張楠

（徐州徐工基礎(chǔ)工程機(jī)械有限公司，江蘇徐州221600）

0 引 言

國(guó)內(nèi)懸臂掘進(jìn)機(jī)主要應(yīng)用于煤礦井下巷道，少有山體隧道專(zhuān)用的懸臂式掘進(jìn)機(jī)，但各掘進(jìn)機(jī)廠家已陸續(xù)開(kāi)始重視國(guó)內(nèi)山體隧道市場(chǎng)。徐工基礎(chǔ)工程機(jī)械事業(yè)部推出XTR系列山體隧道專(zhuān)用懸臂掘進(jìn)機(jī)，通過(guò)近幾年的推廣使用，積累了大量的懸臂式隧道掘進(jìn)機(jī)的使用經(jīng)驗(yàn)。本文對(duì)懸臂掘進(jìn)機(jī)隧道施工工藝和施工適應(yīng)性研究進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。

1 隧道開(kāi)挖方式對(duì)比

目前國(guó)內(nèi)隧道施工方式主要有兩大類(lèi)[1]：一類(lèi)是盾構(gòu)法施工，這是我國(guó)現(xiàn)有長(zhǎng)距離和大斷面地鐵隧道所采用的形式，用盾構(gòu)機(jī)施工，開(kāi)挖斷面固定，施工成本高，運(yùn)輸組裝不變，適用于長(zhǎng)距離隧道等大型工程；另一類(lèi)是礦山法施工，包括炮掘和懸臂式掘進(jìn)機(jī)施工，國(guó)外使用懸臂式掘進(jìn)機(jī)施工已有幾十年的歷史，安全可控，機(jī)動(dòng)靈活，施工效率高。而國(guó)內(nèi)公路、鐵路、水利等隧道大都依然采用炮采施工，存在尺寸超差不受控、施工危險(xiǎn)、破壞生態(tài)環(huán)境等問(wèn)題，且炸藥管控越來(lái)越嚴(yán)格，成本高，效率低。炮掘、盾構(gòu)、懸臂掘進(jìn)機(jī)隧道施工優(yōu)劣勢(shì)對(duì)比如表1所示。

通過(guò)對(duì)比可看出，隨著懸臂掘進(jìn)機(jī)優(yōu)勢(shì)顯著，應(yīng)用范圍亦逐步擴(kuò)大，懸臂式掘進(jìn)機(jī)將成為未來(lái)國(guó)內(nèi)隧道施工的優(yōu)勢(shì)技術(shù)之一。

2 懸臂掘進(jìn)機(jī)施工工藝簡(jiǎn)介

懸臂式隧道掘進(jìn)機(jī)是集切割、裝運(yùn)、行走等為一體的聯(lián)合掘進(jìn)設(shè)備，通過(guò)機(jī)器前端切割機(jī)構(gòu)的上、下、左、右擺動(dòng)及切割頭旋轉(zhuǎn)破巖，可實(shí)現(xiàn)不同形狀的斷面掘進(jìn)。掘進(jìn)落下的物料通過(guò)鏟板裝至第一運(yùn)輸機(jī)運(yùn)到機(jī)器后方，并通過(guò)皮帶運(yùn)輸機(jī)或挖機(jī)與卡車(chē)配套，將物料運(yùn)至隧道之外?？蓮V泛用于地鐵、礦山、水利等中等隧道全斷面施工[3,5]，也可用于公路、鐵路等大斷面隧道分層施工[2,4]。

表1 隧道開(kāi)挖方式優(yōu)劣勢(shì)對(duì)比

2.1 全斷面開(kāi)挖施工

一面一次成次性開(kāi)挖——斷型（如圖1）。

圖1 全斷面施工

掘進(jìn)機(jī)在前方施工，機(jī)器后方聯(lián)接第二運(yùn)輸機(jī)，掘進(jìn)機(jī)后的渣料通過(guò)第二運(yùn)輸機(jī)掉落于卡車(chē)中，卡車(chē)穿過(guò)支護(hù)臺(tái)車(chē)將渣料排到隧洞外。

當(dāng)掘進(jìn)機(jī)截割完一個(gè)循環(huán)后，掘進(jìn)機(jī)將支護(hù)臺(tái)車(chē)挑到掌子面，工人開(kāi)始支護(hù)噴漿作業(yè)，掘進(jìn)機(jī)后退一定距離停靠于隧道一側(cè)，方便其他車(chē)輛的通過(guò)。

掘進(jìn)機(jī)出渣方式也可以采用挖機(jī)出料代替第二運(yùn)輸機(jī)。

2.2 上下臺(tái)階分層開(kāi)挖施工

分層開(kāi)挖——斷面分上下層（如圖2）。

圖2 分層施工

斷面尺寸較大的隧道，可采用懸臂掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行兩臺(tái)階開(kāi)挖，具體開(kāi)挖步驟如下：

