李守良

（中鐵十九局集團(tuán)第五工程有限公司，遼寧大連 116100）

1 隧道開(kāi)挖方式與傳統(tǒng)開(kāi)挖對(duì)比

當(dāng)前國(guó)內(nèi)隧道開(kāi)挖主要包含兩大主流方式：盾構(gòu)法隧道施工和礦山法隧道施工，礦山法隧道施工又包括懸臂掘進(jìn)機(jī)施工和鉆爆法施工[2]。

1.1 盾構(gòu)法隧道施工

盾構(gòu)法隧道施工方式主要應(yīng)用于大斷面、長(zhǎng)距離的地下交通隧道的施工，盾構(gòu)法隧道施工的優(yōu)勢(shì)是施工效率高、掘進(jìn)一體化程度高、適用于大型的大斷面、長(zhǎng)距離隧道開(kāi)挖施工[3]。缺點(diǎn)是設(shè)備應(yīng)用成本高，開(kāi)挖斷面固定、靈活適應(yīng)性差，設(shè)備安裝和運(yùn)輸不便利，施工工藝相對(duì)繁瑣。

1.2 鉆爆法隧道施工

鉆爆法隧道施工的優(yōu)勢(shì)是施工工藝相對(duì)成熟，針對(duì)硬巖的開(kāi)挖成本低，大斷面隧道施工效率高，主要應(yīng)用于水利、鐵路、公路等隧道施工建設(shè)。缺點(diǎn)是施工危險(xiǎn)系數(shù)高，施工超差尺寸不可控，易對(duì)生態(tài)環(huán)境造成破壞，而且隨著爆破炸藥管控的越發(fā)嚴(yán)格，施工成本隨之增加，效率降低。

1.3 懸臂式掘進(jìn)機(jī)隧道施工

懸臂式掘進(jìn)機(jī)隧道施工靈活機(jī)動(dòng)、可靠性強(qiáng)、開(kāi)挖效率高，既能夠?qū)崿F(xiàn)隧道周?chē)泿r的剝離、隧道土渣裝運(yùn)，還能實(shí)現(xiàn)設(shè)備自身的移動(dòng)及隧道開(kāi)挖時(shí)的噴水降塵，隧洞不間斷開(kāi)挖的同時(shí)，保證開(kāi)挖過(guò)程不會(huì)產(chǎn)生爆破及振動(dòng)。

相比于盾構(gòu)法隧道施工和鉆爆法隧道施工，懸臂式掘進(jìn)機(jī)隧道施工優(yōu)勢(shì)較明顯，隨著應(yīng)用水平的提高和應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，懸臂式掘進(jìn)機(jī)隧道施工將在未來(lái)的隧道施工中更具優(yōu)勢(shì)。

2 懸臂掘進(jìn)機(jī)隧道挖掘施工工藝概述

懸臂式掘進(jìn)機(jī)應(yīng)用于隧道開(kāi)挖時(shí)，是集合隧道挖掘的切割、裝卸、運(yùn)送等功能于一身的綜合性隧道開(kāi)挖設(shè)備，通過(guò)設(shè)備前方的切割設(shè)備的左、右、上、下切割裝置的有效運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道周?chē)泿r的剝離，形成不同情況的斷面挖掘。

2.1 不同臺(tái)階下的懸臂式掘進(jìn)機(jī)分層開(kāi)挖施工

針對(duì)較大斷面的隧道開(kāi)挖施工，應(yīng)利用多懸臂式掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行不同臺(tái)階上下斷面分層的開(kāi)挖施工，通過(guò)如下實(shí)施步驟進(jìn)行。

（1）上斷面施工。在進(jìn)行上斷面多懸臂式掘進(jìn)機(jī)開(kāi)挖施工時(shí)，多懸臂式掘進(jìn)機(jī)后側(cè)通過(guò)挖掘機(jī)及運(yùn)輸車(chē)直接接收廢土，并將剝落的廢土運(yùn)送至指定區(qū)域。在上斷面掘進(jìn)施工完成一次循環(huán)后（通常為1～3 榀拱架的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)），懸臂式掘進(jìn)機(jī)移動(dòng)至后側(cè)，將噴錨設(shè)備及支護(hù)臺(tái)車(chē)駛進(jìn)撐子面區(qū)域，進(jìn)行噴漿和立拱架操作。完成支護(hù)操作后，懸臂式掘進(jìn)機(jī)移動(dòng)至撐子面區(qū)域繼續(xù)完成上斷面的掘進(jìn)及殘土出渣施工。

