水工隧洞悬臂掘进机开挖施工工艺研究

摘""要：万家寨引黄南干线滹沱河连通工程3段隧洞总长8.27"km，各施工点距离居民区均在200"m范围内、岩层倾向与隧洞轴向小角度相交洞顶围岩多呈水平薄层状分布，为避免施工干扰、减少塌方突泥突水等不良地质灾害的发生，所以变更隧洞开挖方案。主要阐述了悬臂掘进机开挖施工工艺与控制措施，采取悬臂掘进机代替传统钻爆法施工，保障了施工安全加快了施工进度降低了工程成本。

关键词：悬臂掘进机"截齿"水平薄层状"砂质泥岩

Research"on"Excavation"Construction"Technology"of"Hydraulic"Tunnel"Cantilever"Roadheader

YAN"wei""WEI"Lihong

Shanxi"Province"Hydrolic"Construction"Engineering"Bureau"Co."Ltd.，"Taiyuan，"Shanxi"Province，"030006，China

Abstract："The"total"length"of"the"three"sections"of"the"Hutuo"River"Connection"Project"on"the"Wanjiazhai"Yellow"River"South"Main"Line"is"8.27"km."Each"construction"site"is"located"within"a"200-meter"radius"of"residential"areas，the"rock"layers"intersect"the"tunnel"axis"at"a"small"angle，"predominantly"displaying"a"horizontal"thin-layer"structure."To"avoid"construction"interference"and"reduce"the"occurrence"of"adverse"geological"disasters"suchnbsp;as"collapses"and"sudden"mud"or"water"inflows，the"tunnel"excavation"strategy"has"been"revised."This"article"mainly"elaborates"on"the"excavation"construction"technologies"and"control"measures"of"cantilever"roadheaders."The"use"of"cantilever"roadheader"instead"of"traditional"drilling"and"blasting"methods"ensures"construction"safety，"accelerates"construction"progress，"and"reduces"project"costs."The"use"of"cantilever"tunneling"machines"instead"of"traditional"drilling"and"blasting"methods"ensures"construction"safety，"accelerates"construction"progress，"and"reduces"project"costs.

Key"Words："Cantilever"roadheader;"Cutter"bits;"Horizontal"thin-layer"structure;"Sandy"mudstone

山西县域小水网及配套工程是打通山西大水网骨干工程“大动脉”末端“毛细血管”的重要措施，覆盖全省线路长地质条件复杂多样，山西县域小水网建筑物多为泵站、管线、引水隧洞。由于引水流量不大，引水隧洞普遍设计为满足机械施工的最小断面，断面一般为城门洞型，断面面积小于20"m2。由于工作面的限制和地质情况的复杂性，隧洞工程一般工期长，是整个引水工程的关键线路，快速、安全的隧洞开挖施工工艺是小水网工程如期完工的有力保障。

1工程概述

万家寨引黄南干线滹沱河连通工程无压洞3段，总长8.27"km，分4个工作面施工，坡度1/1"000～2/1"000，单工作面最长掘进3"km。隧洞开挖断面为城门洞型，Ⅲ类围岩宽3.66"m、高3.72"m，面积12.31"㎡；Ⅳ类围岩宽3.7"m、高3.74"m，面积12.51"㎡；Ⅴ类围岩宽3.88"m、高3.88"m，面积13.59"㎡。

隧洞Ⅲ类围岩段长2.438"km（29.5%），Ⅳ类段长3.617"km（43.7%）、Ⅴ类围岩段长2.215"km（26.8%）。洞身主要穿过三叠系中统二马营组（T2er）灰白色、红色中层中细粒砂岩夹薄层砂质泥岩，岩体较完整，多为软岩～较软岩，洞顶围岩厚度42～71"m；地下水位埋深37～57"m，地下水水位位于洞底以上或附近，存在渗水或线状流水问题。围岩坚固系数f=1.0～3.0（10～30"MPa）。

2"隧洞开挖方案选择

本项目各施工点距离居民区均在200"m范围内，采用钻爆法开挖对附近居民干扰大，容易造成纠纷，阻延工程建设；隧洞围岩均为砂岩或泥岩，岩层倾向与隧洞轴向小角度相交洞顶围岩多呈水平薄层状分布，采用钻爆法开挖易发生塌方，施工效率低，安全隐患大，施工成本高。

悬臂掘进机履带式行走系统的优势如下：对复杂地质条件适应性强[1-2]，特别适宜坚固系数f≤8岩石隧洞开挖；不用炸药等火工品，安全风险小，可连续24"h作业，施工管理可控；开挖和出渣同步施工，在液压电器系统的控制下，完成掘进和出渣作业[3]，每千米隧洞施工可缩短工期3个月，满足工期要求[4]；降低了对周边岩层的震动，有问题可随时停止施工采取支护措施，避免了塌方、突水等次生灾害的发生；开挖成型断面好，超挖量可控，保证施工质量；采取喷雾、通风、抽烟尘等多种措施，保护作业环境。

