悬臂式掘进机隧洞开挖施工技术

程牧春

(广东水电二局股份有限公司，广州 511340)

1 研究背景

湖北恩施车坝河水库引水工程主要为恩施城区提供水源，引水隧洞为城门洞型无压引水隧洞，宽约3.8m，高约4.1m，衬砌后内净空断面为3.0m×3.234m，总长约11.84km，纵坡为-0.1%。隧洞Ⅵ类、V类、Ⅲ类围岩占比分别为20%、65%、15%，节理裂隙发育，岩性变化大，并具有断层破碎带、泥夹层、溶洞溶孔、涌水及滑坡等地质缺陷，岩石硬度在15～60MPa之间，且隧洞沿线民居较多。

传统水工隧洞施工多采用钻爆法，工序复杂繁琐，且安全风险极高，对岩层扰动大，超欠挖难以控制[1-2]。为防止爆破施工对施工范围内居民和建(构)筑物产生不良影响，降低施工风险，保证施工质量，项目人员在充分调研的基础上，采用悬臂式掘进机进行水工隧洞开挖，应用过程中主要存在3个方面的困难：①由于项目地质和周边环境复杂，施工危险性高；②局部洞段围岩硬度高，截齿效率大幅度降低，截齿消耗大；③隧洞单向进尺约2800m，通风排烟困难。

2 施工工艺技术

2.1 超前地质预报

悬臂式掘进机在作业前，利用地质调查、地质素描、TSP探测、地质雷达、超前水平钻探等地质预报技术探测掌子面前方地质情况，确保掘进施工安全。

悬臂式掘进机隧洞开挖工艺流程图，见图1；地质预报计划，见表1；探测方法及频率，见表2。

图1 悬臂式掘进机隧洞开挖工艺流程图

表1 地质预报计划

表2 探测方法及频率

2.2 施工准备

2.2.1 施工用电

根据掘进设备的生产工况要求，采用高压(10kV)电缆进洞，洞内设置移动式变电站供电。洞口处设置高压配电室，高压接入点从系统电接入。

XTR4-230型掘进机运行工作电压为1.14kV，上机电缆采用矿用移动电缆，型号为MYP-0.6/1.14kV-3×70+1×25，为了保证用电质量低压供电半径定为300m内。洞内掘进施工，每个工作面附近配置矿用移动变电站1套，受电设备为掘进机1台。掘进机供电系统示意图，见图2。

图2 掘进机供电系统示意图

2.2.2 通风设备安装

悬臂式掘进机开挖快速、高效，但施工过程中会产生大量粉尘，尤其是在掘进超过600m后。本项目采用常规正压与竖向通风孔联合通风，有效改善了掘进机作业环境。

2×55kW双极对旋式轴流式通风机布置在隧洞工作面入口附近，通风管采用φ800柔性风管向工作面供风。

以加快隧洞内部通风速度，减少有毒有害气体产生的影响，采用型号为XSL7/360的水井钻机在隧洞顶部施打直径为30cm的通风孔(每1.3～1.5km施打一个通风孔)。

2.2.3 施工排水、供水

岩体在潮湿且不稳定状况下，会导致岩体或泥渣料附在切割头上造成切割力的损失、掘进困难，机器自身难以行走，从而导致效率低下，因此要做好施工排水措施。

在隧洞口附近修建高位水池，水池容量20m3，可满足掘进机施工过程中润滑和降尘用水，在掘进机后侧设置了临时集水井，将水抽排到排水沟再集中排放到洞外。

2.2.4 掘进机组装与调试

设备到位后，由厂家人员到隧洞外进行安装后进行整机调试，试运转正常后入洞掘进。

2.3 测量放样

采用全站仪配水准仪进行施工测量。定期检查、复测洞轴线，为后期施工质量提供保障。每开挖、支护20m在洞壁及洞顶进行标记。保证检测点位稳固、隐蔽。将激光导向仪放置于拱顶、拱脚、边壁等处，在使用过程中每隔三天对设备进行检测、校准，避免设备振动及损伤,以保证放样精度,从而保障隧洞的准确贯通。