1）上臺(tái)階施工。進(jìn)行上臺(tái)階斷面的掘進(jìn)開(kāi)挖，后方采用挖機(jī)、裝載機(jī)或卡車(chē)直接接料，將割落的渣料運(yùn)至指定位置。采用掘進(jìn)機(jī)施工，可掘進(jìn)、出渣同步作業(yè)。

上臺(tái)階掘進(jìn)一個(gè)循環(huán)（根據(jù)設(shè)計(jì)要求，一般1～3榀拱架）后，掘進(jìn)機(jī)退至后方，支護(hù)臺(tái)車(chē)、噴錨設(shè)備等移至掌子面，進(jìn)行立拱架、噴漿作業(yè)。

支護(hù)完成后，掘進(jìn)機(jī)行至掌子面，再次進(jìn)行上臺(tái)階掘進(jìn)出渣作業(yè)。如此掘進(jìn)出渣、支護(hù)循環(huán)作業(yè)，至上臺(tái)階總進(jìn)尺達(dá)到一定步距后，掘進(jìn)機(jī)退至下臺(tái)階進(jìn)行作業(yè)。

2）下臺(tái)階施工。上臺(tái)階開(kāi)挖后剩余斷面均為下臺(tái)階開(kāi)挖斷面，采用掘進(jìn)機(jī)一次性向前掘進(jìn)至與上臺(tái)階總進(jìn)尺相近的距離。后方采用挖機(jī)、裝載機(jī)或卡車(chē)直接接料，將割落的渣料運(yùn)至指定位置。下臺(tái)階掘進(jìn)時(shí)，支護(hù)臺(tái)車(chē)、噴錨設(shè)備等移至上臺(tái)階掌子面，同步進(jìn)行立拱架、噴漿作業(yè)。下臺(tái)階掘進(jìn)完成時(shí)，需留有傾斜便道，用于懸臂式隧道掘進(jìn)機(jī)行至上層進(jìn)行作業(yè)。

下機(jī)臺(tái)階掘進(jìn)開(kāi)挖完成后，掘進(jìn)通過(guò)傾斜便道行至上臺(tái)階。支護(hù)臺(tái)車(chē)、噴錨設(shè)備等移至下臺(tái)階掌子面，開(kāi)始進(jìn)行立拱架、噴漿作業(yè)。

掘進(jìn)機(jī)行至上臺(tái)階后，再次進(jìn)行上臺(tái)階的掘進(jìn)出渣作業(yè)，如此上下臺(tái)階交替作業(yè)，完成整個(gè)大斷面隧道的開(kāi)挖施工。

掘進(jìn)機(jī)開(kāi)挖循環(huán)流程如圖3所示。

3 懸臂掘進(jìn)機(jī)隧道施工適應(yīng)性研究

3.1 不同巖石工況應(yīng)對(duì)措施

3.1.1 硬巖掘進(jìn)

圖3 掘進(jìn)機(jī)開(kāi)挖循環(huán)流程圖

大面積的無(wú)裂隙巖層，可采取以下方式進(jìn)行施工，提高掘進(jìn)效率、降低截齒損耗：1）采用硬巖截割頭配備硬巖型截齒；2）采用鉆脹掘組合工法，釋放巖石應(yīng)力后掘進(jìn)，實(shí)現(xiàn)塊狀截割。

3.1.2 泥巖掘進(jìn)

采用大螺距螺旋線截割頭坡配備長(zhǎng)型截齒，防止黏泥糊住切割頭。同時(shí)及時(shí)清理截割頭上的黏泥，避免淤泥干燥后硬化，不易清除，影響施工進(jìn)度。

3.1.3 砂巖掘進(jìn)

掘進(jìn)機(jī)砂巖工況施工容易造成截齒磨損，比普通石灰?guī)r磨損快，效率略有降低。施工時(shí)可采用砂巖專(zhuān)用切割頭，必要時(shí)采用低速切割，降低截齒損耗。

相應(yīng)截割頭如圖4所示。

圖4 硬巖截割頭、泥巖截割頭、砂巖截割頭

3.2 超欠挖控制

掘進(jìn)機(jī)超欠挖控制靈活，施工中可采取以下措施提高施工精度：1）使用激光導(dǎo)向儀定位，施工斷面輪廓清晰可見(jiàn)，如圖5所示；2）使用遙控功能，避免盲區(qū)施工。

