張 彬

(中國(guó)水利水電第五工程局有限公司，四川 成都 610066)

1 概 述

重慶市綦江區(qū)黃沙水庫(kù)灌區(qū)主要以城鎮(zhèn)供水、農(nóng)業(yè)灌溉為主，兼有灌區(qū)農(nóng)村人畜飲水等綜合利用功能。青龍咀干渠長(zhǎng)1 986 m，其中管道工程長(zhǎng)807 m，隧洞長(zhǎng)1 179 m,設(shè)置分水池1座。大地支渠接青龍咀干渠末端，總長(zhǎng)3 863 m，其中生基灣隧洞長(zhǎng)1 387 m(內(nèi)鋪設(shè)管道)，管道工程長(zhǎng)2 476 m。兩座隧洞均為城門洞型，高2.95 m，寬2.9 m，斷面面積為7.65 m2。

該工程區(qū)兩條隧洞進(jìn)出口段地層為T2l中～厚層白云巖、泥質(zhì)白云巖與泥巖互層，圍巖為可溶巖，洞室埋深較淺，巖溶發(fā)育，巖體較破碎，存在不利結(jié)構(gòu)面，地下水活動(dòng)較強(qiáng)烈，圍巖不穩(wěn)定。洞身段地層T3xj為厚層長(zhǎng)石石英砂巖夾頁(yè)巖、砂質(zhì)泥巖，巖層產(chǎn)狀為N52°W/NE∠40°，隧洞走向S74°W，洞線與巖層走向交角為54°，對(duì)洞室穩(wěn)定有利。該洞室埋深較大，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體較完整，地下水活動(dòng)為中等，局部存在軟弱結(jié)構(gòu)面，圍巖總體基本穩(wěn)定，局部穩(wěn)定性差，圍巖類別主要以Ⅱ類、Ⅲ類、Ⅳ類為主，局部段存在Ⅴ類圍巖。

鑒于懸臂式掘進(jìn)機(jī)能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)剝離圍巖、裝載運(yùn)出、機(jī)器本身的行走調(diào)動(dòng)以及噴霧除塵等功能，即集切割、裝載、運(yùn)輸、行走于一身[1]，而隧洞開(kāi)挖是該標(biāo)段施工中的重要環(huán)節(jié)，直接影響到工程的施工質(zhì)量、施工進(jìn)度、生產(chǎn)成本和經(jīng)濟(jì)效益，且因該標(biāo)段臨近居民居住區(qū)且生基灣出口距離居民樓只有40 m,青龍咀出口及生基灣進(jìn)口距離民房不到60 m，距離周邊公路不到50 m，洞口周圍環(huán)境復(fù)雜，故通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查并綜合各種影響因素找出合適的洞挖方式，提高隧洞的開(kāi)挖效果，達(dá)到預(yù)期的進(jìn)度和經(jīng)濟(jì)效益目標(biāo)，合理選擇該標(biāo)段相對(duì)應(yīng)的隧洞開(kāi)挖施工模式成為重要的一環(huán)。最終，通過(guò)綜合分析，確定洞口段Ⅲ～Ⅴ類圍巖范圍采用適應(yīng)洞型的懸臂式掘進(jìn)機(jī)開(kāi)挖。

2 洞挖方案

掘進(jìn)機(jī)法隧洞施工依然遵循新奧法原理全斷面一次性成型開(kāi)挖，采用出渣車運(yùn)輸，及時(shí)封閉開(kāi)挖面。施工初期支護(hù)時(shí)做好隧洞的監(jiān)控量測(cè)工作，按監(jiān)測(cè)結(jié)果及時(shí)調(diào)整支護(hù)參數(shù)和防水與襯砌施工作業(yè)時(shí)間。洞口進(jìn)洞淺埋和全隧洞斷層破碎地帶的穿越遵循“短進(jìn)尺、及時(shí)支護(hù)、強(qiáng)支護(hù)、早封閉、勤量測(cè)”的原則進(jìn)行施工[2]。

