XTR4/180掘进机首台试验机在毗河供水工程特小断面隧洞开挖施工中的应用

(中国水利水电第十工程局有限公司，成都，610072)

1　工程概况

毗河供水工程是以“再造一个都江堰”为目标，解决川中旱区用水问题的四川省重点民生工程，功能以农业灌溉、城镇供水为主，兼顾人畜用水和改善生态环境。取水枢纽位于毗河中游成都市新都区的苟家滩，总干渠穿龙泉山、跨沱江，沿沱涪分水岭至安岳县朝阳水库，各类渠道总长381.36km。

毗河供水工程第二施工分部开挖断面在10m2以下的特小断面隧洞共49座，全长19.5km，分为城门洞型断面和圆形断面，开挖断面4.3m2～9.4m2，隧洞多位于地下水位线以下，岩性多为砂岩和粉砂质泥岩互层，岩石抗压强度200kg/cm2～400kg/cm2，最长隧洞为简阳支渠黄尖隧洞，长1193m，开挖断面6.2m2。对于特小断面隧洞，常规爆破开挖方法出渣困难、超挖不宜控制，施工进度慢、后期二衬成本高，结合本工程隧洞特点，项目通过市场调研并与掘进机厂家商议，决定在EBZ160H掘进机相关参数的基础上加以改良(减小机身宽度、增加切割机构功率等)，研发新机型窄机身XTR4/180掘进机，其机身窄度为同级别国际之最，有效地解决了毗河供水工程特小断面隧洞开挖难题。

2　主要技术参数及配套资源

2.1　主要技术参数

XTR4/180掘进机由切割机构、支承机构、操纵台、本体总成、行走机构、液压系统、除尘喷雾系统、电气系统、润滑系统、护板总成、标识与涂装、冷却系统、铲板总成、第一运输机等部件构成。整机采用模块化、窄机身设计，可满足超窄巷道掘进施工要求，切割电机、泵站电机、控制系统等具有防爆功能，安全可靠。主要技术参数见表1。

表1 XTR4/180掘进机主要参数

2.2　配套资源

配套可伸缩式皮带机，运输带带宽80cm，运输带带速1.6m/s，实现开采洞渣连续运输，提高开采效率；每天按三班制施工，掘进机操作工2人/班，料工2人/班，支护工4人/班，设备维修工1人/班；配备25t吊车作为掘进机安装起吊设备。

3　技术优势

相较隧洞钻爆开挖，XTR4/180掘进机进行隧洞开挖具有施工进度快、超挖控制良好、作业人员精简、对毗邻居民区干扰小等优势。

相较其他机型掘进机，XTR4/180具有以下优势：

(1)超窄机身模块化设计，车身宽度1.7m，用于小型隧洞开挖优势明显；

(2)采用新型的切割机构，圆锥台形小直径切割头，双螺旋线截齿排布，破岩能力强；

(3)采用喷雾配合机载风机双重除尘，有效提高除尘效果，降低了粉尘污染；

(4)装运机构采用防卡链设计，有效避免卡链、跳链现象；

(5)采用风冷散热，散热效果好，在无外接水源情况下，主机可正常工作；

(6)液压系统采用恒功率、压力切断、负载敏感控制技术，有效提高液压元件寿命，降低系统故障。

4　主要工艺及施工方案

4.1　掘进工艺

工作面采用“一次截割成形”，截割头从工作面中间截面的底部开始截割，利用截割部的上下、左右移动，以及行走功能，按截割规定的路线使截割头扫过巷道截面使其一次成形。截下的洞渣由铲板部收集，通过第一、二运输机运至皮带机输送至洞外，装载机装自卸车运至渣场堆存。

4.1.1掏槽、扩槽

掘采从工作面中间截面的底部开始截割，截割头钻进200mm进行第一次掏槽，然后截割头向外侧摆动300mm，完成扩槽运动；截割头再钻进200mm进行第二次掏槽，截割头向两侧摆动300mm，完成第二次扩槽运动；截割头钻进200mm进行第三次掏槽，截割头分向外侧摆动300mm，完成第三次扩槽运动。

掘进机掏槽、扩槽方式见图1。

第一次掏槽第二次掏槽第三次掏槽

图1掘进机掏槽、扩槽方式

4.1.2进刀顺序

完成掏槽、扩槽后，截割头按图2所示的路线从底部由左向右，从下而上截割。切割时截割头最大参与切割长度不超过700mm为宜，严禁将整个截割头钻进岩壁。

图2　一次截割成型路线示意

4.1.3作业班次

施工中采用三班生产，8h工作制。施工作业循环情况见表2。

表2掘进机施工作业循环情况

注：(1)每天有效掘采时间至少12h，特殊情况下，第三班4h的机动掘采时间也可用来设备维修；每天平均有效掘采时间按14h；

(2)每月按30d计算，除去2d假期，实际工作天数28d。

4.2　除尘工艺

XTR4/180掘进机除尘喷雾系统分为水系统和风机除尘装置。水系统主要由外喷雾水路组成，外来水经一级过滤后分为两路，第一路直接通往外喷雾喷水架，由雾状喷嘴喷出，起到冷却截齿及灭尘作用；第二路通往除尘风机除尘器，起到灭尘作用。除尘风机吸风口布置于回转台上端，灰尘经过负压风道、风机进入除尘器，在喷雾的作用下沉降形成泥浆，由泥浆出口流出车体之外。现场安装调试后，除尘效率≥97%，有效提高工人操作视线。

