小断面水工隧洞机械铣挖法施工技术探析

张 彬

(中国水利水电第五工程局有限公司，四川 成都 610066)

1 概 述

重庆市綦江区黄沙水库灌区主要以城镇供水、农业灌溉为主，兼有灌区农村人畜饮水等综合利用功能。青龙咀干渠长1 986 m，其中管道工程长807 m，隧洞长1 179 m,设置分水池1座。大地支渠接青龙咀干渠末端，总长3 863 m，其中生基湾隧洞长1 387 m(内铺设管道)，管道工程长2 476 m。两座隧洞均为城门洞型，高2.95 m，宽2.9 m，断面面积为7.65 m2。

该工程区两条隧洞进出口段地层为T2l中～厚层白云岩、泥质白云岩与泥岩互层，围岩为可溶岩，洞室埋深较浅，岩溶发育，岩体较破碎，存在不利结构面，地下水活动较强烈，围岩不稳定。洞身段地层T3xj为厚层长石石英砂岩夹页岩、砂质泥岩，岩层产状为N52°W/NE∠40°，隧洞走向S74°W，洞线与岩层走向交角为54°，对洞室稳定有利。该洞室埋深较大，节理裂隙较发育，岩体较完整，地下水活动为中等，局部存在软弱结构面，围岩总体基本稳定，局部稳定性差，围岩类别主要以Ⅱ类、Ⅲ类、Ⅳ类为主，局部段存在Ⅴ类围岩。

鉴于悬臂式掘进机能够同时实现剥离围岩、装载运出、机器本身的行走调动以及喷雾除尘等功能，即集切割、装载、运输、行走于一身[1]，而隧洞开挖是该标段施工中的重要环节，直接影响到工程的施工质量、施工进度、生产成本和经济效益，且因该标段临近居民居住区且生基湾出口距离居民楼只有40 m,青龙咀出口及生基湾进口距离民房不到60 m，距离周边公路不到50 m，洞口周围环境复杂，故通过现场调查并综合各种影响因素找出合适的洞挖方式，提高隧洞的开挖效果，达到预期的进度和经济效益目标，合理选择该标段相对应的隧洞开挖施工模式成为重要的一环。最终，通过综合分析，确定洞口段Ⅲ～Ⅴ类围岩范围采用适应洞型的悬臂式掘进机开挖。

2 洞挖方案

掘进机法隧洞施工依然遵循新奥法原理全断面一次性成型开挖，采用出渣车运输，及时封闭开挖面。施工初期支护时做好隧洞的监控量测工作，按监测结果及时调整支护参数和防水与衬砌施工作业时间。洞口进洞浅埋和全隧洞断层破碎地带的穿越遵循“短进尺、及时支护、强支护、早封闭、勤量测”的原则进行施工[2]。

2.1 设备的选型及布置

该工程隧洞的典型截面宽度为2.9 m，高2.95 m。结合该工程地质情况及围岩类别，通过大量调研市场上悬臂式掘进机的规格，相对此类小断面洞型的适应机型较少，主要倾向于徐工集团生产的窄体型设备。最后，通过对机型尺寸、切割动力、出渣效率及维修保养便捷等方面进行对比，选择了三一重工生产的EBZ-132型、徐工集团生产的XTR4/180、 XTR4/230型三种设备，悬臂式掘进机主要技术参数见表1。

表1 悬臂式掘进机主要技术参数表

2.2 施工程序

施工准备→设备就位→掘进开挖(喷雾除尘)→出渣→支护→下一循环。

2.3 施工准备

由于机械开挖相对于钻爆施工在临时工程部署上存在较大区别，特作以下简要说明。

2.3.1 进场道路的布置

通过现有公路可以直接到达工地附近，从现有公路修筑6 m宽混凝土便道即可到达洞口，便于悬臂式掘进机及后期出渣等车辆运输。

2.3.2 供水与排水设施

隧洞施工用水主要为悬臂式掘进机钻头冷却循环用水及混凝土养护用水。掘进机工作状态时用水的作用为冷却和降尘，需使用压力水，供水压力不小于0.3 MPa，用水量小于20 m3/d。因此，需要在隧道洞口处修建体积≥20 m3的水池以满足隧洞内的用水要求。水池内使用两台自动增压泵，采用球阀开关分支连接以确保在其中一台自动增压泵损坏的情况下另一台也能为隧洞供水。

隧洞排水主要为山体集中渗水与洞内涌水。由于该隧洞底板坡比为1/1 000，因此，需在每个洞口设立沉淀池集中排水。

2.3.3 施工供电

隧洞口区域已安装有10 kV高压线路。由于悬臂式掘进机的用电额定电压为1 140 V，故需安装专用变压器，供电电缆使用防爆电缆。

2.3.4 供风及通风

施工供风规划在隧洞进、出口处配置空压机及风机以满足供应隧洞钻孔、排烟及排尘等需求。隧洞工作面施工长度最大为1 367 m，需风量经计算为459 m3/min，因此，最终选择隧洞专用轴流风机SDF(A)-NO6.5(风量：600 m3/min、风压：3 900 Pa、功率：2×22 kW)以满足通风需要。风机布设位置根据掘进进尺调整，风筒悬挂于拱顶处。洞内造孔供风管采用DN100无缝钢管,置于隧洞一侧的墙脚。隧洞施工布置情况见图1。

