摘要：软岩隧洞采用传统钻爆法施工进度较慢、超挖严重且存在较大的安全隐患。为此，本项目在隧洞开挖施工中通过引进悬臂式掘进机，使施工进度较传统钻爆法提高近2倍，超挖量控制在设计量的5%以内，同时避免的塌方等安全隐患的发生。
关键词：软岩隧洞；悬臂式掘进机；施工技术
1.概况
1.1项目概况
本项目全长20650m，主要包括10090m隧洞、1862m钢管（包含钢管外包混凝土）、974m预应力涵洞、7724mPCCP管、附属建筑物、交叉工程、两处分水口工程、交通工程及其他临时工程等。
1.2隧洞设计情况
隧洞全长10090m，除2#隧洞存在Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ类围岩外，其余五条隧洞均为Ⅴ类围岩，且埋深浅、地下水丰富、围岩破碎甚至为土质，施工难度大、安全风险高。本项目结合工程实际在2#、5#隧洞开挖施工中采用了悬臂式掘进机施工方案。
2.悬臂式掘进机施工方案的确定
2.1 2#隧洞出口
2#隧洞全长5292m，围岩分布为65mⅤ类+360mⅣ类+960mⅢ类+309mⅣ类+420mⅢ类+560mⅣ类+200mⅢ类+250mⅣ类+2168mⅤ类。为了保证工期我部在主洞76+423处增加了一条支洞，支洞上游3027m、下游2265m。
2#隧洞出口均为Ⅴ类，采用钻爆法施工，Ⅴ类围岩开挖最大月进尺60m、二衬混凝土月进尺132m，即使增加了支洞，隧洞施工完成已到2020年5月份，无法满足2019年2月底隧洞完工的合同工期要求，同时隧洞施工完成后洞口还有钢管外包混凝土施工，无法满足2019年9月30日底合同工期完工要求。
2.2 5#隧洞进口
5#隧洞全长1117m，均为Ⅴ类围岩，地下水较多，岩质较软遇水易泥化。2016年9月份交作业面，洞口工程施工完成后已经进入冬季，洞身开挖2017年4月份才能开始，采用钻爆法施工无法满足合同工期要求，同时由于5#隧洞进口位于村庄附近，爆破作业震动影响大，对村民日常生活产生干扰，无法进行爆破作业。
2.3 2#隧洞支洞上游
2#隧洞支洞上游洞身300m下穿村庄，该段围岩为Ⅲ～Ⅳ。前期采用爆破作业，但对民房产生了震动并出现了不同程度的损坏，影响到村民日常生活。
通过考察，采用悬臂式掘进机施工，Ⅴ类围岩开挖平均月进尺120m、Ⅳ类围岩开挖平均月进尺90m，采用悬臂式掘进机施工能够满足合同工期要求，同时也能避免对村民的干扰。
为此，2#隧洞出口、5#隧洞进口采用了ZEB200型掘进机，2#隧洞支洞上游采用了ZEB260型掘进机。
3.悬臂式掘进机简介
悬壁式掘进机是一种利用装在一可俯仰、回转的悬臂上的切削装置切削岩石并形成所设计断面形状的大型掘进机械。具有截割、装载、转运，并能自行，具有喷雾降尘等功能，有的还具有支护功能，以机械方式破落岩体的掘进设备。主要靠悬臂上的切割头切割岩石，通常又称为部分断面掘进机。
悬臂式掘进机要同时实现剥离岩体、装载运出、机器本身的行走调动以及喷雾除尘等功能，即集切割、装载、运输、行走于一身。它主要由切割机构、装载机构、运输机构、行走机构、机架及回转台、液压系统、电气系统、冷却灭尘供水系统以及操作控制系统等组成，其中切割臂、回转台、装渣板、输送机、转载机、履带等为主要工作机构。
4.悬臂式掘进机隧洞开挖方法
4.1施工方案
本项目隧洞为圆形断面，为了设备能够通行采取分期开挖方案，一期贯通后再进行预留底板开挖及支护（预留1.5m）；一期开挖分两步进行，第一步开挖中间部分，中间部分先开挖左侧再开挖右侧，预留30cm作为保护层在中部开挖完成后再进行轮廓线的修整；二期开挖采用传统钻爆法，效率更高。
4.2设备选择
依据掘进机的性能参数、隧洞的设计参数，我部选定EBZ200型、EBZ260型悬臂式掘进机进行开挖施工。
