悬臂式掘进机在小断面超长隧道施工中的应用

孙柏坤

(中国葛洲坝集团路桥工程有限公司，湖北 宜昌 443000)

0 引言

在水利水电等基础设施建设领域，经常会涉及到大量的隧道工程。目前，隧道的开挖方式主要有钻爆开挖和机械开挖2 种[1-2]，传统的钻爆法施工受水文地质条件、外部环境和人为因素的影响较大，施工安全性较差，对光面爆破的技术要求高，易出现超欠挖等现象。同时，小断面隧道由于其断面小、作业空间狭窄、施工环境恶劣和平行作业难度大等特点，其施工难度会大幅增加[3-4]。

悬臂式掘进机由于自身的结构优势，具有掘进速度快、适用性强、开挖效率高和对围岩的扰动小等优点，能够适应不同隧道断面、各类地质条件下的隧道开挖作业。本文阐述悬臂式掘进机的工作原理和施工特点，通过合理的施工布置、设备选型、工序安排和现场调度等方式，对悬臂式掘进机开挖技术要点进行分析，总结悬臂式掘进机在小断面超长隧道施工中的应用。

1 工程概况

肯尼亚某供水项目(以下简称“该项目”)位于肯尼亚首都内罗毕北部，是肯尼亚2030 年远景目标项目的重要组成。该项目的施工内容主要包括修建1 条长11.7 km 的马蹄形断面隧道，在隧道沿线的3 条山间河流的河道上修建混凝土分流堰和进水口，通过引水隧道将部分河水引流至内罗毕北部一座大坝内，用于发电、灌溉、供水等多种用途。该项目还包括2 条长度分别为269 m 和617 m 的支洞，以及1 座深度为50 m 的竖井，采用英国的施工技术标准。

根据施工组织设计，该项目在隧道进口和出口各设1 个工作面，2 个支洞和1 个竖井上下游各设1 个工作面，共计8 个工作面同时开挖。出口段为8#工作面，拟采用悬臂式掘进机配合有轨运输的方式进行开挖出渣。8#工作面拟定长度为2 627 m，洞内每隔700 m 设置1 个错车道。8#工作面隧道地质条件以强风化—全风化的火山碎屑岩为主，局部存在软弱岩层地段，岩石强度在5～30 MPa 范围内，开挖断面直径为4.0 m，初期支护采用“250 mm 厚的挂网锚喷+钢拱架”的支护形式，永久衬砌采用250 mm 厚的钢筋混凝土结构，衬砌后直径为3.0 m，如图1 所示。

图1 隧道设计断面形式

2 小断面隧道施工难点分析

该项目为肯尼亚首条超长隧道，开挖断面小，加之采用英国施工技术标准，对隧道施工质量、环境污染、水土流失、生态保护和施工作业环境等方面的要求极高。该项目隧道围岩的地质条件较差，以强风化—全风化的火山碎屑岩为主，Ⅳ类、Ⅴ类围岩的占比达58%，且隧道的埋深较浅，最浅处仅14 m。同时隧道开挖断面小、作业空间狭窄、单工作面开挖进尺长，导致洞内作业环境差、出渣施工效率低。合理选用开挖出渣施工设备组合，将决定隧道的整体施工效率。

小断面隧道作业空间狭窄，大型开挖设备无法满足要求，同时出渣设备的选型也是难题，若采用小型电瓶车出渣，因其单台运输量小，设备投入数量大，洞内狭窄错车会车次数多，对行车安全存在重大隐患。经项目考察和技术论证，悬臂式掘进机在软岩隧道中的开挖效率较高，且可以满足小断面隧道尺寸要求；有轨电瓶车运输配合梭车及自制渣土车出渣，其运输效率高、单台运输量大、出渣车沿轨道行驶，安全性得到很大保障。因此，该项目隧道8#工作面采用悬臂式掘进机开挖有轨运输出渣施工技术，大幅度提高了隧道的开挖出渣施工效率，同时悬臂式掘进机配合有轨运输施工技术的应用，在肯尼亚工程建设尚属首例技术，得到了业主、监理和各界团体协会的一致肯定。

3 主要设备选型

3.1 开挖设备选型

现阶段，小断面隧道开挖主要采用钻爆法和机械开挖法2 种形式，其中机械开挖法包括悬臂式掘进机、盾构机和全断面岩石隧道掘进机(tunnel boring machine，TBM)等。

