悬臂掘进机在水利水电隧洞工程中的应用

王 鑫

(山西省中部引黄工程建设管理局，山西 太原 030000)

悬臂掘进机是一种可以分割、装车、输送以及除尘为一体的联合机械设备[1]。在地质构造较为复杂的区域，悬臂掘进机得到广泛应用，成为重要的掘进方法。该方法可提高掘进速度，因悬臂掘进机体积较小，在隧洞工程施工中使用特别灵活方便，并且可以大幅度缩减施工费用和施工时间。

1 工程概况及悬臂掘进机参数设定

此工程位于格拉西部BLN区，BQ- 5输水路线分布在主要排水体系的周围，从3号进水口到NL下游出水口，全长共10.8km。隧洞工程施工主要目标为：8条输水隧洞，长度为3659m，挖掘的断面形状为椭圆形，挖掘的底部宽约为3.8m，最大挖掘高度约为4.9m，隧洞半径约为1.9m。工程地质构造十分复杂，且地下水丰富，不可调控因素较多，给设计施工方案带来一定困难[2]。每个隧洞周围的岩石是由第四系的板岩、第五系的页岩以及砂石岩组成[3]。因地下水较丰富，岩石粘接程度小，并且周围岩石的渗水性强，可能有水压力的产生。

悬臂掘进机的选用，要根据施工的实际情况而定。此次研究的隧洞工程跨越居民住宅区域，并且BQ- 5输水线只能从建好的管道线路之间通过，部分地区与建好的管道线路的间距不到3.6m。由于隧洞的挖掘断裂面多呈椭圆形，挖掘的最大面积为16.25m2，所以利用悬臂式掘进机对隧洞工程进行施工[4]。悬臂式掘进机操作时需要注意：当周围岩石的抗压强度变化范围为60～120MPa时，要采用重型悬臂掘进机，其切割额定功率≥180kW；当其抗压强度≤60MPa时，要采用轻型悬臂掘进机，其切割额定功率≤90kW。

水利水电隧洞工程中隧洞的地质构造情况极为复杂，周围岩石的稳定性、粘接性、渗水性等影响因素难以控制，在选择悬臂掘进机机型时，要选用≥220kW的重型悬臂掘进机，可达到适应周围岩石性质的效果，悬臂掘进机的抗压强度≥110MPa，确定开挖的位置，并规定其挖掘宽度约为8m，宽度约为7m，进而提高悬臂掘进机的工作效率和开挖速度[5]。重视对悬臂掘进机的形状、体积和尺寸的分析，为了更好地适应工作的空间环境以及工作中的相关需求。选择合适的悬臂掘进机进行施工，在一定程度上增加了开挖速度，同时提高了隧洞工程的总体进度和施工质量[6]。依据此隧洞工程的地质构造环境和断面的面积大小，选择EZ180和EZ140悬臂掘进机开挖，其开挖范围为：上方6.2m，下方0.6m，两侧间距为7.1m。

2 悬臂掘进机施工过程

悬臂掘进机切割断面需要通过移动切割头来完成工作，适用于任何情况的断面型隧洞工程[7]。与全面掘进机相比，悬臂掘进可进行连续工作、无振动和随时对岩石进行支撑的优点，不仅可以避免隧洞工程的超挖现象，也能够减少支撑岩石的支护材料费用。在进行隧洞挖掘之前，首先要测量出挖掘边线，测量方法为利用导向仪器发射出激光来确定边线的位置和范围，在悬臂掘进机准备就绪时即可挖掘施工；将挖掘隧洞过程大致分为清理挖掘区域、测量边线、掘进机开挖、渣料装车、渣料运输、支持工作，并反复进行此流程，直到所要的隧洞形成；悬臂掘进机施工过程中的程序为：掘进机电机、打开首要运输机、打开星轮和打开切割头施工。

