代洪森

（中鐵十八局集團(tuán)第二工程有限公司， 河北 唐山 064000）

受惠于科技的深度發(fā)展，各類(lèi)特殊化機(jī)械設(shè)備被廣泛應(yīng)用于工程項(xiàng)目中，諸如時(shí)下較為流行的懸臂式掘進(jìn)機(jī)、全斷面掘進(jìn)機(jī)等，在各類(lèi)設(shè)備的輔助下實(shí)現(xiàn)了工程的自動(dòng)化施工。在部分全硬巖巷道施工過(guò)程中，雖然鉆爆破巖掘進(jìn)機(jī)被廣泛應(yīng)用，但其帶來(lái)的施工效果相對(duì)較差；而懸臂式掘進(jìn)機(jī)設(shè)備的可行性更高，帶來(lái)的施工效率較為理想。

1 工程概況

在本文所探討的隧道工程中，其對(duì)應(yīng)里程范圍為YDK129+366～YDK34+970，其中涉及到IV、V 級(jí)圍巖，對(duì)應(yīng)總長(zhǎng)為5.604km。依據(jù)工程設(shè)計(jì)方案，項(xiàng)目需要進(jìn)行大量的開(kāi)挖施工，最大埋深達(dá)到435m。

2 懸臂式掘進(jìn)機(jī)施工優(yōu)點(diǎn)

（1）質(zhì)量層面?；跈C(jī)械掘進(jìn)的方式可以提升成洞的圓順度，一方面提升了隧道斷面質(zhì)量，另一方面則為后續(xù)初期支護(hù)噴錨施工創(chuàng)設(shè)了良好的條件，提升初期支護(hù)質(zhì)量。

（2）進(jìn)度層面。當(dāng)引入懸臂式掘進(jìn)機(jī)施工后，該設(shè)備可以兼并完成切削、裝渣以及運(yùn)輸?shù)榷鄠€(gè)環(huán)節(jié)的施工，因此掘進(jìn)施工連續(xù)性好，對(duì)不同地質(zhì)條件均具有良好的適應(yīng)能力。由于懸臂式掘進(jìn)機(jī)的配套功能較多，當(dāng)施工出現(xiàn)意外時(shí)，可以在調(diào)整方案后隨即投入使用。

3 配置懸臂掘進(jìn)機(jī)的現(xiàn)實(shí)要求及選型

隧道工程在施工中極容易出現(xiàn)工程事故，其中以隧道爆破最為明顯。一例例慘痛的教訓(xùn)警醒相關(guān)人員有必要對(duì)開(kāi)挖爆破進(jìn)行針對(duì)性研究，由此提出可行的技術(shù)方案，減少人員傷亡情況，為隧道施工營(yíng)造足夠安全、穩(wěn)定的環(huán)境。

就本文所論述的工程項(xiàng)目而言，存在大量的隧道病害，若采用傳統(tǒng)的控爆方法容易對(duì)圍巖的穩(wěn)定性造成影響，從而對(duì)既有行車(chē)造成干擾。同時(shí)，隧道爆破施工所帶來(lái)的難度較大，若控制工作不到位易引發(fā)工人誤工、質(zhì)量欠佳等問(wèn)題，對(duì)施工生產(chǎn)進(jìn)度造成嚴(yán)重影響。

對(duì)此，項(xiàng)目部在施工工藝上做出了大量的創(chuàng)新，充分考慮到地質(zhì)、水文以及斷面等因素，對(duì)設(shè)備提出了如下要求[1]：（1）所能施工的寬度以3.2m 為宜，同時(shí)高度應(yīng)達(dá)到4.5m，由此確保襯砌臺(tái)車(chē)順利通過(guò)；（2）要求定位切割高度＞5.6m，定位切割寬度＞6.0m；（3）在進(jìn)行巖體切割作業(yè)時(shí)，其單向抗壓強(qiáng)度應(yīng)＞80MPa；（4）設(shè)備能夠順利在±15°的坡上作業(yè)；（5）設(shè)備應(yīng)具有出渣、運(yùn)渣等一體化功能；（6）在施工過(guò)程中可以進(jìn)行自動(dòng)化除塵操作。

