摘要：为了使悬臂式掘进机能在工程隧道中更好的应用，对截齿消耗和掘进效率两个关键技术问题进行了探讨，总结了影响截齿消耗和掘进效率的影响因素，并给出了常用的预测模型。这些结论对掘进机的选型和现场使用具有指导意义。
关键词：悬臂式掘进机；小断面；隧道掘进
引言
小断面隧道的开挖建设，是地质勘查、灌引水、地下矿山开采等重点工程连接贯通的关键工序。施工工艺的自动化、多样化、效率化、重型化及经济化是当前隧道掘进工程的主流发展方向。盾构法及矿山钻爆法是常见的隧道工程掘进开挖方法，随着此类工程建设数量的不断增多，众多研究者对其开挖方法进行了大量的研究工作。通过采用大型模型试验、数值仿真和工程验证手段，系统研究地面出入式盾构法隧道新技术的关键问题，揭示地面出入式盾构法穿越不同阶段的地表沉降规律，并以南京某隧道工程的开挖应用为工程背景，分析了该新方法在工程中主要施工参数的合理选择和有效的控制技术；从钻爆法隧道施工主要施工机械配置、配置方案优化措施、配套机械管理及专用设备使用成本等方面，简述了钻爆法隧道施工机械化配套实施控制要点。尽管盾构法及钻爆法对地质条件适应性强，特别适用于坚硬与破碎岩石隧道及大量短隧道的施工，但前者受小断面施工尺寸的制约，无法满足施工条件；后者因施工工序繁琐、爆破振动对临近水系或原有地质结构造成较大的破坏、炸药单耗高且审批严格，常因其供应不及时而停工，从而延误工期。为使工程如期进行，采用新工艺开挖方法是当前小断面隧洞工程开挖建设的新课题。
1概 述
随着国内劳动力价格明显上涨，地方政府对爆破器材的管控愈加严格，不仅工期易受影响，而且开挖单价还高（特别是在以软岩为主的地区，由于裂隙发育、岩石较软、爆破效果不好而导致硬岩区域的洞挖炸材的消耗要比正常时高２０％及以上），导致钻爆法的使用局限性越来越大。而对于在多数居民聚集区施工，则不能使用爆破方式开挖。对于此，悬臂式掘进机等非钻爆法开挖方式就得到了广泛应用，从而有效规避了因钻爆法带来的炸材管控、安全等方面的制约。虽然目前悬臂式掘进机在水利水电工程中的应用较少，但由于其具有的优越性，相信其会逐步应用到越来越多的水利工程项目中去。毗河供水一期工程新生灌区段渠道总长度为５４．９４ｋｍ，其中最长的隧洞为长沟隧洞，长度为３ ８４２ｍ。长沟隧洞采用城门洞型断面，呈１／２ ０００的下坡，设计断面尺寸为：３．５（３．４）ｍ×３．５５ｍ，洞身段采用混凝土衬砌，Ｃ２０钢筋混凝土全断面衬砌。隧洞穿越地貌主要为丘陵，其由侏罗系上统蓬莱镇组（Ｊ３ｐ）等地层的砂岩、页岩及粉质页岩不等厚互层组成；岩层产状近于水平，岩层倾角大多＜５°，属软岩～较软岩；岩体透水性差，一般砂岩为相对含水层，粉砂质泥岩为隔水层，主要为Ⅳ、Ｖ类围岩。
2悬臂掘进机在小断面隧道掘进工程中的应用
2.1掘进施工工艺
悬臂式掘进机在掘进点首次就位后，从掌子面最底端切削出1条水平凹槽，切削完成后向前移动完成再次就位，就位后截割头采取自下而上、左右循环的削岩路径。铲板部耙爪同时将截割头切削下来的碴石转入至出碴车运至隧洞外碴石临时存放点。完成底端切削至顶端后，对切削面进行二次修整，以达到设计断面的标准。当遇到坚硬岩石（≥100MPa）时，为降低掘进难度及截齿消耗量，可先切削周围软岩，使大块硬岩坠落，对大块坠落体采用适当办法处理后再进行装载。一次切削完成后，将悬臂式掘进机退至不影响初期支护施工距离，随后在掌子面架设钢拱支架，完成喷射混凝土等初期支护施工，至此完成一次掘进施工，待初期支护具有足够支撑强度后，重复上述施工工艺，直至施工完成，如图1。
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图1 悬臂式掘进机
2.2掘进机在初期临时支护中的辅助应用
（１）锚杆及挂网：施工人员以掘进机本体上顶为作业平台，不再另行搭设施工平台。（２）钢支撑架设：钢支撑为预制工字钢构件，安装时，先把钢支撑顶端弧段放置于掘进机截割头上并运至顶拱安装位置，然后由人工在掘进机平台上将其进行临时安放固定，待底部两侧钢支撑与其连接好后再收回截割头。
2.3施工切割方式
悬臂式掘进机的截割方式是从扫底开始截割，再按S型或Z型左右循环向上的截割路线逐级截割上部岩石。选用右旋截割头截割硬岩，先由右向左从扫底开始截割，再按从左至右、自下往上的方式或从右往左、自上而下逐步进行截割。如遇节理发育较好岩石，则应沿岩石节理方向逐步切割。针对不同硬度的岩石可定制不同的截齿，科学合理选择最佳截割头，可提高施工效率，当局部遇有硬岩时，可以选用小直径切割头。小直径截割头切割力大、破岩能力强，能降低掘进难度及截齿消耗量。
2.4初期支护
当悬臂式掘进机完成一次切削施工，经测量复核无欠挖现象后应及时进行初喷混凝土封闭作业及加设钢拱架作业（Ⅳ级围岩加强段和Ⅴ围岩有钢拱架）。隧洞初期支护按新奥法原理采用喷锚支护。初期支护喷射砼采用洞外拌合站集中搅拌混凝土，掘进机开挖一定进尺后退回错车道内，支护作业班组开始进行喷锚支护，完成开挖到支护的作业循环。
结语
笔者将悬臂式掘进机在长沟隧洞中成功应用取得的经验与钻爆法相比总结如下：（１）悬臂式掘进机掘进速度快，特别是在软岩隧洞中掘进速度更快，因其开挖断面相对规范，可使钢支撑、钢筋网等拼装快，喷混凝土则可节省大量时间。（２）悬臂式掘进机施工对围岩的扰动小、超欠挖小，进而提高了隧洞的开挖质量，洞室开挖断面圆顺度高，便于喷混凝土支护，同时亦提高了初期支护的质量。（３）悬臂式掘进机与钻爆法相比，其震动小，对围岩的扰动小，噪音小，不扰民，特别是遇到松软的岩层亦可保证围岩的完整性。（４）目前，悬臂式掘进机在水工隧洞施工中的应用还不成熟，存在一定的技术缺陷，在机械设计技术方面还需要改进。总之，悬臂式掘进机在长沟隧洞的应用为今后特长引水隧洞施工积累了宝贵的经验，在将来的水利水电工程类似的特长软岩隧洞施工中值得借鉴。
参考文献：
[1]周治国．大断面硬岩巷道快速掘进技术［Ｊ］．山东煤炭科技，２０１３，２０（５）：４－６．
[2]杨秀才．悬臂式掘进机在贵阳地铁暗挖隧道中的施工应用技术初探［J］．黑龙江交通科技，2016，39（10）：137－138．
论文作者:胡鹏飞
论文发表刊物:《基层建设》2019年第29期
论文发表时间:2020/3/5
标签：悬臂论文; 隧洞论文; 断面论文; 掘进机论文; 隧道论文; 围岩论文; 工程论文; 《基层建设》2019年第29期论文;