近年来，悬臂掘进机在煤矿开采领域得到了广泛应用，特别是在隧道掘进施工中的云应用，取得了良好的工程效果，提升了隧道施工安全性、经济性[5]；根据本工程隧洞断面小、软岩等特点，并借鉴前期悬臂掘进机施工经验，本工程采用悬臂掘进机代替传统钻爆法施工开挖隧洞。

3"悬臂掘进机施工工艺

经过多次调研，考虑悬臂掘进机的动力、截割部设计和截齿布置，并结合本项目的断面尺寸和围岩情况，选择确定了EBZ220H悬臂掘进机（功率352"kW）和EBZ280悬臂掘进机（功率451"kW）2种机型施工。

3.1"施工工艺流程

悬臂掘进机隧洞开挖施工工艺流程如下：施工准备→测量放线→开挖掘进及出渣→一次支护→掘进机维修保养→下一循环。

3.2"操作要点

3.2.1"施工准备

（1）施工用水。施工用水主要包括掘进机开挖冷却液压油、切割电机用水、降尘用水以及一次支护用水。主管路采用DN50的塑料管，支管采用DN30塑料管。机械冷却水可以回收重复利用，回水管路采用DN50塑料管。距离太长时进水管上增加增压泵保证进水压力。

（2）施工用电。掘进机用电电压1"140"V，洞外10"kV高压通过专用变压器变至1"140"V，布置MYP-3×70+1×250.66/1.14"kV专用电缆给掘进机供电，当电损变大时，应及时考虑10"kV高压进洞，一般每500～1"000"m倒一次变压器。其他设备施工用电按照水工隧洞施工规范采用380"V/220"V/36"V用电考虑。

（3）施工通风降尘。施工通风降尘主要为掘进机降尘通风，采用2×24"kW风机接DN400波纹管降尘抽风，配置Φ600风筒排至洞外，施工期间每2班人工清理风机附近风筒内积尘；在洞口布置2×24"kW风机送风，配置Φ600风筒至作业面。隧洞超过1"km后增加接力风机保障降尘效果。

3.2.2"测量放线与洞挖控制

隧洞测量每200"m做一个控制点，采用全站仪放出中心与轮廓线，隧洞掘进约30"m后，安装3～5个激光指向仪控制开挖支护尺寸，每班施工前作业人员在掌子面标出轮廓线，每3天测量人员采用全站仪校核激光指向仪避免隧洞轴线偏移，激光指向仪与掌子面距离控制在100"m以内。

3.2.3"开挖掘进及出渣

（1）施工工艺。悬臂掘进机就位后，每循环施工先在断面内挖掘一个窝槽，再内向外按O型依次施工（如遇掌子面节理发育，则应选择节理方向逐步切割[6]，以提高破岩效率降低截齿损坏），逐步切割成初步断面形状[7]，隧洞周边预留30～50"cm，切割成初步断面后进行修边，修边时，切割头及悬臂段最大限度与隧洞周边平行，专人指挥通过2次修整以达到准确的开挖轮廓线。每次进刀深度不超过截割头长度，以0.8"m为宜，掘进机开挖出渣同步作业，在切削的同时，铲板部耙爪将切削下来的渣装入第一运输机，三轮车（或小型四轮车）接料运出洞外弃渣场。

1. 工作安排与人员配置。悬臂掘进机开挖隧洞工作效率4～6"m3/h，每班8"h掘进不小于4"m，每天维保时间约2"h；每个作业面洞内作业人数不少于23人，并根据实际情况增加电工、排水工和修路清泥的杂工等人员。Ⅲ类围岩洞段，每2天安排5班作业，一个班支护，维修保养2"h；Ⅳ类围岩洞段每2天安排4班作业，2个班支护（每天支护），维修保养2"h；Ⅴ类围岩洞段每2天安排2班作业，4个班支护，维修保养2"h。

（3）不良地质洞段施工。涌水涌泥塌方洞段施工采用短进尺、勤支护、快支护方式施工，必要时调整一次支护工序顺序，采用素喷封闭或后打锚杆的方式，确保施工安全；土洞、软岩或强风化岩洞段底板遇水变软，施工过程中导致掘进机沉降，如果洞室围岩稳定，则采用快速通过的方式施工，通过渗水洞段后硬化底板；如果洞室围岩有塌方掉块的情况，则按照涌水涌泥塌方洞段方式施工，施工期间做好引排水工作，采取垫钢板、枕木或其他临时措施保证掘进机正常施工，通过渗水洞段后硬化底板；如果该洞段较长，建议做好地质预报及时变更开挖方式。

