悬臂式掘进机在泥岩隧洞中的应用

陈京林

摘  要：泥岩隧道的隧洞围岩不稳定，在施工中出于对安全性的考量，不应当使用爆破法施工。此时，可以引入悬臂式掘进机完成施工。基于此，文章以引洮供水工程项目中的某一标段内泥岩隧洞施工为例，在简单说明项目情况与施工背景条件的基础上，从悬臂式掘进机应用的可行性、优化应用措施的选定、安全应用措施的设定这几方面入手，阐述了泥岩隧洞施工中悬臂式掘进机的优化应用，为同类工程施工操作的展开提供参考。

关键词：泥岩隧洞   悬臂式掘进机  施工安全   隧洞施工

Application of Cantilever TBM in Mudstone Tunnel

CHEN Jinglin

（Guangdong NO.2 Hydropower Engineering Co.， Ltd.， Guangzhou， Guangdong  Province， 511340 China）

Abstract： The surrounding rock of mudstone tunnel is unstable. For the sake of safety， blasting method should not be used for construction. At this time， the cantilever TBM can be introduced to complete the construction. Based on this， taking the mudstone tunnel construction in a bid section of Yintao water supply project as an example， on the basis of the brief description of the project situation and construction background conditions， this paper expounds the optimal application of cantilever TBM in mudstone tunnel construction from the aspects of the feasibility of cantilever TBM application， the selection of optimization application measures and the setting of safety application measures， so as to provide reference for the construction operation of similar projects.

Key Words： Mudstone tunnel;Cantilever TBM; Construction safety; Tunnel construction

隧洞施工復杂程度偏高，且受到多种因素的影响，出于对施工现场安全性维护的考量，如果隧洞围岩的稳定性处于较低水平，则必须要选用更为温和的施工方式替代爆破施工，并结合施工实际需求对相应施工方案实施优化设定。

1项目概述

引洮供水工程项目中的某一标段长6416.94m，建设项目主要有隧洞3042.71m;暗渠1642.7m;倒虹吸3306.99m（其中包含11#穿管隧洞段1590.36m）及其他工程。其中，11#隧洞进口控制段，长1590.36m。断面型式为城门洞，纵坡坡比1/36，采用现浇砼衬砌，净断面尺寸宽×高=3.4m×2.7m，洞内架设倒虹吸管道。

本项目中隧洞围岩以砂质泥岩为主，施工重点及施工难点为27+495～28+955.29极不稳定Ⅴ类围岩的隧洞施工。该段围岩水平层状，遇水易泥化，崩解，失水干裂，开挖后自稳性差，有渗水，对隧洞施工安全、质量、进度极为不利。同时，施工工期紧，业主下达任务多，且隧洞围岩不稳定，若使用爆破法施工，将存在极大的安全风险，对隧洞施工安全、质量、进度极为不利。选用掘进机施工可降低安全风险，提高安全系数，对安全有进一步的保障，且在确保安全的情况下能够加快施工进度和提高施工质量。

2泥岩隧洞施工中悬臂式掘进机的优化应用方案设计与实现

2.1 悬臂式掘进机应用的可行性分析

在本泥隧洞项目施工中，悬臂式掘进机应用的可行性主要集中在以下几方面：

第一，根据施工图纸可以了解到，隧洞围岩岩性变化很大，岩石硬度差别大，地质构造多，裂隙发育程度不均，受渗水影响稳定性差，泥化严重，时常出现局部掉块塌落现象，选用掘进机开挖有利于提高施工安全系数，减小在施工过程中对围岩的扰动[1-2]，避免了由爆破震动而造成岩石强度降低、岩石结构松动、岩石局部破裂等不利情况，有利于保护岩体原有的自承能力，不易造成大面积的变形及局部滑塌。

第二，11#隧洞进口控制段长度为1590.36m，而由于施工人员流动性较大，并考量到设备维护等因素，若采用爆破法施工势必会影响整个工程进度，对项目经营带来极大的压力[3]。选用安全、高效的施工设备可提前施工工期，将减少项目经营压力。

第三，悬臂式掘进机在泥岩隧洞中掘进时，因其对电压敏感度高（超过额定电压±5%，设备不能够正常运转和作业）、产生的温度过高、卡链（含水量较大的泥岩）等，导致掘进机在无法正常工作运行[4]，因此，若能解决掘进机电压敏感度、运行时温度过高、卡链等诸多问题，当前设定目标可顺利实现。

2.2 优化应用措施的选定

为确保掘进机正常掘进，并保证可以在较短的时间内解决电压敏感度、温度过高、卡链、人员操作盲区等问题[5]，根据当地条件等各方面的要求，确定出两个优化方案，即对新购的掘进机进行置换、对掘进机相关系统进行优化。同时，对比这两方案的成本、可行性、展开时间等项目，选取对掘进机相关系统进行优化作为本项目悬臂式掘进机的应用方案。在此基础上，对掘进机相关系统进行优化这一方案实施进一步的细化分解，确定出具体的操作措施，主要如下：

