悬臂式掘进机在水工隧洞开挖中的运用和研究

邓 苏

(贵州省水利投资(集团)有限责任公司，贵阳 550000)

1 工程概况

黄家湾水利枢纽工程在我国贵州省安顺市南部紫云县境内，坝址位于珠江流域红水河一级支流格凸河中游河段，为综合利用的水利枢纽工程，主要任务是以城乡生活和工业供水、农业灌溉为主，并结合发电；水库库容为15720万m3，建成后年供水量9321万m3，电站总装机容量为2.4万kW，多年平均发电量为5630万kW·h，工程为Ц等大(2)型工程。

2 隧洞施工条件

文章所述的3条隧洞，为黄家湾水利枢纽工程灌区干渠下坝田2#隧洞、新老院隧洞及楼梯田隧洞，均为城门型无压隧洞，开挖断面尺寸为3.7m×3.9m(宽×高)，其具体施工条件如下：

2.1 下坝田2#隧洞

下坝田2#隧洞穿越一山脊，全长1177m，埋深在7-99.7m之间。整条隧洞围岩主要以砂泥岩为主，围岩类别为Ⅳ-Ⅴ类，地下水中等活跃，围岩自稳性较差。其中，洞室桩号0+273.5m-0+301.5m处于惠兴高速K66+600m的下方，隧洞轴线与高速公路成53°相交，拱顶距离高速公路路面高差仅为53m。综合考虑下坝田2#隧洞下穿高速公路开挖影响范围为洞0+252m-0+344m ，共92m。

2.2 新老院隧洞

隧洞结构为城门型无压洞，洞身全长74.5m，埋深在3.5-14.8m之间，埋深较浅。洞身围岩结构是以砂泥岩为主，呈互层状结构，围岩极不稳定，属于V类围岩结构，成洞条件较差，本洞室不具备爆开挖施工条件。

2.3 楼梯田隧洞

隧洞结构为城门型无压隧洞，洞身全长783m，埋深在3-73m之间，地下水活动轻微至中等。洞身围岩结构以砂泥岩为主，呈互层状结构，围岩极不稳定，属于V类围岩结构，成洞条件较差。 其中，隧洞轴线与惠兴高速公路成71°相交，拱顶距离高速公路路面高差仅为30m。综合考虑，楼梯田隧洞下穿高速公路开挖影响范围为洞 0+618.5m-0+708.5m，共90m。

鉴于上述原因，下坝田2#隧洞、楼梯田隧洞及新老院隧洞局部洞段不能采用常规爆破施工，只能采取冷开挖处理方式。结合工程实际，分析研究后对上述几条隧洞采取了悬臂式掘进机开挖方式，掘进机型号为EBZ260型。

3 EBZ260型悬臂式掘进机简介

悬臂式掘进机早期主要用于煤矿开采，可适用于任何断面开挖，具有连续开挖、无爆破震动及更自由地决定支护围岩的的特点，可对洞室成形更精细控制，减少洞室超挖。文章所述的EBZ260型悬臂式掘进机由煤炭科学研究总院山西煤装备有限公司设计制造，具有整机吨位大、切割硬度高、截齿损耗小、机器稳定性好及除尘效率高等特点[1]。

EBZ260型悬臂式掘进机长12.5m，机高2.19m，机宽3.65m，可掘进宽度6m，最大高度5m，适应于坡度±18°作业条件，开挖岩石硬度在90MP以内，可掘进任意断面形式的洞室，而文章所述的几条隧洞开挖段面均为3.7m×3.9m(宽×高)的城门洞型隧洞，底板坡度为1/1500，围岩主要为Ⅳ-Ⅴ类，技术层面完全具备采用悬臂式掘进机作业条件，其中鉴于洞室结构宽度仅为3.7m(掘进机宽度3.65m)，为满足施工通道需要，对掘进机开挖洞段两侧分别扩挖50cm，开挖断面调整为4.7m×3.9m(宽×高)，以满足现场施工通道需要。

4 悬臂式掘进机进行洞室开挖主要注意事项

针对下坝田2#、新老院等隧洞采取悬臂式掘进机施工，从安全和质量等综合考虑，主要从以下几方面做好控制：

4.1 进口开挖

1)洞口岩石开挖面、边坡均要求加以修整或清除松散和突出岩石，使其处于安全状态。对下坝田1#隧洞和新老院隧洞进出口永久边坡或将要浇混凝土的岩石表面都应采用破碎锤或掘进机冷开挖。

2)洞口开挖必须按施工图纸的开挖线及坡度自上而下分层进行，严禁上下垂直作业。开挖前，应做好开挖范围以外一定范围的危石清理和坡顶排水工作，随着坡面开挖，应做好危石清理、坡面加固、马道开挖及排水等工作，支护及时跟进[2]。

3)进洞前，须对洞脸岩体或衬砌进行鉴定，确认稳定后，方可开挖洞口。

4)隧洞进出口开挖支护及隧洞进行锁口后方能开展隧洞洞身施工。

4.2 隧洞洞身掘进

1)新老院隧洞全洞及下坝田2#隧洞、楼梯田隧洞下穿高速公路影响段开挖均应采用悬臂式掘进机冷开挖技术。针对不同围岩类别、地层结构，施工单位须进行掘进机开挖生产性试验，提出合理的掘进机开挖工艺。