3.2.4"一次支护

Ⅲ类围岩喷C20混凝土；Ⅳ类围岩系统锚杆挂网喷C20混凝土；Ⅴ类围岩立拱架系统锚杆挂网喷C20混凝土。

3.2.5"维修保养

每2天给掘进机打1次黄油并检查全机是否存在螺丝松动、漏油，检查是否更换截齿，检查齿座有无裂缝等问题，发现问题及时处理，并专人做好保养记录。

隧洞施工期间，要及时排险，并根据地质预报及时调整施工方案；备足灌浆材料、方木、锯末、氧气袋等应急物资，确保施工安全。

4"材料与设备

悬臂掘进机隧洞开挖用到的主要消耗材料为S135-38-25HT截齿、黄油（截齿根据磨损情况随时更换、每2天打1次黄油），68#抗磨液压油、齿轮油（原则上每半年换1次齿轮油，专人检点如发现油乳化、油脏、缺油及时处理），主要设备为EBZ220H、EBZ280掘进机、三轮车（每个工作面配一台掘进机、四辆三轮车）。

5"控制措施

5.1质量控制

（1）通过安装多个激光指向仪，控制隧洞成型尺寸，增加测量校核频率和2次修边、修边时专人指挥等手段控制开挖尺寸；软岩变形洞段根据变形监测结果预留变形量，保证后期二衬断面尺寸。

（2）施工期间对作业人员进行质量交底，严格执行“三检制度”，上道工序不合规严禁进入下道工序施工；对工队采取重奖轻罚的激励机制，严格控制施工质量。

5.2"安全控制

（1）施工期间严格按照国家法规和相关规范要求施工。

（2）施工期间所有人员正确佩戴好口罩、手套等防护用品；对作业人员进行安全交底，每班组召开安全会，强调施工期间存在的安全风险及应对措施。

（3）掘进前操作人员检查设备情况，是否有刹车失灵、漏油和其他异常情况，如有异常设备马上停止工作检修设备。

（4）掘进期间专人指挥、专人监测及时处理掌子面突发情况，掘进完成及时排险；洞内行使车辆严格控制车速8"km/h以内（会车、弯道、险坡段控制3"km/h），所有车辆倒车时司机必须观察后方是否有人或其他障碍物，确保安全才可倒车。

（5）所有作业人员上下班专车接送，严禁人货同车；所有人员严禁从高于2"m的设备或平台上往下跳，避免脚踝受伤。

（6）保证洞内通信畅通和施工照明，所有作业人员穿反光服，洞内车辆贴反光条并按规定时速行驶，防止机械伤人。

（7）施工用电采用三相五线制并做好闸箱、设备接地，洞内用电设备按照规定严格做好防护警示措施。

（8）增加有经验的带班人员并加强地质预报频次，根据预报结果及时调整施工方案；加密加强洞室变形监测，确保施工安全。

6"结语

滹沱河连通工程采用悬臂掘进机代替钻爆法开挖，使用材料、设备较少，施工可控，无污染影响环境小，平均月进尺达180"m，控制了超挖（超挖≤10"cm），悬臂式掘进机显著提高了施工效率，加快了进度；开挖成本与钻爆法相差不大，但因其高效快速和控制超挖的特点，每千米隧洞施工可缩短工期3个月，超挖量相较于传统钻爆法可减少10%，隧洞节省混凝土约500"m³/km，节省成本约20万元，降低了施工成本。

悬臂掘进机施工工艺适应性强，岩石坚固系数f≤8、小断面隧洞最适宜悬臂掘进机隧洞开挖，大断面隧洞及有保护要求的隧洞也同样适用，类似工程还可重复使用，加之数码雷管取代导爆管带来的成本大幅增加和爆破施工的诸多限制，悬臂掘进机施工工艺对水利行业类似工程具有重大借鉴和推广意义。

参考文献

[1]杨辉斌.悬臂掘进机部分断面掘进法在隧洞开挖施工中的应用[J].水利科技，2021（3）：40-41，65.

[2]王全胜，刘晨光，马超锋.高原铁路隧道悬臂掘进机长距离狭窄斜井进洞方案[J].铁道建筑，2021，61（12）：91-94.

[3]杨超.悬臂式掘进机定向掘进系统的设计[J].机械管理开发，2021，36（10）：8-9，12.

[4]肖瑶.穿越地下水环境敏感区的昆呈隧洞施工组织方案模拟分析[D].成都：成都理工大学，2018.

[5]陈善民，王全胜，辛维克，等.新乌鞘岭隧道软岩大变形悬臂掘进机施工控制技术研究[J].隧道建设（中英文），2022（4）：720-729.

[6]俞飞燕，段鹏昌.悬臂掘进机在水利涉铁施工中的应用：以滇中引水工程昆呈隧洞出口段为例[J].工程技术研究，2022，7（1）：92-95.

[7]林宏，万茂森.悬臂掘进机成套机械化作业线在铁路隧道施工中的应用[J].现代隧道技术，2019，56（2）：188-193，200.