次循环开挖结束后，对稳定性差的岩体、破碎带及时进行随机锚杆或挂网喷混凝土支护，系统锚杆及喷混凝土支护在开挖后及时进行。
4.8安全监测：加强收敛监测确保洞内施工安全；配置监测有害气体浓度仪器仪表，以及报警信号系统，根据监测结果及时采取加强通风或暂停施工等措施。
结束语
在水利工程施工中引进掘进机进行隧道掘进施工，相比钻爆法其优点有：一、不受地区环境的限制，主要体现在：隧洞离村庄、集市或重要建筑物较近或者因其他原因不能使用爆破法的；二、能够有效的解决掌子面区域及工作区后面隧洞围岩的稳定性。相比之下钻爆法在遇到多断层地带开挖时，爆破会引发很多突然的破坏，这种破坏会从最初发生在稳固完整岩石过渡到不稳定的岩体或者断层处，即使在人工严密监控下，也可能引发坍塌造成安全事故；三、机械化程度比较高，能够有效的控制洞内超欠挖现象；四、工人劳动强度低，且能大幅提高工作效率。在进度方面使用掘进机掘进隧洞施工所需工序少，无爆破所需的钻孔、装药、引爆以及爆破完后的排险等工序，而掘进机施工只需掘进-出渣；在操作人员方面因掘进施工是连贯的、重复的，需要的技巧较少易于培训；在测量放线方面掘进施工安装5-7个定位激光器，可定期对这5-7个激光导向仪进行校检（直线段），无爆破所需对每一个循环都要进行测量放样及炮孔位置的放样；五、缩短工期，减少因民爆产品管控带来的影响。
相比钻爆法其主要缺点有：一、使用掘进机施工对围岩的类别要求较高，一般适合四、五类围岩；二、日常设备的保养与维修所需时间较长，配件损坏后需返回原厂家或售后服务网点进行配件维修；三、粉尘控制难度大，投入较高。
因此，在水工隧道中使用掘进机，能大幅提高工作效率、开挖质量，降低安全隐患，值得推广。
参考文献：
[1]卓效明.全断面隧道掘进机开挖与钻爆法开挖的比较[J].西南科学，1995，10:41～44
论文作者:王勇勤,刘宇,袁泽俊
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年第11期
论文发表时间:2017/9/28
标签：隧洞论文; 围岩论文; 断面论文; 掘进机论文; 悬臂论文; 履带论文; 尺寸论文; 《建筑学研究前沿》2017年第11期论文;