2.1 設(shè)備的選型及布置

該工程隧洞的典型截面寬度為2.9 m，高2.95 m。結(jié)合該工程地質(zhì)情況及圍巖類別，通過(guò)大量調(diào)研市場(chǎng)上懸臂式掘進(jìn)機(jī)的規(guī)格，相對(duì)此類小斷面洞型的適應(yīng)機(jī)型較少，主要傾向于徐工集團(tuán)生產(chǎn)的窄體型設(shè)備。最后，通過(guò)對(duì)機(jī)型尺寸、切割動(dòng)力、出渣效率及維修保養(yǎng)便捷等方面進(jìn)行對(duì)比，選擇了三一重工生產(chǎn)的EBZ-132型、徐工集團(tuán)生產(chǎn)的XTR4/180、 XTR4/230型三種設(shè)備，懸臂式掘進(jìn)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 懸臂式掘進(jìn)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)表

2.2 施工程序

施工準(zhǔn)備→設(shè)備就位→掘進(jìn)開(kāi)挖(噴霧除塵)→出渣→支護(hù)→下一循環(huán)。

2.3 施工準(zhǔn)備

由于機(jī)械開(kāi)挖相對(duì)于鉆爆施工在臨時(shí)工程部署上存在較大區(qū)別，特作以下簡(jiǎn)要說(shuō)明。

2.3.1 進(jìn)場(chǎng)道路的布置

通過(guò)現(xiàn)有公路可以直接到達(dá)工地附近，從現(xiàn)有公路修筑6 m寬混凝土便道即可到達(dá)洞口，便于懸臂式掘進(jìn)機(jī)及后期出渣等車輛運(yùn)輸。

2.3.2 供水與排水設(shè)施

隧洞施工用水主要為懸臂式掘進(jìn)機(jī)鉆頭冷卻循環(huán)用水及混凝土養(yǎng)護(hù)用水。掘進(jìn)機(jī)工作狀態(tài)時(shí)用水的作用為冷卻和降塵，需使用壓力水，供水壓力不小于0.3 MPa，用水量小于20 m3/d。因此，需要在隧道洞口處修建體積≥20 m3的水池以滿足隧洞內(nèi)的用水要求。水池內(nèi)使用兩臺(tái)自動(dòng)增壓泵，采用球閥開(kāi)關(guān)分支連接以確保在其中一臺(tái)自動(dòng)增壓泵損壞的情況下另一臺(tái)也能為隧洞供水。

隧洞排水主要為山體集中滲水與洞內(nèi)涌水。由于該隧洞底板坡比為1/1 000，因此，需在每個(gè)洞口設(shè)立沉淀池集中排水。

2.3.3 施工供電

隧洞口區(qū)域已安裝有10 kV高壓線路。由于懸臂式掘進(jìn)機(jī)的用電額定電壓為1 140 V，故需安裝專用變壓器，供電電纜使用防爆電纜。

2.3.4 供風(fēng)及通風(fēng)

施工供風(fēng)規(guī)劃在隧洞進(jìn)、出口處配置空壓機(jī)及風(fēng)機(jī)以滿足供應(yīng)隧洞鉆孔、排煙及排塵等需求。隧洞工作面施工長(zhǎng)度最大為1 367 m，需風(fēng)量經(jīng)計(jì)算為459 m3/min，因此，最終選擇隧洞專用軸流風(fēng)機(jī)SDF(A)-NO6.5(風(fēng)量：600 m3/min、風(fēng)壓：3 900 Pa、功率：2×22 kW)以滿足通風(fēng)需要。風(fēng)機(jī)布設(shè)位置根據(jù)掘進(jìn)進(jìn)尺調(diào)整，風(fēng)筒懸掛于拱頂處。洞內(nèi)造孔供風(fēng)管采用DN100無(wú)縫鋼管,置于隧洞一側(cè)的墻腳。隧洞施工布置情況見(jiàn)圖1。

圖1 隧洞施工布置圖

3 掘進(jìn)施工

3.1 掘進(jìn)作業(yè)

