小断面隧道及其附属大直径深竖井开挖出渣施工技术应用

孙柏坤 于起洋 王秋松 张雷雨

【摘 要】开挖出渣作业是隧道开挖支护施工的重要工序，而隧道施工中经常会遇到竖井，竖井的出渣难度大，其施工效率的高低将直接影响隧道的施工进度，因此采用合理高效的施工方法将对隧道的施工带来有利影响。本文即是通过设备的选型、开挖出渣配套组合技术的研究，在小断面隧道及其附属大直径深竖井中的应用，实现了小断面隧道的快速施工技术，加快了工程进度，提高施工效率。

【关键词】小断面隧道；大直径深竖井；开挖；出渣

1、引言

隧道工程是埋置于地下用于某种特定功能的建筑物。随着国内交通设施建设的范围不断扩大，在铁路、公路、航运、水工、市政及采矿等工程建设领域，均涉及到了大量的隧道工程[1-2]。隧道施工常因某些设计功能、改善通风和加快施工进度等方面的需要，而增加垂直竖井。竖井的出渣难度大、效率低，经常是影响隧道施工效率的关键因素。

本文结合肯尼亚供水隧道1期工程实例，详细介绍了小断面隧道铣挖式扒渣机开挖、洞内有轨运输装渣和运输、竖井双梁门式起重机出渣等配套组合施工技术，通过上述技术的组合，有效提高了隧道的开挖出渣施工效率，為缩短隧道施工工期提供保障。

2、工程概况

肯尼亚供水隧道总长11.712km，纵向坡度0.15%，隧道开挖断面为马蹄型，衬砌后直径为3m，围岩以坚硬的火山碎屑岩为主，在桩号5+503处设计有一座Irati竖井，竖井的直径12m，深49.697m，井底处分上下游两个工作面，上游工作面控制进尺为853m、下游工作面控制进尺为1134m。

3、施工设备选型

隧道开挖出渣设备的选型与设备自身的外形尺寸、工作效率、地质条件、隧道结构设计特点等有直接的关系[3-5]。

3.1开挖设备选型

开挖设备的选型与地质围岩条件息息相关，本隧道围岩条件为坚硬的火山碎屑岩，岩石强度相对较低，因洞内作业环境要求较高，优先考虑电动机械设备。经研究决定，本隧道开挖设备采用ZWY-150/160L型铣挖式扒渣机，扒渣机尾部可配套二运皮带进行渣土运输。

3.2出渣设备选型

洞内运输方式一般可分为有轨式和无轨式，出渣方式的选择与断面尺寸、工作面进尺和施工进度要求等有关。考虑到本项目隧道断面小、洞内作业空间狭窄，错车难度大，决定采用有轨运输方式进行出渣，除特殊路段外，所有的轨道按中心线布置为单线轨道，为保证洞内交通顺畅，提高出渣效率，每隔700m设置一个错车道，以满足出渣作业需要。装渣设备采用5m3渣土运输车，牵引动力设备采用CTY12/6GB型蓄电池式电机车。

竖井的出渣设备选型与场地布置、竖井尺寸、竖井深度等有关，设备的选型难度大。Irati竖井直径较大，深度达50m，选用的出渣设备为25T双梁门式起重机，该类起重机为双梁门式结构，通过轨道运行，轨道端头安装有限位器，通过传感器自动进行限位。

3.3配套施工设备组合形式

经过上述设备选型，最终选定本项目隧道开挖出渣配套设备组合形式为ZWY-150/160L型铣挖式扒渣机+二运皮带+CTY12/6GB型蓄电池式电机车+5m3渣土运输车+25T双梁门式起重机。