4.3悬臂式掘进机开挖施工工艺
悬臂式掘进机施工工艺流程见图4.3-1、掘进机洞内布置见图4.3-2。
4.3.1测量放线
掘进机就位前采用全站仪将设计轮廓线在掌子面测放出来，用喷漆做明显标识。为了确保测量的准确度，要使用经过鉴定合格的测量仪器，选派有经验的测量人员负责测量工作，作业队测量人员放样的同时项目部测量人员定期校核。
4.3.2掘进机就位
掘进机依据现场测量放线中轴线位置，调整机械自身中心位置与轴线重合，确定机身较平，无倾斜现象。掘进机重量达50t，就位点必须平整坚实，以利于掘进机传送带的传输出渣。
4.3.3开挖施工
掘进机对隧洞岩体进行切削是施工的关键。掘进机就位后，第一步从掌子面底部左侧至中部水平切削出一条深约40cm的槽，向前移动掘进机再一次就位，就位后截割头采取自下而上循环切割，完成左半洞开挖；然后采用同样的方法完成右半洞开挖；最后修整预留的30cm达到设计轮廓线。
4.3.4通风排烟
悬臂式掘进机切削开挖施工时会产生粉尘，掘进机本身携带喷雾降尘装置，同时采取通风机通风排烟降尘，有效改善了施工环境。
4.3.5传输出渣
隧洞掘进机在掘进过程中，截割部截割岩石后，由星形铲板通过第一运输机把石渣运至第二运输机，自卸汽车在此等候和跟进，洞渣直接卸于车厢里，然后自卸汽车将渣运出洞外。
5.悬臂式掘进机施工应用效果
5.1 应用效果
2#隧洞出口：2#隧洞出口1800m洞身采用掘进机施工，平均月进尺约120m，月最大进尺达150m。
5#隧洞进口：由于洞内地下水较多、围岩遇水泥化、设备损坏较频繁，平均月进尺约80m，进度方面效果与钻爆法相比较不是很明显，但解决了扰民问题，确保了项目施工社会及外围环境的稳定。
2#隧洞支洞上游：由于穿越村庄洞段围岩为Ⅲ～Ⅳ，围岩较硬，施工进度较慢，加之设备损坏较频繁，平均月进尺约60m，进度方面效果与钻爆法相比较不是很明显，但解决了隧洞穿越村庄问题，确保了项目施工社会及外围环境的稳定。
5.2 费用核算
2#隧洞出口、2#隧洞支洞上游采用了工程量计量模式组织施工；5#隧洞进口采取了项目部自行购买设备组织施工的模式。ZEB200掘进机购置费月约300万，月租赁费12万元；ZEB260掘进机购置费月约500万，月租赁费25万元。
开挖施工综合费用（包括截齿、电费、人工费、维修费等），Ⅴ类围岩约180元/m3、Ⅲ～Ⅳ类围岩约240元/m3。
5.3 优点
安全—对围岩扰动小，避免爆破对围岩的破坏；开挖作业不需打眼放炮，可减少冒顶和瓦斯突出的危险，大大提高了工作面的安全性；
快速—是传统钻爆法的2倍，确保了诚信履约；
质优—洞壁光滑美观，提高企业形象；
人性—机械化程度高，降低人员作业强度，改善作业环境；
经济—钻爆法开挖超挖量一般在20%左右，掘进机开挖可控制在5%内，极大的减少了超挖情况发生，降低了施工成本；
适用性强—悬臂式掘进机适用性强，对地质条件要求低，适合软岩及中硬岩隧洞的掘进，机动灵活，与隧洞初期支护能够平行作业；降噪减震—施工对周围村庄影响小。
5.4 缺点
设备损坏维修周期长，一般需3～7天；围岩软弱遇水易泥化洞段施工难度大。
6.结语
悬臂式掘进机主要运用于煤矿开采中，在水工隧洞中应用较少，要充分发挥悬臂式掘进机在水工隧洞开挖作业中的优势还需做到以下几点：
提高设备完好率；保证配件供应；管理人员对掘进方向的地质情况应有足够的了解；提高隧道控制测量和施工测量的精度；应建立专门的供电机构，确保供电质量；精心设计，统筹安排，严格施工。
论文作者:刘钊
论文发表刊物:《基层建设》2018年第15期
论文发表时间:2018/7/20
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