（2）下斷面施工。除上斷面掘進(jìn)開(kāi)挖施工以外的斷面均稱(chēng)為下斷面，通過(guò)多懸臂式掘進(jìn)機(jī)一次掘進(jìn)開(kāi)挖至同上斷面步距近似相同的距離，掘進(jìn)機(jī)后側(cè)通過(guò)挖掘機(jī)及運(yùn)輸車(chē)直接接收廢土，并將剝落的廢土運(yùn)送至指定區(qū)域。下斷面掘進(jìn)施工時(shí)，將噴錨設(shè)備及支護(hù)臺(tái)車(chē)駛進(jìn)上斷面撐子面區(qū)域，進(jìn)行同時(shí)立拱架及噴漿施工。在下斷面掘進(jìn)施工完畢后，應(yīng)留置傾斜行駛通道，以方便多懸臂式掘進(jìn)機(jī)移動(dòng)至上斷面施工。然后多懸臂式掘進(jìn)機(jī)經(jīng)過(guò)傾斜行駛通道移動(dòng)至上斷面區(qū)域，并將噴錨設(shè)備及支護(hù)臺(tái)車(chē)駛進(jìn)下斷面，進(jìn)行噴漿和立拱架操作。

經(jīng)過(guò)如此上下斷面往復(fù)交替施工，實(shí)現(xiàn)完成大斷面隧道的整體開(kāi)挖施工。圖1 為不同臺(tái)階上下斷面分層的懸臂式掘進(jìn)機(jī)開(kāi)挖施工圖。

圖1 分層開(kāi)挖施工

2.2 全斷面下的懸臂式掘進(jìn)機(jī)開(kāi)挖施工

在多懸臂式掘進(jìn)機(jī)在前側(cè)施工時(shí)，設(shè)備后側(cè)連接運(yùn)輸機(jī)進(jìn)行殘土出渣操作，多懸臂式掘進(jìn)機(jī)剝落的殘土渣料利用運(yùn)輸機(jī)設(shè)備輸送至后側(cè)卡車(chē)中，再通過(guò)卡車(chē)穿過(guò)支護(hù)臺(tái)將殘土渣料送至指定收納位置。當(dāng)多懸臂式掘進(jìn)機(jī)完成一次循環(huán)施工后，多懸臂式掘進(jìn)機(jī)將支護(hù)臺(tái)設(shè)備車(chē)送至撐子面位置，進(jìn)行人工噴漿支護(hù)施工操作，多懸臂式掘進(jìn)機(jī)退至隧道另一側(cè)的特定位置，以便于其他施工車(chē)輛繼續(xù)作業(yè)。全斷面下的懸臂式掘進(jìn)機(jī)開(kāi)挖施工的殘土出渣操作也可通過(guò)挖掘機(jī)代替運(yùn)輸機(jī)完成。如圖2 為全斷面一次成形懸臂式掘進(jìn)機(jī)開(kāi)挖施工圖。

圖2 全斷面開(kāi)挖施工

3 隧道施工中懸臂掘進(jìn)機(jī)的應(yīng)用性分析

3.1 不同地質(zhì)條件的施工措施分析

（1）砂巖地質(zhì)應(yīng)用懸臂掘進(jìn)機(jī)開(kāi)挖施工措施。應(yīng)用懸臂掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行砂巖地質(zhì)開(kāi)挖施工，相比石灰?guī)r地質(zhì)更易引起截齒部件的研磨損耗，從而降低開(kāi)挖施工效率。所以開(kāi)挖時(shí)應(yīng)使用專(zhuān)門(mén)的砂巖切割截齒切割頭，并可在需要時(shí)采取低速砂巖切割的方式，以減少對(duì)截齒部件的磨損。

（2）泥巖地質(zhì)應(yīng)用懸臂掘進(jìn)機(jī)開(kāi)挖施工措施。在進(jìn)行泥巖地質(zhì)開(kāi)挖施工時(shí)，為了防止切割頭部件被泥沙糊住，應(yīng)使用配合長(zhǎng)型截齒的大螺距螺旋線截割頭坡。在使用時(shí)應(yīng)對(duì)截割頭定時(shí)清理泥沙操作，以防止泥沙干燥硬化后難以清理，避免影響開(kāi)挖效率。

（3）硬巖地質(zhì)應(yīng)用懸臂掘進(jìn)機(jī)開(kāi)挖施工措施。針對(duì)面積大的無(wú)縫巖層進(jìn)行開(kāi)挖施工時(shí)，為了有效減少截齒部件磨損，提升開(kāi)挖效率，應(yīng)用鉆脹掘組合工開(kāi)挖法并配合使用安裝硬巖型截齒的硬巖截割頭，在有效降低硬巖應(yīng)力后完成硬巖塊狀截割。