2.2.1优化方案的第一级分解与分析

第一，置换掘进机电压系统。在该项操作方案中，主要落实对掘进机电压系统进行置换。整体操作简单程度偏低，成本较高，且不能保证置换后掘进机的正常运行。同时，在进行置换电压系统的过程中，对相关操作人员的技术水平要求表现出较高水平，难以切实满足施工要求。基于这样的情况，在本次施工中不对这一方案予以采用。

第二，调整掘进时间并对降温系统进行改进。在该项操作方案中，主要购买变压器和升压器，调整电压档位，采用增设水箱、液压油箱进行降温，采用布设短钢绞线刷扫槽方式解决卡链。整体操作简单程度较为理想，且成本较低，能够基本满足施工要求。基于这样的情况，在本次施工中对这一方案予以采用。

第三，短进尺、快循环。该项操作方案虽然符合隧洞施工要求，但是不能够很好的发挥掘进机的高效性，并且无法切满足工人正常休息时间。同时，在用电量较高的白天仍然存在电压敏感问题，掘进机施工效率也未达到理想水平。基于这样的情况，在本次施工中不对这一方案予以采用。

2.2.2优化方案的第二级分解与分析

经过上述分析选定调整掘进时间并对降温系统进行改进，对该方案实施二级分解分析，具体包括：

第一，调整掘进时间，即尽量在电压较稳的夜间掘进，并引入变压器和升压器。具体而言，选择在系统电压较为稳定的时段（夜间）进行开挖，同时随着隧洞掘进长度增加，根据电压情况，调整变压器、升压器的档位;布设高压铠装电缆，降低安全风险。整体操作简单，灵活性及实用性较好，安全性理想因此予以采用。

第二，对降温系统进行改进，即增设水箱与液压油箱。原设备采用直通水降温，但会产生较多废水，对于泥岩将会导致底板泥化，采用增设水箱、液压油箱的方式，再使用风冷系统进行降温，稳定设备水温、油温温度，以此确保设备的正常运转[6]。虽然该措施的成效也较为理想，但是相比于上一措施，所产生的成本费用偏高，因此不予采用。

2.3 安全应用措施的设定

为了进一步强化泥岩隧洞施工中悬臂式掘进机应用的安全性，必须要设定高实效性的安全應用措施。在本项目施工中，主要依托对紧急制动措施的设定强化应用安全，具体操作如下：

第一，引入双管路制动系统，并设置空气制动及驻车制动，以此对电机车溜车采取反向制动，加大电机车的牵引力。此时，通过利用空压作用减少制动力;通过增加弹簧作用力进行制动。

第二，引入头尾垂直刹车，在电机车头尾采用垂直钢柱，具体来说，就是在电机车头尾设置垂直钢柱及制动系统。基于这样的情况，能够在电机车溜车时通过制动系统，钢柱直接插到铁轨上面。一般情况下，电机车防溜紧急措施主要在车头部位设置七字钩，但此方法如在本工程实施将会对电机车编组造成一定的影响。因为本工程始发井较小，井口有效距离只有23m长，8.4m宽，所以在实践中选用头尾垂直刹车的措施，在电机车头尾两端设置头尾垂直钢柱。

依托上述优化应用措施的落实，有效解决超大坡度电机车制动失效应急措施的难题，保证工期的同时提升施工现场安全水平，促使泥岩隧洞施工中悬臂式掘进机的应用优势得到最大程度的发挥。

3 结语

综上所述，由于泥岩隧道的隧洞围岩不稳定，因此不适合使用爆破法施工，此时，需要选用掘进机施工，以此促使安全风险下降，提高安全系数，且在确保安全的情况下能够加快施工进度和提高施工质量。施工中，出于促使泥岩隧洞施工中悬臂式掘进机的应用优势得到最大程度发挥的考量，可以调整掘进时间并对降温系统进行改进，同时优化引入双管路制动系统、头尾垂直刹车这些紧急制动措施，保证悬臂式掘进机的应用效果、泥岩隧道施工质量达到最佳。

参考文献

[1]饶霈，陈小松，潘亚辉，等.鄂北地区水资源配置工程复杂环境下浅埋隧洞悬臂式掘进机工法研究[J].水利水电快报，2020，41（11）：25-27，40.

[2]陈聪，王安源，李帅.悬臂式掘进机在三元水电站二期工程发电引水隧洞施工中的应用[J].湖南水利水电，2020（4）：15-18.

[3]胡安静，邓记，胡庆安，等.悬臂式掘进机在穿居民区隧洞中的应用[J].云南水力发电，2019，35（4）：90-92.

[4]唐光雯，王波，王小红.EBZ260悬臂式掘进机在软岩隧洞开挖中的应用[J].四川水力发电，2019，38（4）：19-22.

[5]李卓，宋洋.德罗引水隧洞悬臂式掘进机截割机构技术参数选择研究[J].中国水利，2016（20）：66-67，70.

[6]张玮青，王龙，郑长洲，等.悬臂式掘进机在拉洛工程曲美隧洞开挖中的应用[J].中国水利，2016（20）：71-73.