钻爆法开挖会产生大量的粉尘，对围岩的扰动大，存在很大的安全隐患，对操作人员的钻爆水平要求高，还要根据不同的围岩地质条件调整爆破设计，超欠挖难以控制，整体工作量较大、不经济。

盾构机和TBM 的掘进速度快，开挖、出土和拼装衬砌等过程的自动化程度高、对外界环境的扰动和影响小，但是对于马蹄形断面隧道和多变的地质条件的适用性差。同时，盾构机和TBM 整机设备的购置费昂贵，且肯尼亚当地无相应装备，需从国内采购运输至现场，施工成本高，影响项目经济性。

悬臂式掘进机适用于各类不同地质、不同断面的隧道工程施工，尤其针对围岩强度小于50 MPa 的地层，其掘进速度可达15 m3/h，相较于爆破作业产生的粉尘量少、振动小，设备本身的防尘、吸尘和喷雾等装置有利于改善洞内施工环境，经简单的通风即可达到规范要求的作业条件。另外，采用悬臂式掘进机开挖的洞渣料粒径相对较小且均匀，便于运输和堆放，对周边环境的污染较小。

经上述选型对比，该项目8#工作面掘进开挖采用悬臂式掘进机。

3.2 出渣设备选型

隧道施工的洞内运输方式分为有轨式和无轨式2 种。有轨式运输是在洞内铺设小型钢轨轨道，用轨道式运输车出渣和进料，有轨运输大多采用电瓶车或内燃车牵引，采用斗车或梭式矿车运送石渣，是一种适用性强且较为经济的运输方式；无轨运输则是采用无轨运输车进行出渣和进料。针对该项目实际情况，对二者的优点和缺点进行对比，对比情况见表1 所列。

表1 有轨运输与无轨运输优缺点对比

通过上述出渣设备选型，结合开挖效率、洞内行车安全和施工作业环境等因素，该项目采用有轨运输方式进行出渣，牵引设备采用电瓶车，运渣设备采用梭式矿车和自制出渣车，牵引设备和运渣设备配置比例为1∶5，以满足现场出渣工作的需要。

3.3 供电设备选型

掘进机工作电压为1.14 kV，需采用变压器将电网电压调整至掘进机工作电压。随着隧道掘进深度的加大，电压降损失将会变得越来越大，当电压降过大，不能满足掘进机工作需要时，将实施高压进洞，在隧道洞口处布置1 台升压变压器，将电压升高至10 kV 输送至洞内，在洞内掘进机后面布置1 台降压变压器，将电压降低至掘进机的工作电压，输送给掘进机使用。

4 掘进机施工工艺流程

在已完工初期支护上安装激光导向仪，定位出开挖轮廓线关键点，掘进机采用由下而上“S”形方向，左右切割的方法进行掌子面开挖。同时，第一组电机车和出渣车停在掘进机尾部皮带机下方，掘进机伸出铲板，转动的星轮将渣料输送至掘进机运输机，渣料经运输机、皮带机转运至出渣车内。待出渣车装满渣料，由电机车牵引运输至洞外，停在错车道内的第二组电机车和出渣车行驶至掘进机尾部继续装渣，如此循环作业直至完成该循环进尺开挖出渣施工。

施工初期支护，延伸轨道，进行下一循环开挖出渣施工，在条件允许的情况下，可以加大掌子面和初期支护之间的距离，实现小断面超长隧道开挖出渣和初期支护的平行作业，掘进机开挖有轨运输出渣施工工艺流程如图2 所示。

图2 掘进机开挖有轨运输出渣施工工艺流程图

5 施工技术要点

5.1 洞内辅助设施施工

1)施工供风

在洞口布置22 m3/min 和17 m3/min 的电动空压机各1 台，进行集中供风。高压风管采用φ159×4.5 mm 无缝钢管，安装在隧洞侧墙上，离地高度0.9 m。在端部布置1 个2 m3储风罐，在距掌子面30 m 处主风管端接分风器，用高压软管接至各风动工具。

2)施工通风

洞口配置1 套多级串联风机，洞内每掘进600 m 设置1 台对旋轴流风机，掌子面设置1 台辅助风机进行通风，多级串联风机配套风管采用φ500 mm 正压PVC 波纹管。

