基于激光投影定位轮廓线的隧道掌子面冷开挖技术

钟磊 申铁军

摘要 隧道施工中，隧道超欠挖直接影响整个隧道施工质量及成本，因此控制隧道超欠挖显得尤为重要。文章研发隧道开挖轮廓线定位装置，提供一种隧道开挖轮廓线连续定位指示装置，以解决采用全站仪放样不能实时连续指示隧道开挖轮廓等问题，避免了二次放样，实现激光投影放样自动化，同时采用改良后的反铲式挖掘机及挖掘机机械臂装置，提高了施工效率。

关键词 激光；定位；掌子面；冷开挖；轮廓线

中图分类号 U455.3文献标识码 A文章编号 2096-8949（2024）06-0104-03

0 引言

使用凿岩台车钻爆法开挖，用钻臂在岩面上进行钻眼，然后装药爆破的一种隧道开挖方法，对于一些特殊区域（如市区，靠近铁路的地区）不允许进行爆破作业，容易受区域限制。不能用钻爆法开挖时，用挖掘机加炮锤进行破碎挖掘的传统作业方法。

1 隧道开挖轮廓线的放样

1.1 全站仪进行隧道轮廓放样的弊端

在实际的施工过程中一般使用全站仪进行隧道轮廓放样，然后使用油漆在掌子面上进行喷涂标记，最后按照喷涂标记的痕迹进行开挖。这样的方法会使得掌子面的标记点在断面修整时被挖掉，而且不能连续指导机械进行断面修整，这样就需要测量人员重新进行标记。不仅费时费力而且在现场重新标记的时候，也不能保证在新的掌子面上的标记点与原有掌子面上的标记点完全一致，进而难以确保在开挖的时候不出现超欠挖的现象。