图1 隧洞施工布置图

3 掘进施工

3.1 掘进作业

掘进机的开挖主要利用截割头上下、左右移动截割出初步断面形状，如此截割获得的断面与实际所需要的形状和尺寸有一定差别，可对其进行二次修整，以达到断面尺寸要求[3]，掘进开挖顺序见图2，切割顺序采用自上而下的方式，特殊切割形式见图3[4]。

一般情况下，采用由下而上、左右截割的方式。当截割较软的岩石时，采用左右循环向上的截割方法。但不论采用哪种方法，一定要尽可能地从下而上截割。当遇到硬岩时，不应勉强截割；对有部分露头硬岩时，应首先截割其周围部分使其坠落；对于大块坠落体，应进行处理后再进行装载。当掘进柱窝时，应将截割头伸到最长位置，同时将铲板降到最低位置向下掘进，在此状态下，将岩体拖拉到铲板附近，以便装载[5]。

图2 掘进开挖顺序图

图3 特殊切割示意图

如果不能熟练自如地操作掘进机，所掘进出的断面形状和尺寸会与所要求的断面存在一定差距。例如，当掘进较软岩壁时，所掘出断面的尺寸往往大于所要求断面的尺寸，会造成掘进时间的延长以及支护材料的浪费。而掘进较硬岩壁时，所掘出断面的尺寸往往小于设计尺寸。因此，一定要要求操作者既要熟练掌握操作技术，又要了解工作面的具体情况。

3.1.1 除尘喷雾

机械铣切过程会产生大量粉尘，因此，如何控制粉尘非常重要。悬臂式掘进机设有喷雾系统，截割作业时，打开控制阀，喷嘴开始喷雾，利用喷雾和风机相结合的双重除尘技术，能够有效改善作业环境。

3.1.2 出渣

悬臂式掘进机掘进、截割岩石后，由其前段装有星轮的铲板通过自带第一运输机将石渣运至掘进机尾部，如果一运长度受限，可视具体情况增加二运系统，直接将渣料输送至出渣车。隧道的出渣可在开挖的同期进行以节省时间。

3.2 掘进作业操作

3.2.1 机械操作顺序

油泵电机 →开动第一运输机→ 开动星轮→ 开动截割头，以此作为开动顺序。当没有必要开动第一运输机时，也可在开动油泵电机后起动截割电机。启动油泵电机时，与其直接相连的油泵随之启动供给液压油。

掘进机设计有履带式行走系统，可前后左右自行。截割头可前后伸缩，伸缩长度可达550 mm，截割过程可左右推进。星轮启动回转集料，铲板上下前后收料，向上抬起铲尖距地面高度可达340 mm，铲板落下与底板相接，铲板可下卧260 mm。截割时，应将铲尖与底板压接，以防止机体振动，前后支撑可自由升降。铲板收料后由星轮回转送料至运输机转动送料。

3.2.2 电气操作

电源开关接通后检查显示屏、电压表和机器周围，如果没有异常情况即可进行开机操作，观察工作现场，待确认不会发生机械和人身事故后方可开机。截割电机启动“报警”信号发出5 s后即可启动截割电机。停机操作顺序原则上与开机顺序相反，也可根据实际情况进行。注意：不允许在不需要紧急停止的情况下利用急停按钮停整机，也不允许利用停油泵电机的方法停止其它电机，停机后，注意切断电源，取下电源开关手柄。

3.3 操作注意事项

(1)启动前，操作者必须检查并确认周围确实安全、顶板的支护可靠，待确认安全后再启动截割头。截割电机启动前，应先打开内喷雾开关以防喷嘴堵塞。启动或停止电机时，一定要完全彻底地避免缓慢微动。

(2)切割时、特别是切割硬岩时会产生较大的振动而造成截齿超前磨损或影响切割效率，一定要使铲板及后支撑接地良好，加强其稳定性，减少振动。操作中发现异常时应停机检查，绝不能超负荷工作。

(3)机器行走时，不允许进行切割，否则会加大切割载荷，造成减速机损坏，绝不能造成掘进机压断电源线[6]的情况出现。在软底板上操作时，应在履带下垫木板(1 至1.5 m 间距)以加强其行走能力。

(4)大块岩体可能卡在本体龙门口处造成第一运输机停止，因此，必须将其击碎成小块。装载时一定要注意对铲板高度进行调整，行走时铲板一定要抬起；设备停止工作时截割头回缩，铲板落地。