4、施工技术要点

4.1施工工艺

铣挖式扒渣机开挖双梁门式起重机出渣施工工艺流程为：设备就位→铣挖式扒渣机开挖→渣土经二运皮带传输→渣土运输车装渣→电机车牵引运输→双梁门式起重机提升→井口卸渣。

4.2主要施工方法

（1）设备就位：扒渣机与二运皮带就位，并确保二运皮带紧随扒渣机前移，多台渣土运输车串联后经电机车牵引至皮带机下方准备装渣。

（2）铣挖式扒渣机开挖：将扒渣机头更换成铣挖头对洞内掌子面岩石进行铣挖和切削，根据测量放样的开挖轮廓线，操作扒渣机铣挖头上下左右移动进行铣挖，将岩石破碎成粉末碎屑状。

（3）出渣及二运皮带传输：铣挖过程中可通过扒渣机履带推进铲取岩石送入自身的刮板输送机，输送机从尾部将渣土卸入二运皮带上，通过二运皮带传输至渣土运输车内，同时可利用反铲挖掘臂扒取远处的岩石，也可以用铲斗来清理工作面。

（4）有轨运输出渣：渣土运输车二运皮带下方等候装渣，当渣土装满后由电机车牵引至竖井井底位置，机车与渣土运输车分离，下放起重机钢丝绳进行渣土车吊装。

（5）双梁门式起重机提升和卸渣：通过回收起重机钢丝绳将渣土车厢吊起，提升至井口卸料平台处，利用起吊轴将渣土车底部勾住，下放起吊装置，使车厢翻转弃渣，弃渣完毕后提升起吊装置至平稳后放入底盘内，如此循环直至完成该循环的开挖出渣作业。

4.3主要技术特点

通过采用上述成套开挖出渣施工技术，具有开挖出渣效率高、安全性能强、洞内无需二次转运等优点。

（1）开挖出渣效率高：铣挖机开挖破岩能力强，可有效缩短洞内开挖时间；起重机安装技术成熟，渣土车及其他设备均可通过龙门吊吊装至井底，且起重机与渣土运输车联合出渣，渣土车单次运输量大、起重机提升能力强、提升速度快，出渣效率明显提高。

（2）安全性能强：起重机自身具有防止失效的安全制动装置（抱闸系统），当出现故障或者起吊过程中出现故障，起重机自身将停止运作，安全方面明显得到保证；起重机为双梁门式结构，结构稳定性强，对恶劣气候条件的抵抗能力强；起重机轨道端头安装位限位器，当轨道运行至端头处，传感器将自动进行限位，安全保障。

（3）洞内无需二次转运：采用双梁门式起重机与渣土运输车联合出渣，洞内由铣挖式扒渣机装渣，将渣土装运至渣土车内，有轨运输机车牵引渣土运输车进行运输，起重机起吊并卸渣至洞口临时堆渣区或自卸车内，洞内无需进行二次转运，提高出渣效率。

5.结论

通过对小断面隧道及其附属大直径深竖井开挖出渣设备进行选型，隧道内采用铣挖式扒渣机开挖有轨运输出渣，竖井采用双梁门式起重机提升的组合形式进行施工，在设备的组合形式和开挖出渣配套技术等方面都进行了创新，提高了施工效率，确保工程施工进度。上述施工技术的成功应用，可为类似工程施工提供借鉴和参考，具有显著的经济和社会效益。

【参考文献】

[1] 张雷雨.小断面隧道有轨联合斜井无轨出渣技术探讨[J]；电力勘测设计，2018（09）：69-73.

[2] 刘宝许，高崇霖，王巍，胡文广.特长公路隧道超大直径深竖井机械化施工技术[J]；筑路机械与施工机械化，2008（05）：17-19，8.

[3] 熊军华.隧道施工中的机械设备配套技术[J]；设备管理与维修，2018（Z1）：98-99.

[4] 钟金洲.高速公路隧道施工中的设备选型配套与经济性分析[J]；黑龙江交通科技，2014，37（01）：155-156.

[5] 徐爱民，尹复辰，郭小红.雪峰山隧道3号竖井天井施工[J]；中南公路工程；2006（06）：131-134.