高文甫
中国水利水电第三工程局有限公司第五分局 四川省 成都市 610091
摘要：从煤巷掘进中引进的悬臂式掘进机适用小断面、软岩隧洞开挖，无论从工程进度、质量还是从成本控制及安全管理方面都比常规钻爆更加经济合理。
关键词：悬臂式掘进机；小断面；隧洞；开挖
1 工程概况
四川省蓬溪船山灌区为武都引水第二期灌区工程的发展灌区，是继武引二期灌区之后的一项具有灌溉、城乡工业生活供水等综合性大型水利工程。我司承担的是该灌区文吉分干渠25.88km长渠线项目施工，其中隧洞长20.038km，占比77.4%，隧洞体型为城门洞型，开挖断面尺寸为2.3m×2.4m~3.1m×3.35m（宽×高），为特小断面、小断面隧洞，隧洞全断面混凝土衬砌，衬砌平均厚度30cm。该渠线出露地层为侏罗系上统蓬莱镇组下段（J3p1）和第四系覆盖层，岩性为鲜红色泥岩、泥质粉砂岩、粉砂质泥岩、砂岩，其成不等厚互层状产出。岩石类别主要是Ⅳ、Ⅴ类围岩，各类岩石强度为新鲜粉砂质泥岩和弱风化砂岩饱和湿抗压强度2.9～3.4MPa，为极软岩类；新鲜泥质粉砂岩饱和湿抗压强度25.5MPa，为较软岩类。
本工程施工以隧洞为主，因此工程成败的关键在于隧洞施工，隧洞施工工序包含洞挖、支护、衬砌、回填灌浆四道工序，其中第一道工序为隧洞开挖，隧洞开挖优劣直接影响工程工期、质量、安全，还影响后续施工的成本控制，因此本工程重点是选取隧洞开挖施工的方法及工艺。
2 洞挖施工方法选择
2.1常规钻爆法
适用条件：最常见、应用最久的隧洞开挖方法，各类条件均可适用。存在周围扰动大，各类性质的超挖工程量大。
2.2 TBM全断面掘进机法
适用条件为：洞室断面为圆形，开挖直径3~12m，掘进长度不小于10km，岩石物理力学指标及构造较均匀，岩石单轴饱和抗压强度小于200 MPa。可以连续开挖无爆破震动，减少超挖节约支护和衬砌费用。
2.3 悬臂式掘进机法
适用条件：最先用于煤巷掘进中煤矿开采，不同功率设备适用不同强度岩石及隧洞断面，适宜岩石强度小于50MPa，可用于任何断面隧洞，可减少超挖节约支护及衬砌费用，对比TMB设备小巧具有较大灵活性、投资少、施工准备时间短及再利用性高。
本项目隧洞体型为城门洞型且岩石为软岩，因此TBM全断面掘进机法不适用，隧洞开挖断面为特小断面、小断面，平均衬砌厚度仅30cm，每个断面衬砌混凝土量小，常规钻爆因施工必须的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，因此常规钻爆存在较大经济风险，最终通过现场调研和厂家沟通煤矿巷道开挖用的悬臂式掘进机适用这类小断面、软岩隧洞开挖，选用了中煤EBZ120型掘进机。
3 悬臂式掘进机施工
3.1 施工准备
施工用电：根据BBZ120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500KVA。
掘进机准备：由刀头和机身组成，施工现场进行组装，具有自行功能，移动和工作均使用自身电机。
3.2 掘进施工
在洞脸开挖支护完成后开始隧洞开挖，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。
3.3 粉尘控制
在掘进时如何控制粉尘是非常重要的。掘进机切割头处有内、外喷雾控制阀，当开始掘进时打开此阀，使切割头处内外喷雾用以降低粉尘，其水量可控制。
3.4 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。
4 效果对比
根据悬臂式掘进机在蓬溪船山灌区工程文吉分干渠项目上的使用，各方面经验总结如下：
4.1 进度控制
人工钻爆平均进尺3~4m/天，影响其效率因素较多包括：火工材料供应、通风排烟、支护及出渣。掘进机平均进尺为5~7m/天，影响其效率因素是支护及出渣。掘进机效率是人工钻爆的1.6~1.7倍，使用掘进机施工可以减少人工钻爆法施工同步施工工作面数量，进而减少各类资源投入。
4.2 成本控制
隧洞施工工序包含洞挖、支护、衬砌、回填灌浆，四个施工工序中洞挖成本控制是源头是关键，洞挖质量好坏直接影响后面三个工序的成本。经统计测算，特小断面、小断面隧洞洞挖人工钻爆综合成本220元/m3，掘进机综合成本140元/m3，人工钻爆成本是掘进机成本的1.5倍。
4.3 质量控制
该工程岩石发育层状结构、且以Ⅳ、Ⅴ类围岩为主，顶拱在每层岩石中间，悬臂式掘进机对比人工钻爆法以磨岩为主，对岩石振动扰动小，超挖控制是非常有力的，首先减少了常规钻爆因施工必须的15~20cm超挖量，另外其对周围围岩扰动小减少了因围岩差导致的地质超挖量。超挖量减少了即可减少后续超填混凝土量。经实测悬臂式掘进机平均径向超挖量3~5cm，常规钻爆平均径向超挖量20~30cm，开挖后效果对比如下。
4.4 安全管理
采用掘进机后人工钻爆的工作面数量可以减少很多，避免了劳动密集型产业带来的安全风险，而且大幅减少了火工材料使用，有利安全管理及控制。
5 结语
四川省蓬溪船山灌区工程特小断面、小断面隧洞项目占比大，该类工程隧洞施工是关键，由于在这种特殊地质条件下，围岩强度低、遇水容易软化、层状产出，常规钻爆超挖导致超填混凝土量占比结构混凝土量达到50%以上，对成本控制极为不利。从煤巷掘进中引进的悬臂式掘进机适用这类小断面、软岩隧洞开挖，无论从工程进度、质量还是从成本控制及安全管理方面都比常规钻爆更加经济合理，为该类工程施工提供了一个工程实例。
论文作者:高文甫
论文发表刊物:《防护工程》2018年第25期
论文发表时间:2018/12/5
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