掘進(jìn)機(jī)的開(kāi)挖主要利用截割頭上下、左右移動(dòng)截割出初步斷面形狀，如此截割獲得的斷面與實(shí)際所需要的形狀和尺寸有一定差別，可對(duì)其進(jìn)行二次修整，以達(dá)到斷面尺寸要求[3]，掘進(jìn)開(kāi)挖順序見(jiàn)圖2，切割順序采用自上而下的方式，特殊切割形式見(jiàn)圖3[4]。

一般情況下，采用由下而上、左右截割的方式。當(dāng)截割較軟的巖石時(shí)，采用左右循環(huán)向上的截割方法。但不論采用哪種方法，一定要盡可能地從下而上截割。當(dāng)遇到硬巖時(shí)，不應(yīng)勉強(qiáng)截割；對(duì)有部分露頭硬巖時(shí)，應(yīng)首先截割其周圍部分使其墜落；對(duì)于大塊墜落體，應(yīng)進(jìn)行處理后再進(jìn)行裝載。當(dāng)掘進(jìn)柱窩時(shí)，應(yīng)將截割頭伸到最長(zhǎng)位置，同時(shí)將鏟板降到最低位置向下掘進(jìn)，在此狀態(tài)下，將巖體拖拉到鏟板附近，以便裝載[5]。

圖2 掘進(jìn)開(kāi)挖順序圖

圖3 特殊切割示意圖

如果不能熟練自如地操作掘進(jìn)機(jī)，所掘進(jìn)出的斷面形狀和尺寸會(huì)與所要求的斷面存在一定差距。例如，當(dāng)掘進(jìn)較軟巖壁時(shí)，所掘出斷面的尺寸往往大于所要求斷面的尺寸，會(huì)造成掘進(jìn)時(shí)間的延長(zhǎng)以及支護(hù)材料的浪費(fèi)。而掘進(jìn)較硬巖壁時(shí)，所掘出斷面的尺寸往往小于設(shè)計(jì)尺寸。因此，一定要要求操作者既要熟練掌握操作技術(shù)，又要了解工作面的具體情況。

3.1.1 除塵噴霧

機(jī)械銑切過(guò)程會(huì)產(chǎn)生大量粉塵，因此，如何控制粉塵非常重要。懸臂式掘進(jìn)機(jī)設(shè)有噴霧系統(tǒng)，截割作業(yè)時(shí)，打開(kāi)控制閥，噴嘴開(kāi)始噴霧，利用噴霧和風(fēng)機(jī)相結(jié)合的雙重除塵技術(shù)，能夠有效改善作業(yè)環(huán)境。

3.1.2 出渣

懸臂式掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)、截割巖石后，由其前段裝有星輪的鏟板通過(guò)自帶第一運(yùn)輸機(jī)將石渣運(yùn)至掘進(jìn)機(jī)尾部，如果一運(yùn)長(zhǎng)度受限，可視具體情況增加二運(yùn)系統(tǒng)，直接將渣料輸送至出渣車。隧道的出渣可在開(kāi)挖的同期進(jìn)行以節(jié)省時(shí)間。

3.2 掘進(jìn)作業(yè)操作

3.2.1 機(jī)械操作順序

油泵電機(jī) →開(kāi)動(dòng)第一運(yùn)輸機(jī)→ 開(kāi)動(dòng)星輪→ 開(kāi)動(dòng)截割頭，以此作為開(kāi)動(dòng)順序。當(dāng)沒(méi)有必要開(kāi)動(dòng)第一運(yùn)輸機(jī)時(shí)，也可在開(kāi)動(dòng)油泵電機(jī)后起動(dòng)截割電機(jī)。啟動(dòng)油泵電機(jī)時(shí)，與其直接相連的油泵隨之啟動(dòng)供給液壓油。