1.2 激光投影放样开挖轮廓线

相较于传统全站仪放样掌子面开挖轮廓线，此种装置具有放样精准度高、简单实用的特点，可为隧道开挖轮廓线提供连续定位指示。

（1）采用激光投影放样开挖轮廓线，由连接移动滑轮、顶端固定圆盘、激光投影仪3部分组成了激光投影装置[1]。

（2）底端激光投影仪内置装置可通过手机软件进行角度调节。

（3）为掌子面开挖提供精确点位。

2 隧道掌子面冷开挖

（1）不能用钻爆法开挖时，就要用挖掘机加炮锤进行破碎挖掘。

（2）在现有技术中，挖掘机机械臂的斗杆伸缩缸通常设置在动臂的顶端。

（3）通过斗杆伸缩缸牵引斗杆，使斗杆围绕挖掘机动臂与斗杆相互铰接的位置进行旋转以调整挖掘机机械臂，进而将炮锤送至需要破碎挖掘的位置[2]。

（4）在炮锤对隧道的拱顶进行破碎挖掘时，现有技术下的挖掘机机械臂，其斗杆伸缩缸通常会占用挖掘机机械臂上方的空间[3]。

（5）不但限制了挖掘机机械臂的最大仰角，还会导致炮锤难以破碎挖掘钢拱架后的拱顶。

（6）若更换小型挖掘机进行施工，机械臂虽然变短但是挖掘力又严重不足。

（7）为解决此类问题，研究挖掘机新型机械臂装置，将斗杆油缸设置于动臂下方并与斗杆下方进行铰接，以提高其灵活性和确定开挖角度。

（8）采用改良后的反铲式挖掘机及挖掘机机械臂装置进行隧道掌子面冷开挖。

（9）相较于传统机械臂仰角变大也更加灵活，且机械臂的力量也得到了提升。

3 隧道开挖机械臂装置研究

（1）把机械臂动臂与斗杆的长度适当缩减，动力臂增长。

（2）把斗杆油缸设置于动臂下方并与斗杆下方进行铰接。

（3）机械臂的整体灵活性和挖掘力得到提升，不仅大幅提高了隧道掌子面开挖的施工进度，而且降低了施工安全质量风险。

4 先进性分析

（1）此套机械臂装置在不更换挖掘机和不改变施工停机平面的高度的情况下，解决了无法对拱顶进行破碎挖掘的难题。

（2）机械臂的整体灵活性和挖掘力得到提升，不仅大幅提升施工效率还节省了大量人工成本，既达到施工安全、高效的目的，又能保证施工质量。

（3）改良优化的挖掘机机械臂装置在大跨径隧道机械冷开挖中的应用，解决拱顶直接破碎难、作业半径小的问题，加快施工进度，减少成本投入，降低安全隐患。

5 创新性分析

5.1 隧道开挖机械臂装置

该装置应用后可扩展开挖机械作业半径，相比传统挖掘机，新型机械臂装置解决了无法对拱顶进行破碎挖掘的难题。

（1）设计应用了一种新型隧道开挖设备新型机械臂装置。

（2）机械臂的整体灵活性和挖掘力得到了提升。

（3）大幅提高了隧道掌子面开挖的施工进度。

（4）降低了施工安全质量风险。

（5）施工更加灵活，挖掘力更强且不需要人工采用小型机具辅助破碎。

5.2 開挖轮廓线定位装置

为掌子面开挖提供了精确的点位，避免了超欠挖，有效保证了掌子面开挖施工质量。

（1）设计应用一种开挖轮廓线定位装置，相比传统全站仪放样能实现实时精准放样，手机电脑控制自动化，避免超欠挖，更好地控制了开挖精度。

（2）采用激光投影放样开挖轮廓线的方案，并对其加以改进创新，实现了半自动化。

（3）减少频繁使用全站仪放样的时间，加快了施工进度。

（4）底端激光投影仪内置装置可通过手机软件进行角度调节。

6 实例分析

某隧道掌子面原计划采用钻爆法施工，但施工用电均需自发电，经过核算发电费用以及所需柴油费用，见表1、表2。决定改变原方案，采用挖掘机+破碎头（直锤）机械开挖方法施工，具体如下：

（1）采用三台阶开挖法，每个台阶开挖高度控制在4 m以内。

（2）拱部及边墙预留变形量20 cm。

（3）上台阶拱部开挖面角度控制在90 °以内。

（4）开挖前完成轮廓线放样，先行破碎开挖轮廓线处40 cm范围内，从而控制超欠挖情况。

（5）开挖破碎由隧道拱部中线向两侧边墙方向逐渐破碎开挖。

（6）开挖中部预留岩石，从而避免杂乱无章、破碎，影响围岩稳定性，造成安全质量隐患。

（7）开挖面完成后及时进行检测并检查有无侵限欠挖的情况，符合要求后立即进行混凝土初喷。

（8）及时完成初期支护，尽量减少围岩的暴露时间，以避免因长时间暴露引起围岩失稳。

通过上述分析及表1、表2得知，大跨度隧道机械开挖施工工法，能够提高施工效率，减少安全质量隐患，解决了山体短隧道非爆破开挖施工技术难的问题。

7 结束语

综上所述，此施工技术解决了山体短隧道非爆破开挖施工技术难的问题，不但提高了施工效率而且在降低隧道开挖安全质量隐患的同时节约了大量施工成本。

（1）通过施工方案比选、新技术应用、改良机械设备、完善管理制度等措施一步步探索完善隧道机械冷开挖新的施工工艺，总结出了能够达到设计要求的合理的施工方案。

（2）此套机械臂装置在不更换挖掘机和不改变施工停机平面的高度情况下，把普通挖掘机机械臂动臂与斗杆的长度适当缩减，动力臂增长，从而可对拱顶进行破碎挖掘。

（3）机械臂的整体灵活性和挖掘力得到提升，不但大幅提高了隧道掌子面开挖的施工进度，而且降低了施工安全质量风险。

参考文献

[1]李亚飞， 胡文柱， 马永超， 等. 一种隧道开挖轮廓线激光定位装置：CN216246370U[P]. 2022-04-08.

[2]胡文柱， 李亚飞， 杨志， 等. 一种方便使用的道路桥梁工程用防护架：CN211848938U[P]. 2020-11-03.

[3]李亚飞， 胡文柱， 王照威， 等. 挖掘机机械臂及挖掘机：CN215906871U[P]. 2022-02-25.