3)施工供水

在洞口设1 座高位水箱，利用自来水往高位水箱加水，再由高位水箱自流至工作面，洞内采用φ50 mm 钢管向工作面供水。

4)施工排水

施工废水和洞内渗水采用自流方式至洞外沉淀池内，经沉淀后的水可用于洒水除尘进行循环利用。

洞内风水电等辅助设施的布置详如图3所示。

图3 洞内风水电布置示意图

5.2 掘进机开挖施工

5.2.1 施工测量

在已完工初期支护上安装3 个激光导向仪，其中，2 个安装在侧墙的腰线上，1 个安装在拱顶处。通过激光导向仪定位出开挖轮廓线关键点，作业人员依据关键点操作掘进机进行精准开挖。在直线段上每300～400 m 移动激光导向仪一次，定期用全站仪对激光导向仪进行校准，确保其指示方向准确。

5.2.2 掘进机开挖有轨出渣

1)掘进机开挖

用悬臂式掘进机的切割头向前切割出1 个探洞作为扩挖至设计线的临空面，操作掘进机切割头上下、左右移动切割，先切割出初步断面形状，然后二次修整至设计轮廓断面。掘进机操作室位于机体左侧，修整右侧轮廓断面时操作人员视线存在一定的盲区，须派专人进行指挥，防止超挖。根据实际地质条件，每循环开挖进尺宜控制在2～3 m 范围内。

2)有轨出渣

有轨出渣轨道路线固定、单一，重难点在于现场施工调度。首先对电机车和出渣车进行分组编号，出渣过程中固定各组出渣车的先后次序，不轻易调整改变。在洞挖刚开始时，将第1 组出渣车停在掘进机尾部皮带机下方，第2 组出渣车停在错车道内做好接料准备，第3 组出渣车在洞口处做好准备。当第1 组出渣车装满渣料后即向洞外行驶，当其行驶至错车道时，错车道内的第2 组出渣车行驶至掘进机尾部皮带机下方装渣，当第1 组出渣车出洞后，第3 组出渣车向洞内行驶停放在错车道内，第1 组出渣车卸渣结束后在洞口做好准备，如此循环直至完成该循环进尺开挖出渣作业。

调度过程中执行“进洞车辆让行出洞车辆”的原则，洞内错车道距离宜综合考虑电压降问题，该项目每700 m 设置1 个错车道，错车道内停放1 台移动式变压器。

5.2.3 初期支护施工

该项目采用钢拱架喷混支护。每循环开挖完成后，首先施工5 cm 厚喷射混凝土，挂设一层规格为100 mm×100 mm×5 mm 的钢筋网，然后采用自制简易台架辅助安装钢拱架，最后施工20 cm 厚喷射混凝土，如围岩地质条件允许，可增加最大不支护距离，实现开挖出渣和初期支护之间平行作业。

5.2.4 轨道铺设

初期支护施工完成后，及时延伸轨道，确保有轨运输顺畅。初期支护施工时预埋轨道螺栓，然后浇筑C20 混凝土作为轨道基础，利用螺栓和垫块将轨道固定在混凝土基础上。轨道标准选用18 kg/m 的轻轨，轨距为600 mm，轨道轴线与隧道轴线一致，当开挖至错车道区域时，铺设双线轨道，以提高洞内有轨出渣效率。

6 悬臂式掘进机施工效果

采用上述悬臂式掘进机开挖，配合有轨运输出渣技术，该项目悬臂式掘进机实际应用主要指标见表2 所列。可见，在该项目Ⅳ类围岩地质条件下的月最大进尺为143.2 m，单次循环进尺最大为5.8 m，开挖效率14.47 m3/h，超欠挖量可控制在50 mm 以内。与钻爆法开挖相比，超欠挖比例大幅减少且不会产生任何有毒有害气体，对围岩的扰动小，隧道施工安全性得到有效保障。同时，悬臂式掘进机开挖的噪音值仅为56 dB，洞内空气粉尘浓度为1.85 mg，满足英国标准《Health and safety in tunnelling in the construction industry - Code of practice》(BS 6164: 2019，建筑行业隧道施工的健康和安全实践守则)的要求。

表2 该项目悬臂式掘进机实际应用主要指标

7 结语

根据工程应用情况，小断面超长隧道采用悬臂式掘进机开挖，具有施工效率高、开挖进尺长、超欠挖量少、围岩扰动小、安全性好、环境影响小等优点。有轨运输出渣设备的配合，使得隧洞开挖机械化程度大幅提高，有效保障小断面隧洞的出渣效率和洞内交通运输安全，缩短工程建设整体工期。

随着工业技术的不断发展，悬臂式掘进机的机械性能将大幅提高，在水利水电、市政和矿井等建设领域具有较广泛的应用场景，特别是在小断面软岩隧道中的应用效果良好。