(5)检修时必须停电。特别需要注意的是：电源开关上端至电源接线柱停电后其仍然带电，因此，不能随意取下电源接线柱上的护板。若需检修此处，前级馈电开关应停电。

(6)必须定期检查各导线的连接部位是否有松动现象，各防爆部位的紧固螺栓必须紧固。

(7)各电缆引入装置的密封胶圈、金属垫圈，内外接地必须接牢。

(8)检修时不得随意改变电路元器件的型号、规格与参数。

3.4 掘进功效分析

该工程应用了三种规格的悬臂式掘进机开挖设备，相关人员连续6个月对掘进设备的施工效率进行了统计，掘进循环时间统计情况见表2。

由表2中的数据可知：开挖过程是一个系统作业过程，每一个循环均环环相扣，供电、排水、设备故障等均不同程度地影响到掘进进尺。连续6个月时间的统计分析表明：平均每个月有效作业时间只有20 d，平均每班有效作业时间只有4.5～5 h，有效作业时间有限。

4 适应性分析

通过该工程隧洞开挖对悬臂式掘进机的应用，系统分析了此类设备对小断面隧洞的适应性，主要包括以下几个方面。

4.1 洞身尺寸适应性及开挖效果分析

悬臂式掘进机在隧洞开挖中具有较大的灵活性，但对于类似该工程不足8 m2的小断面隧洞，设备选型极度受限，市场能适用的机型较少，设备在洞内的操作空间受限，一旦设备出现较大故障时，洞内检修困难。另外，设备进出洞过程由于洞径较小，必须频繁拆装风筒布而导致占用时间较长。但与已完成的洞型开挖效果比较，该类型设备对洞型控制比较有利，开挖洞型、体型控制到位，开挖整体外观质量较好。

表2 掘进循环时间统计表

4.2 相对安全性分析

选用此类设备开挖安全性能高，尤其对于地质条件较差的部位对比钻爆法开挖，其安全风险较小，避免了因爆破后造成的围岩稳定性差问题，减少了因爆破后造成的有害气体排放时间长等，具有施工用电安全性更高的特点。

4.3 岩石特性适应性分析

该工程掘进机施工部位主要以Ⅲ类、IV类岩体为主。对于埋深较浅、岩石性质为白云岩、泥质白云岩与泥岩互层、页岩及砂质泥岩等中软岩，岩石强度为20～30 MPa左右，掘进效率较高；但对于埋深较大，主要为厚层长石石英砂岩夹页岩，岩石完整性好、裂隙水较强、岩石抗压强度达40 MPa以上的岩石掘进效率降低。由于岩石强度高，掘进过程几乎铣挖成石粉而造成粉尘大，施工环境差。尤其当遇到抗压强度超过60 MPa的岩层，适应此类洞径的设备几乎无法掘进，现场掘进过程造成掘进机设备故障频发、掘进机主轴断裂、截齿及齿座损耗严重，最高为每米进尺更换截齿达14个，设备维修保养时间长，导致必须改变施工工艺。而对于V类围岩，在掘进过程中频繁出现掘进机陷车问题，由于其底板达不到悬臂式掘进机承载力要求，施工过程采取在行走履带下部垫方木、垫工字钢及水泥等加强措施，方能保障设备有效运行。

4.4 渗水影响分析

洞内渗水对于洞身开挖而言是最大的影响因素。究其原因：第一种情况是由于岩石强度高、设备铣挖后岩石磨成细粉与裂隙水形成泥石混合物而造成掘进机出渣困难，掘进机运输系统出料打滑，二运皮带甩料严重，装车困难。同时，在掘进机作业范围形成近20 cm厚的泥石混合物，导致洞内抽排泥浆困难；第二种情况是渣车在掘进机二运皮带下部由于泥浆影响造成频繁陷车，车辆故障率极高，出渣功效降低；第三种情况是在裂隙水及潮湿环境影响下造成设备电路主控系统故障频发并存在维修保养费用高、时间周期长的问题。

4.5 除尘效果影响分析

对于岩石强度高、掘进后粉尘严重、洞内单个风机无法达到及时瞬时除尘效果而造成掘进环境差、作业人员视觉受限、不得不加大喷雾造成积水增加，同时不得不暂停掘进，短时等待排尘，造成掘进不能连续施工、功效降低的问题，通过多次试验研究得知：只有当风机距掌子面在100 m范围内时排尘效果较好，因此，需要增加风机数量，同时在洞内每间隔100 m增加风机通道。另外，由于其采用的是吸风式排尘而造成风机、风筒布内尘土沉积，需定时对其进行清理。

5 结 语

对于小断面水工隧洞，在其外部环境受限、岩石强度低(中、软岩：20～40 MPa)，洞内无渗水或地下水活动轻微时，可选用悬臂式掘进机施工。此类设备工作方式灵活，采用截锥体截割头，其结构简单，较易切出光滑的轮廓。相较于钻爆法施工具有效率高、对岩层扰动少、有利于安全生产等优势。但对于岩石结构完整，尤其是砂岩地层，其裂隙水发育，岩石强度为50 MPa左右时设备掘进能力受限，岩石强度超过60 MPa时掘进困难。因此，在小断面隧洞开挖施工时，需充分分析地质情况，选择合理的施工工艺。