3.3 掘進(jìn)施工除塵

掘進(jìn)機(jī)開(kāi)挖時(shí)持續(xù)產(chǎn)生粉塵，可采取以下措施改善隧道施工環(huán)境，提高施工整體效率：1）增加抽風(fēng)管道；2）全斷面施工采用機(jī)載除塵方式，如圖6所示；3）大斷面分層施工采用履帶式行走除塵車(chē)進(jìn)行隧道除塵，如圖7所示。

3.4 自動(dòng)卷纜

自動(dòng)卷纜系統(tǒng)，配合整機(jī)行走自動(dòng)卷進(jìn)、卷出電纜，避免人工拖拽電纜，提高工作效率和安全性，如圖8所示。

3.5 挖機(jī)類(lèi)履帶底盤(pán)

挖機(jī)類(lèi)行走底盤(pán)，更適用于隧道內(nèi)路面行走，如圖9所示。

4 XTR6/260懸臂式隧道掘進(jìn)機(jī)應(yīng)用分析

XTR6/260 懸臂式隧道掘進(jìn)機(jī)已成功應(yīng)用于徐州地鐵3號(hào)線銅銅區(qū)間、貴陽(yáng)地鐵1號(hào)線火沙區(qū)間、重慶市政曾家?guī)r隧道、濟(jì)南玉函路地下公路隧道、大瑞鐵路秀嶺隧道、吉爾吉斯南北第二公路隧道等國(guó)內(nèi)外重大工程項(xiàng)目，其在硬巖地層、易塌方地層、溶洞地層等重點(diǎn)難點(diǎn)工程施工中發(fā)揮了重要的作用，主要解決的問(wèn)題如下：

1）以前傳統(tǒng)開(kāi)挖要6個(gè)人，除碴要十幾個(gè)人，而且要在危險(xiǎn)區(qū)作業(yè)，現(xiàn)在只用2個(gè)人操作機(jī)器，危險(xiǎn)區(qū)不用有人，不使用傳統(tǒng)的爆破法開(kāi)挖火工品，消除了傳統(tǒng)的重大事故安全隱患；

2）針對(duì)多變地層施工效率慢的問(wèn)題，攻克了多變低層高效截割問(wèn)題，研究了砂巖、泥巖、大齒座等不同類(lèi)型截割裝置，保證了隧道的高效施工；

圖5 激光定位

圖6 機(jī)載除塵

圖7 自移式隧道除塵車(chē)

圖8 電纜卷纜

圖9 挖機(jī)類(lèi)履帶

3）針對(duì)高溫、含水量大的問(wèn)題，開(kāi)發(fā)了水冷、風(fēng)冷雙系統(tǒng)散熱，保證了設(shè)備的連續(xù)作業(yè)，電控系統(tǒng)防水防潮等級(jí)全面提升，保證了施工安全；

4）針對(duì)粉塵大、環(huán)境惡劣的問(wèn)題，研制濕式振弦除塵風(fēng)機(jī)，風(fēng)量大、除塵效果好，粉塵污染得到有效控制；

5）采用掘進(jìn)機(jī)施工效率比爆破法增加了30%，取得了單月掘進(jìn)130 m的良好成績(jī)；

6）極大降低了對(duì)圍巖的擾動(dòng)，有效防止了隧道塌方，掌子面施工也更加圓順，避免了超挖導(dǎo)致脫空的質(zhì)量隱患。

通過(guò)大量的施工應(yīng)用統(tǒng)計(jì)，XTR6/260懸臂式隧道掘進(jìn)機(jī)在隧道施工中，針對(duì)灰?guī)r不同硬度的截割能力如圖10所示（不同的截割頭及使用的截齒，將導(dǎo)致截齒的損耗量不同，該曲線僅作為參考）。

圖10 施工效率曲線

通過(guò)巖石硬度、切削能力、截齒損耗量的關(guān)系圖可得出：在90 MPa以下的巖石施工時(shí)，XTR6/260懸臂式隧道掘進(jìn)機(jī)施工效率高，截齒損耗少；巖石硬度超過(guò)90 MPa后，施工效率低，截齒損耗將急劇增加。

5 結(jié) 語(yǔ)

懸臂式隧道掘進(jìn)機(jī)是一款專(zhuān)門(mén)針對(duì)地鐵、公路、鐵路、水利等中大斷面隧道設(shè)計(jì)的掘進(jìn)設(shè)備，已成功應(yīng)用于地鐵建設(shè)、城市地下空間建設(shè)、公路、鐵路網(wǎng)建設(shè)等工程中, 主要適用于中軟巖（Ⅲa級(jí)、IV級(jí)、V級(jí)圍巖）施工，希望通過(guò)以上的介紹和分析，能為隧道施工單位懸臂掘進(jìn)機(jī)選型及施工工序的組織提供參考。