4.3　掘进机开挖施工方案

4.3.1开挖准备

洞内风、水、电就绪，施工人员、机具准备就位。

4.3.2测量放线

洞内导线采用全站仪进行测量放线，施工测量作业由专业人员实施，并在洞口设置激光导向仪。

4.3.3电气操作

(1)向上搬动电器电控箱右侧电源开关手柄至“接通”的位置，此时前后照明灯同时点亮。检查显示屏、电压表和机器周围，如果没有异常情况，即可按如下顺序进行开机操作。

(2)顺时针旋“信号、报警”开关，发出开机信号。并观察工作现场，确认不能发生机械和人身事故方可开机。

(3)顺时针旋油泵启动开关，油泵即可启动运转。逆时针旋油泵电机停止开关，运行中的油泵电机运行停止(在试车时应注意油泵电机运转方向，若反转应重新接线)。

(4)逆时针旋“信号、报警”开关，发出截割电机启动“报警”信号。“报警”信号发出5s后即可启动截割电机。

(5)若需截割低速作业，顺时针旋截割电机低速启动开关，截割电机低速运行。逆时针旋截割电机低速停止开关，运行中的截割低速电机运行停止。若需截割高速作业，顺时针旋截割电机高速启动开关，截割电机高速运行。逆时针旋截割电机高速停止开关，运行中的截割高速电机运行停止(试车时应当观察截割电机的旋转方向，若反转需重新接线)。

(6)若需二运电机作业，顺时针旋二运电机启动开关，二运电机运行。逆时针旋二运电机停止开关，运行中的二运电机运行停止(试车时应当观察二运电机的旋转方向，若反转需重新接线)。

(7)停机操作顺序，原则上和开机顺序相反，也可根据实际情况进行。注意不允许在不需要紧急停止的情况下，利用急停按钮停整机，也不允许利用停油泵电机的方法，停其它电机。

(8)停机后，注意切断电源，取下电源开关手柄。

4.3.4掘进作业

利用截割头上下、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。一般情况，当截割较软的岩壁时，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，两种方法均尽可能地利用从下而上截割，当遇有硬岩时，不应勉强截割，对有部分露头硬石时，应首先截割其周围部分，使其坠落。对大块坠落体，采用适当办法处理后再行装载。

截割头外喷雾控制阀位于司机的右侧，当开始掘进时，应开此阀，使截割头处喷雾。其外喷雾喷嘴位于截割头后部。

4.3.5通风除尘

隧洞施工过程中一直启动通风设备供风，保证将洞内有害气体浓度降到允许范围内，掘进机自配除尘系统降尘。

4.3.6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。

4.3.7出渣及运输

掘进机自配一运、二运系统，一运通过铲板三齿星轮转动将石渣输送到二运(双边链刮板)，输送到掘进机尾部，皮带机运至洞外，装载机装车，自卸车运到指定堆渣场。

4.3.8围岩支护

开挖结束后，对稳定性差的岩体、破碎带及时喷5cm厚混凝土封闭岩面，系统锚杆及喷混凝土支护在开挖后及时进行。

5　应用成果分析

本标段隧洞围岩多为强风化泥岩，地下水丰富，常规钻爆采用的扒渣机装自卸汽车出渣方式导致反复碾压底板至浆糊状，洞内工作环境恶劣，隧洞开挖难以有效推进。XTR4/180掘进机开挖能采用配套皮带机将洞内开挖石渣及时运输至洞外，可节约大量的底板处理费用(钢板覆盖、混凝土垫层等)及时间。

受隧洞围岩强风化、裂隙发育、地下水丰富等地质条件影响，采用常规光面爆破的特小断面隧洞，石板河圆形断面隧洞进尺强度60m/月，踏水灌区隧洞进尺长度90m/月，隧洞平均径向超挖超过15cm。结合本标段隧洞特点，对中长型(400m以上)或毗邻居民区的特小断面隧洞采用XTR4/180掘进机进行开挖，先后用于石板河圆形断面隧洞(开挖560m，进尺强度160m/月)，踏水灌区城门洞型隧洞(开挖5130m，进尺强度230m/月)，其中黄尖隧洞开挖907m，进尺强度220m/月，隧洞平均径向超挖约5cm。

综上所述，XTR4/180掘进机月进尺强度约为常规爆破方案的2.5倍，径向超挖较常规爆破方案少10cm以上。通过XTR4/180掘进机的使用有效保障了隧洞开挖节点工期，减少了大量因超挖导致超填的二衬混凝土，同时杜绝了部分毗邻居民区隧洞开挖的爆破影响问题，隧洞开挖施工的进度、质量、安全、成本得到了有效管控。

6　结语

通过XTR4/180掘进机首台试验机在毗河供水工程第二施工分部特小断面隧洞开挖施工的成功应用，类似地质情况及断面大小的隧洞开挖工程通过经济比较后可借鉴使用。