2)悬臂式掘进机在软弱结构面、小断层交汇处、裂隙密集带、挤压破碎带、地下水出活跃围岩中开挖洞室时，宜采用先护后挖或短进尺勤支护措施，并应做好施工排水。

3)悬臂式掘进机开挖在遇较硬岩层时，不宜强行截割，对于有部分露头的硬岩，先截割其周围部分，使其坠落，宜解体后再进行装载[3]。

4)隧洞的岩石表面应予以清除，采用剥离、撬挖等清除开挖线以外的所有松动岩块或破碎岩石。在施工过程中，应经常检查已开挖洞段的围岩稳定情况，清撬可能塌落的松动岩块，以确保进入洞内的人员和设备的安全。

5)隧洞开挖后的岩石开挖面，在进行支护或混凝土衬砌前应用高压水或用高压风清理干净，并清除岩石碎片、尘埃、碎屑和爆破泥粉，以便查清围岩中的软弱结构面，并供地质编录及采取支护措施。清理作业应与开挖进度合理协调，清理面到工作面应保持适当的距离，一般要求10-15m。

6)隧洞平交口的开挖：应先期进行锁口等必要的安全支护，以确保洞口围岩稳定。

平交口开挖应按照短进尺、勤支护的原则施工；平交口支护应紧跟开挖作业面，根据开挖揭露的地质条件，采用长锚杆、钢筋网喷混凝土、钢支撑、混凝土衬砌等方式进行安全支护，支护范围要大于平交口应力影响区域(一般平交口弧线外6m左右)。平交口施工应尽量减小对主洞运行的影响[4]。质点振动速度满足规范的要求。平交口施工过程中，根据具体情况进行必要的安全监测，根据监测数据分析成果，指导开挖、支护。

7)超前地质预报：根据开挖揭露地质条件，依托现代高科技手段，必要时合理利用地质雷达进行探测，以便提前做好不良地质条件应对处置。

8)洞室开挖过程中，底板预留50cm左右保护层，同时因掘进机切割头为圆形，边墙与底板相交处不能形成直角，需后期采取人工进行开挖成型。

5 施工成效分析和研究

5.1 洞室掘进前生产性试验

根据EBZ260型悬臂式掘进机钻头施工特性，其钻头只能掘进岩石硬度<90MP的岩体，为确保现场施工顺利进行，施工时要求施工单位在楼梯田隧洞起始开挖段面开展了生产性试验，具体如下：

施工单位在楼梯田隧洞起始掘进断面0+618.5m取3组围岩芯样进行抗压试验，其值分别为51MP、55MP、59MP，平均强度约55MPa，根据掌子面围岩完整程度，判定为Ⅳ类围岩。现场生产性试验掘进进尺统计表明，在围岩强度约50-70MP时，掘进机每循环进尺为1.5m，其用时仅为2h左右，施工效率较高，其中有0.5h主要用在洞室体型修整控制。

5.2 施工进度分析

楼梯田隧洞掘进机开挖洞段长90m，实际掘进机2019年5月1日进场，2019年6月25日完成施工，共56天。其中，2019年5月15日-2019年5月31日，其中由于地质缺陷原因出现塌方溶腔致使处理溶腔17天，大部分洞段为Ⅴ类围岩，其支护形式需采取工字钢加强支护，大大加长了支护工序时间，因地质缺陷原因降低了掘进机施工效率。

新老院隧洞全长74.5m，2019年7月16日-2019年8月26日完成施工，总历时41d。其中，2019年8月4日-2019年8月17日掘进机施工遭遇完整性较好砂岩，通过现场试验其强度高达100MP左右(超出掘进机有效开挖强度范围)，历时14d仅完成约10m进尺，施工效率降低，其间掘进机钻头和钻杆消耗较大，成本相对较高。

从上述施工进度分析和统计来看，掘进机施工进度最有利条件为围岩强度在40MP-70MP范围，完整性相对较好的Ⅳ类围岩时，施工效率较高，理想情况下单日施工进尺可达到5-6m。同时鉴于水利工程隧洞开挖地质条件复杂性和不可预见性，局部洞段可能出现硬度较高的围岩，使用掘进机时需提前备好钻头和钻杆等易损配件，最大限度减小易损备品备件更换对工程建设造成的影响。

5.3 施工质量控制情况

通过对上述3条已完成掘进施工的洞室质量检查，通过对掘进开挖段超欠挖及洞轴线测量复核，未发现欠挖情况，超挖均未超过10cm，满足设计及规范要求“超挖不超过20cm”，隧洞轴线偏差<3cm，满足设计及规范要求“偏差值<5cm”。掘进机开挖未损害岩体的完整性，开挖面无明显裂隙，洞室壁面上无残留的松动岩块和可能塌落危石碎块，满足设计及规范要求。

掘进机开挖有效提升了洞室体型开挖质量，为支护质量提供了可靠的保障。洞室开挖面比较平顺，钢架紧贴岩面，安装尺寸、垂直度、间距均满足设计及规范要求。有效减小了后续洞室混凝土衬砌超填工程量，降低了施工单位成本。

6 结 论

通过本次黄家湾水利枢纽工程隧道工程施工分析和研究，在不同隧洞开挖工作中，通过前期的地质条件勘查和分析，采取了针对性水工隧洞开挖方式，使用悬臂式掘进机所表现出的掘进工作效果非常明显，提高了系统工程的开发工作效率和稳定性。后续，在围岩硬度40MP-70MP且完整性相对较好的Ⅳ类围岩可大范围推广使用，能有效缩短洞室开挖施工工期，有效控制洞室开超挖增加的混凝土回填工程量。此外，鉴于水利工程地质复杂性，前期勘探深度一定程度上不能完全满足现场施工要求，若遇到围岩硬度大于90MP时，可采用局部小药量爆破辅助掘进机施工，可大大提高施工效率。悬臂式掘进机在黄家湾水利枢纽工程水工隧洞开挖中的运用经验累积，为后续同类型条件下水工隧洞开挖提供了借鉴依据。