掘進(jìn)機(jī)設(shè)計(jì)有履帶式行走系統(tǒng)，可前后左右自行。截割頭可前后伸縮，伸縮長(zhǎng)度可達(dá)550 mm，截割過(guò)程可左右推進(jìn)。星輪啟動(dòng)回轉(zhuǎn)集料，鏟板上下前后收料，向上抬起鏟尖距地面高度可達(dá)340 mm，鏟板落下與底板相接，鏟板可下臥260 mm。截割時(shí)，應(yīng)將鏟尖與底板壓接，以防止機(jī)體振動(dòng)，前后支撐可自由升降。鏟板收料后由星輪回轉(zhuǎn)送料至運(yùn)輸機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)送料。

3.2.2 電氣操作

電源開(kāi)關(guān)接通后檢查顯示屏、電壓表和機(jī)器周圍，如果沒(méi)有異常情況即可進(jìn)行開(kāi)機(jī)操作，觀察工作現(xiàn)場(chǎng)，待確認(rèn)不會(huì)發(fā)生機(jī)械和人身事故后方可開(kāi)機(jī)。截割電機(jī)啟動(dòng)“報(bào)警”信號(hào)發(fā)出5 s后即可啟動(dòng)截割電機(jī)。停機(jī)操作順序原則上與開(kāi)機(jī)順序相反，也可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行。注意：不允許在不需要緊急停止的情況下利用急停按鈕停整機(jī)，也不允許利用停油泵電機(jī)的方法停止其它電機(jī)，停機(jī)后，注意切斷電源，取下電源開(kāi)關(guān)手柄。

3.3 操作注意事項(xiàng)

(1)啟動(dòng)前，操作者必須檢查并確認(rèn)周圍確實(shí)安全、頂板的支護(hù)可靠，待確認(rèn)安全后再啟動(dòng)截割頭。截割電機(jī)啟動(dòng)前，應(yīng)先打開(kāi)內(nèi)噴霧開(kāi)關(guān)以防噴嘴堵塞。啟動(dòng)或停止電機(jī)時(shí)，一定要完全徹底地避免緩慢微動(dòng)。

(2)切割時(shí)、特別是切割硬巖時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的振動(dòng)而造成截齒超前磨損或影響切割效率，一定要使鏟板及后支撐接地良好，加強(qiáng)其穩(wěn)定性，減少振動(dòng)。操作中發(fā)現(xiàn)異常時(shí)應(yīng)停機(jī)檢查，絕不能超負(fù)荷工作。

(3)機(jī)器行走時(shí)，不允許進(jìn)行切割，否則會(huì)加大切割載荷，造成減速機(jī)損壞，絕不能造成掘進(jìn)機(jī)壓斷電源線[6]的情況出現(xiàn)。在軟底板上操作時(shí)，應(yīng)在履帶下墊木板(1 至1.5 m 間距)以加強(qiáng)其行走能力。

(4)大塊巖體可能卡在本體龍門口處造成第一運(yùn)輸機(jī)停止，因此，必須將其擊碎成小塊。裝載時(shí)一定要注意對(duì)鏟板高度進(jìn)行調(diào)整，行走時(shí)鏟板一定要抬起；設(shè)備停止工作時(shí)截割頭回縮，鏟板落地。

(5)檢修時(shí)必須停電。特別需要注意的是：電源開(kāi)關(guān)上端至電源接線柱停電后其仍然帶電，因此，不能隨意取下電源接線柱上的護(hù)板。若需檢修此處，前級(jí)饋電開(kāi)關(guān)應(yīng)停電。

(6)必須定期檢查各導(dǎo)線的連接部位是否有松動(dòng)現(xiàn)象，各防爆部位的緊固螺栓必須緊固。

(7)各電纜引入裝置的密封膠圈、金屬墊圈，內(nèi)外接地必須接牢。

(8)檢修時(shí)不得隨意改變電路元器件的型號(hào)、規(guī)格與參數(shù)。

3.4 掘進(jìn)功效分析

該工程應(yīng)用了三種規(guī)格的懸臂式掘進(jìn)機(jī)開(kāi)挖設(shè)備，相關(guān)人員連續(xù)6個(gè)月對(duì)掘進(jìn)設(shè)備的施工效率進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，掘進(jìn)循環(huán)時(shí)間統(tǒng)計(jì)情況見(jiàn)表2。