基于以上條件，對(duì)行業(yè)內(nèi)可行的集中設(shè)備進(jìn)行對(duì)比分析，最終選定為STR260型懸臂掘進(jìn)機(jī)，其在運(yùn)行過(guò)程中對(duì)圍巖的擾動(dòng)較為微弱，可以顯著緩解對(duì)既有病害的振動(dòng)現(xiàn)象，并擺脫了傳統(tǒng)方式下受振動(dòng)速度束縛的弊端。

4 懸臂掘進(jìn)機(jī)隧道開(kāi)挖工藝

4.1 懸臂掘進(jìn)機(jī)前期配置

從設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)層面考慮，其使用到的是1140V 高壓電，因此需要準(zhǔn)備1000kV·A 相變電壓，確保電纜長(zhǎng)度，同時(shí)做好水管等器件的準(zhǔn)備工作。

4.2 懸臂掘進(jìn)機(jī)長(zhǎng)臺(tái)階法開(kāi)挖工藝

以懸臂掘進(jìn)機(jī)為基礎(chǔ)，引入了長(zhǎng)臺(tái)階開(kāi)挖法，具體涉及到上下臺(tái)階兩大部分，上臺(tái)階高度達(dá)6.2m，而下臺(tái)階高度相對(duì)較短，為2.65m，具體的開(kāi)挖施工圖如圖1所示。

圖1 開(kāi)挖施工圖（①、②為開(kāi)挖部位）

開(kāi)挖部位①的工作內(nèi)容：（1）利用掘進(jìn)機(jī)設(shè)備進(jìn)行①區(qū)域開(kāi)挖作業(yè)；（2）對(duì)①區(qū)域設(shè)置初期支護(hù)結(jié)構(gòu)：噴射混凝土、設(shè)置錨桿鋼筋網(wǎng)、搭設(shè)拱部鋼架，最后再次進(jìn)行混凝土噴射，使其達(dá)到設(shè)計(jì)厚度要求；（3）在上述基礎(chǔ)上進(jìn)行下一個(gè)循環(huán)的超前支護(hù)施工。

開(kāi)挖部位②的工作內(nèi)容：（1）利用掘進(jìn)機(jī)設(shè)備進(jìn)行②區(qū)域開(kāi)挖作業(yè)；（2）對(duì)②區(qū)域設(shè)置初期支護(hù)結(jié)構(gòu)：噴射混凝土、設(shè)置錨桿鋼筋網(wǎng)、搭設(shè)拱部鋼架，最后再次進(jìn)行混凝土噴射，使其達(dá)到設(shè)計(jì)厚度要求；（3）對(duì)隧道底部進(jìn)行初期支護(hù)作業(yè)。

對(duì)此，本文則重點(diǎn)圍繞Ⅳ級(jí)圍巖施工展開(kāi)探討，其可細(xì)分為兩大部分，具體內(nèi)容如下：

（1）上臺(tái)階開(kāi)挖。利用掘進(jìn)機(jī)設(shè)備對(duì)掌子面進(jìn)行切割處理，而后將所得渣運(yùn)輸至指定區(qū)域，單次開(kāi)挖以2 榀為宜。

（2）當(dāng)結(jié)束上臺(tái)階開(kāi)挖施工后，在懸臂掘進(jìn)機(jī)的作用下移動(dòng)立架，從而將其移至掌子面區(qū)域，掘進(jìn)機(jī)應(yīng)移動(dòng)至下臺(tái)階處展開(kāi)開(kāi)挖作業(yè)，單次開(kāi)挖以3 榀為宜。