3.2 其他應(yīng)用性措施分析

（1）懸臂掘進(jìn)機(jī)除塵措施。懸臂掘進(jìn)機(jī)在進(jìn)行開(kāi)挖施工時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的粉塵，應(yīng)通過(guò)有效措施對(duì)隧道環(huán)境加以控制，針對(duì)大斷面分層開(kāi)挖方式應(yīng)使用履帶式除塵車(chē)進(jìn)行隧道粉塵清除，針對(duì)全斷面開(kāi)挖方式可應(yīng)用懸臂掘進(jìn)機(jī)自身除塵設(shè)備進(jìn)行隧道粉塵清除，同時(shí)配合抽風(fēng)管路一同使用。

（2）懸臂掘進(jìn)機(jī)的超欠挖控制措施。懸臂掘進(jìn)機(jī)主要通過(guò)激光導(dǎo)向儀進(jìn)行施工輪廓定位，保證開(kāi)挖斷面定位準(zhǔn)確，同時(shí)應(yīng)用懸臂掘進(jìn)機(jī)的遙控功能規(guī)避在盲區(qū)條件下施工，保證了超挖控制的精確性和靈活性。

（3）挖機(jī)類(lèi)履帶及自動(dòng)捐纜措施。懸臂掘進(jìn)機(jī)的挖機(jī)類(lèi)履帶更適合隧道開(kāi)挖施工的內(nèi)路移動(dòng)。其自動(dòng)卷纜裝置能夠配合懸臂掘進(jìn)機(jī)的移動(dòng)進(jìn)行電纜的進(jìn)出，免除了人力進(jìn)行收放，提高了操作安全性能和施工效率。

4 XTR6/260 型懸臂掘進(jìn)機(jī)的應(yīng)用分析

XTR6/260 型號(hào)的隧道懸臂掘進(jìn)機(jī)已在國(guó)內(nèi)的大型隧道開(kāi)挖工程項(xiàng)目中廣泛使用，在易坍塌地質(zhì)、硬巖地質(zhì)、溶洞地質(zhì)等不同復(fù)雜地層發(fā)揮了重要功效。其應(yīng)用過(guò)程主要能夠解決以下問(wèn)題：①面對(duì)泥巖、砂巖等復(fù)雜的地質(zhì)結(jié)構(gòu)，針對(duì)不同地質(zhì)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)配置不同的截割裝置，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜地質(zhì)高效截割；②面對(duì)傳統(tǒng)隧道開(kāi)挖、清除殘土等工序需要耗費(fèi)大量人力，以及開(kāi)挖操作人員危險(xiǎn)作業(yè)的問(wèn)題，XTR6/260 型隧道懸臂掘進(jìn)機(jī)只需3 名設(shè)備操作人員，而且危險(xiǎn)作業(yè)區(qū)無(wú)需安排操作人員，無(wú)需爆破器材，有效規(guī)避了傳統(tǒng)隧洞開(kāi)挖的安全隱患；③應(yīng)對(duì)施工造成的大量粉塵，配套安裝了濕式振弦除塵設(shè)備，風(fēng)量效果好，具備明顯的除塵效果，有效控制了粉塵污染；④施工效率對(duì)比傳統(tǒng)鉆爆法隧道施工有明顯改善，效率提升率可達(dá)30%。

據(jù)實(shí)際開(kāi)挖數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，XTR6/260 型隧道懸臂掘進(jìn)機(jī)對(duì)不同硬度等級(jí)的灰?guī)r開(kāi)挖能力如圖3 所示。根據(jù)切削能力、巖石硬度及截齒損耗等變量形成的開(kāi)挖效率曲線可知，XTR6/260型隧道懸臂掘進(jìn)機(jī)在低于90 MPa 硬巖硬度開(kāi)挖時(shí)效率較高，截齒磨損低；高于90 MPa 硬巖硬度開(kāi)挖時(shí)效率較低，截齒磨損較大。

圖3 灰?guī)r開(kāi)挖效率曲線

5 結(jié)語(yǔ)

應(yīng)用懸臂式掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行鐵路、水利等工程的隧洞開(kāi)挖具有較高的適應(yīng)性和靈活性，能夠應(yīng)用于多種不同的支護(hù)模式和斷面的挖掘，開(kāi)挖效率高，具備后續(xù)施工改良、有效節(jié)約成本的優(yōu)勢(shì)。圍繞懸臂掘進(jìn)機(jī)在隧道開(kāi)挖施工中的應(yīng)用展開(kāi)研究，旨在為隧道開(kāi)挖工程技術(shù)、管理能力提升提供借鑒。