当隧洞工程施工需求量较大时，悬臂掘进机的应用较多。施工时从隧洞工程的底部切割出一个导洞，并移动掘进机的位置并确定，然后切割头采取由上到下、两侧循环切割的方法进行施工。在切割过程中遇到较硬的岩石时，其掘进顺序通常为从下至上左右切割；利用晃动的切割机械臂，通过切割头的快速转动来切割周围的岩石，实现周围岩石的挖掘[8]。切割后掉落的石渣会由下方的铲板收集并通过传送带把石渣运送到第一运送车，同时利用第一运送机输送到第二运送车，直至输送到处理石渣的卡车上，最终完成掘进工作。在隧洞掘进时，通常会选用定向仪器进行检测，悬臂掘进机利用巷道的激光点确定位置并进行切割。由于悬臂掘进机的耗电量极大，一般情况下可以达到400kVA，所以在隧洞工程施工时要连接高压电源。此外，依据实际挖掘情况，采取不同的掘进速度，保证悬臂掘进机的安全使用。悬臂掘进机的挖掘过程如图1所示。

图1 悬臂掘进机挖掘过程

悬臂掘进机开挖完成后，在支护阶段先将钢制支撑的上半弧置于切割头上，通过掘进机将其送至隧洞顶部，并且将钢管穿入钢支撑的每个环扣中，进行暂时安装，等到安装完成后再撤回切割头[9]；挂钢网片阶段，把马道板的一部分铺设在切割头上，另一部分则在环扣中穿插钢筋固定，用来支撑马道板[10]。在支撑工作中，工作平台容易搭建、简单方便，缩减了传统支撑技术的搭建时间和运输时间，节省了支撑搭建的成本，有效提升了施工效率和质量。

3 悬臂掘进机应用结果

隧洞入口EZ180悬臂掘进机从开始挖掘，历经5个月共完成420m，其利用二类支撑。EZ140悬臂掘进机则用了3个月共完成350m，其利用六类支撑。六类支撑周围岩石平均挖掘距离为1.6m，二类支撑周围岩石平均挖掘距离为4.8m。在隧洞挖掘初期，在洞口可以发现隧洞地质构造环境较差、断面面积较小、悬臂掘进机操作生疏，同时掘进机仍有自身的不足之处，例如清除渣料的不全面、悬臂掘进机卡链现象频繁出现等因素，导致每天掘进距离只有0.8m，严重延长了施工周期。随着施工的继续进行，操作技术也有所提升，故障发生率也逐渐减少，提高了平均挖掘距离。

隧洞掘进的工作速度受地质构造环境、岩石的完整性、岩石的软硬程度、岩石的抗压强度以及支撑工作的完善等因素的影响。传统掘进机受到这些因素的制约较大，与其相比，悬臂掘进机可以很大地完善掘进过程中的诸多不足，并解决了许多掘进中的实际问题。通过实际应用做了数据的整理和分析，得到了岩石抗压强度与悬臂掘进机掘进速度的关系，如图2所示。由图2可得，随着岩石抗压强大的增大，悬臂掘进机的掘进速度反而随之降低。此外，切割头的切齿的破损程度、切割参数等对掘进速度也有着很大影响；同时对其选择可以按照岩石的抗压强度进行不同的选择，在实际施工中，依据现场需要进行切齿的选用，利用冷却的方式可以大幅降低切齿的损耗程度。切割参数的是指隧洞的切割距离、掘进速度、切割数量，一般情况下对于硬度较小的岩石，其参数设定值较大；反之，对于硬度较大的岩石，其参数设定值则较小。

图2 悬臂掘进机掘进速度与岩石抗压强度的关系

4 结语

在水利水电隧洞工程施工中采用悬臂式掘进机为同类工程施工积累了一些经验，该机械洞挖施工与传统掘进法施工相比较，其施工更安全、掘进速度更快且稳定。悬臂式掘进机施中钢制支撑马道板可使施工平台的搭建更加方便快捷，同时，悬臂掘进机对于周围岩石的破坏较小，能够准确地对隧洞进行挖掘，提高了掘进效率和质量。由于其自身使用简单和安装方便的特点，大幅缩短了工期，使得企业经济效益最大化。但悬臂掘进机在施工中仍存在一些不足，掘进机不易改变开挖直径和形状，地质的适应性也容易受到一定限制，这方面还需要进行深入研究。