4.3 懸臂掘進(jìn)機(jī)開(kāi)挖切割線路

需要注意的是，當(dāng)掘進(jìn)機(jī)在上臺(tái)階處進(jìn)行開(kāi)挖作業(yè)時(shí)，需要遵循水平S 形分層的原則施工，并在隧道周邊區(qū)域預(yù)留30cm，此區(qū)域暫時(shí)不進(jìn)行開(kāi)挖作業(yè)；待完成中部開(kāi)挖作業(yè)后，需要對(duì)所得的輪廓做以修整處理，在此過(guò)程中應(yīng)安排1 名技術(shù)人員測(cè)量超欠挖情況[2]。

5 懸臂掘進(jìn)機(jī)開(kāi)挖與傳統(tǒng)鉆爆法開(kāi)挖對(duì)比

5.1 勞動(dòng)力、施工機(jī)械配置比較

當(dāng)引入懸臂掘進(jìn)機(jī)設(shè)備后，將會(huì)減少8 名人員的施工作業(yè)，相比之下人員投入率下降了133%之多。此外，所需的配套機(jī)械設(shè)備數(shù)量較少，大幅縮短了各類(lèi)機(jī)械的交叉作業(yè)時(shí)間。

5.2 開(kāi)挖工效比較

當(dāng)巖石硬度發(fā)生改變后，對(duì)應(yīng)的懸臂掘進(jìn)機(jī)施工效率也將受到影響。當(dāng)巖石強(qiáng)度為60MPa 時(shí)，采用懸臂掘進(jìn)機(jī)所帶來(lái)的施工效率較為良好，相比于傳統(tǒng)鉆爆開(kāi)挖施工而言縮減了2.75h 的施工時(shí)間，因此施工效率得到了大幅提升，為后續(xù)施工環(huán)節(jié)爭(zhēng)取了更多時(shí)間。

5.3 開(kāi)挖成本比較

相比于傳統(tǒng)方式下的鉆爆法而言，懸臂掘進(jìn)機(jī)具有更良好的經(jīng)濟(jì)效益，每立方米所節(jié)省的費(fèi)用達(dá)到了16 元。

5.4 超欠挖比較

若采用傳統(tǒng)鉆爆方式施工，受掌子面圍巖強(qiáng)度較大的影響，對(duì)于II、III 類(lèi)圍巖而言所帶來(lái)的超欠挖量可以達(dá)到10cm；而伴隨著地質(zhì)條件復(fù)雜度的增加，在對(duì)IV、V 類(lèi)圍巖施工時(shí)，再次加大了超欠挖控制難度，此時(shí)將會(huì)達(dá)到15cm，在部分特殊情況下產(chǎn)生的超欠挖量甚至高達(dá)50cm。當(dāng)使用懸臂掘進(jìn)機(jī)設(shè)備后，加之激光指向儀的指導(dǎo)作用，可以大幅提升隧道掘進(jìn)效率，縮短施工所需時(shí)間；在進(jìn)行輪廓修整施工時(shí)應(yīng)引入專(zhuān)員指導(dǎo)，由此提升隧道輪廓線的精確性，通常情況下可以控制在5cm 水平。

在進(jìn)行上臺(tái)階開(kāi)挖作業(yè)時(shí)，單次循環(huán)以2 榀為宜，帶來(lái)的開(kāi)挖量達(dá)到了77.01m3，超挖量為3.08m3，以上述兩大數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)可以得知超挖占比為3.9%，相比于傳統(tǒng)方式而言控制效果得到了明顯改善。從成本角度考慮，每米節(jié)省的費(fèi)用可以達(dá)到1000 元。

6 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，伴隨著隧道工程規(guī)模的持續(xù)擴(kuò)大，機(jī)械化施工已經(jīng)成為行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)，在此背景下，需要提升對(duì)機(jī)械化施工的創(chuàng)新水平，為隧道施工營(yíng)造一個(gè)足夠安全、穩(wěn)定的環(huán)境。