2.4 掘进机开挖

2.4.1 悬臂式掘进机开挖

启动掘进机后,呈“S”字形从下向上挖掘。掘进时一人操纵掘进机，另一人则作为观察员，保证掘进机，电缆和出渣车的作业。完成底部至顶部切割后对掌子面进行二次修整，以满足所设计截面的要求。

运用多种超前地质预报技术探测掌子面前方隧洞围岩地质情况，根据岩石硬度的变化选择掘进机截齿类型。采购了两种型号的截齿，分别适用于单轴抗压强度15～30MPa(较软岩)，30～60MPa(较硬岩)的围岩。

围岩单轴抗压强度超过60MPa后，截齿开挖能力就迅速下降，截齿的消耗也会迅速增大[3]。悬臂挖掘法施工过程中,当碰到较硬岩石时(岩石单轴抗压强度>>60MPa),，用爆破法辅助施工，降低悬臂掘进机施工的难度及减少截齿的消耗量。把每次爆发药量分为多段微差爆破,使震动爆发峰值降低从而达到减震的目的。钻爆法主要包括掏槽爆破，辅助爆破和周边爆破,掏槽爆破产生的震动是最大的，为控制钻爆法对周边岩层的影响，同时不影响施工进度，具体做法为：在中心核心区域采用悬臂式掘进机掏槽，形成大的临空面，余下的采用控制爆破开挖，有效降低隧洞爆破开挖施工震动，经监测，震动速度(震速<0.1 cm/s)、隧道内拱顶下沉、净空收敛等数据都在规定允许范围内，对周边民居无影响。悬臂式掘进机掏槽示意图，见图3。

图3 悬臂式掘进机掏槽示意图

2.4.2 通风降尘

开挖过程中全程开启柔性风管，使洞室内有害气体的含量降低至安全区域，同时，掘进机还利用自身高压喷射装置实现降尘。如采用局部钻爆法辅助施工，在放炮时停止通风排烟，放炮完毕恢复通风排烟。

2.4.3 出渣运输

自卸车运渣工作与掘进机挖掘施工同步进行。本工程隧洞单个工作面的掘进长度>2km，为保证自卸车通行，每隔150～200m设置1个长20m，宽8.5m的错车洞。

在各项条件正常的情况下，掘进机工作效率为0.8m/h，每天按8h计算，则可达到6.4m/d。

2.5 安全处理

清除危石及碎块，岩面破碎洞段在进行安全处置后，先喷一层3cm厚混凝土后再次进行安全检查及处置。清理已开挖洞段松动岩块。

2.6 支护

隧洞开挖过程中做初期支护，贯通后进行永久衬砌；如遇到特殊洞段，支护措施不利于继续洞挖进尺，则考虑施工局部洞段的永久衬砌。

喷锚支护与掘进施工交替进行作业，Ⅳ、Ⅴ类围岩除喷锚挂网支护外还应配合钢拱架加强支护，必要时还要进行超前支护，确保工作面安全。

2.7 下一循环

在下一个循环开始前，项目人员提前对风、水、电等临时设施运行情况进行检查，确保正常运行后，进行开挖作业。还应特别注意近期供电单位供电情况是否正常，若供电单位有通知停电的情况，及时作出调整，必要时可提前进行发电施工(因多次停电、送电会影响供电配套设施的正常运行)。

3 总 结

1)针对水利工程地质条件复杂，岩性变化大等特点，采用“悬臂式掘进机法为主，钻爆法为辅”的施工技术，避免了隧洞开挖对沿线居民和建筑物的不利影响，提高了施工效率，为隧道施工的质量和安全提供了保障。

2)结合隧洞实际情况，运用多种地质预报技术探测掌子面前方地质情况，根据地质变化选择掘进机截齿类型，为隧洞施工安全提供保障，降低截齿损耗，提高掘进效率。

3)针对特长隧道开挖，提出常规正压与竖向通风孔联合通风，改善悬臂式掘进机作业环境，有利于洞内作业人员职业健康安全。