由表2中的數(shù)據(jù)可知：開(kāi)挖過(guò)程是一個(gè)系統(tǒng)作業(yè)過(guò)程，每一個(gè)循環(huán)均環(huán)環(huán)相扣，供電、排水、設(shè)備故障等均不同程度地影響到掘進(jìn)進(jìn)尺。連續(xù)6個(gè)月時(shí)間的統(tǒng)計(jì)分析表明：平均每個(gè)月有效作業(yè)時(shí)間只有20 d，平均每班有效作業(yè)時(shí)間只有4.5～5 h，有效作業(yè)時(shí)間有限。

4 適應(yīng)性分析

通過(guò)該工程隧洞開(kāi)挖對(duì)懸臂式掘進(jìn)機(jī)的應(yīng)用，系統(tǒng)分析了此類設(shè)備對(duì)小斷面隧洞的適應(yīng)性，主要包括以下幾個(gè)方面。

4.1 洞身尺寸適應(yīng)性及開(kāi)挖效果分析

懸臂式掘進(jìn)機(jī)在隧洞開(kāi)挖中具有較大的靈活性，但對(duì)于類似該工程不足8 m2的小斷面隧洞，設(shè)備選型極度受限，市場(chǎng)能適用的機(jī)型較少，設(shè)備在洞內(nèi)的操作空間受限，一旦設(shè)備出現(xiàn)較大故障時(shí)，洞內(nèi)檢修困難。另外，設(shè)備進(jìn)出洞過(guò)程由于洞徑較小，必須頻繁拆裝風(fēng)筒布而導(dǎo)致占用時(shí)間較長(zhǎng)。但與已完成的洞型開(kāi)挖效果比較，該類型設(shè)備對(duì)洞型控制比較有利，開(kāi)挖洞型、體型控制到位，開(kāi)挖整體外觀質(zhì)量較好。

表2 掘進(jìn)循環(huán)時(shí)間統(tǒng)計(jì)表

4.2 相對(duì)安全性分析

選用此類設(shè)備開(kāi)挖安全性能高，尤其對(duì)于地質(zhì)條件較差的部位對(duì)比鉆爆法開(kāi)挖，其安全風(fēng)險(xiǎn)較小，避免了因爆破后造成的圍巖穩(wěn)定性差問(wèn)題，減少了因爆破后造成的有害氣體排放時(shí)間長(zhǎng)等，具有施工用電安全性更高的特點(diǎn)。

4.3 巖石特性適應(yīng)性分析

該工程掘進(jìn)機(jī)施工部位主要以Ⅲ類、IV類巖體為主。對(duì)于埋深較淺、巖石性質(zhì)為白云巖、泥質(zhì)白云巖與泥巖互層、頁(yè)巖及砂質(zhì)泥巖等中軟巖，巖石強(qiáng)度為20～30 MPa左右，掘進(jìn)效率較高；但對(duì)于埋深較大，主要為厚層長(zhǎng)石石英砂巖夾頁(yè)巖，巖石完整性好、裂隙水較強(qiáng)、巖石抗壓強(qiáng)度達(dá)40 MPa以上的巖石掘進(jìn)效率降低。由于巖石強(qiáng)度高，掘進(jìn)過(guò)程幾乎銑挖成石粉而造成粉塵大，施工環(huán)境差。尤其當(dāng)遇到抗壓強(qiáng)度超過(guò)60 MPa的巖層，適應(yīng)此類洞徑的設(shè)備幾乎無(wú)法掘進(jìn)，現(xiàn)場(chǎng)掘進(jìn)過(guò)程造成掘進(jìn)機(jī)設(shè)備故障頻發(fā)、掘進(jìn)機(jī)主軸斷裂、截齒及齒座損耗嚴(yán)重，最高為每米進(jìn)尺更換截齒達(dá)14個(gè)，設(shè)備維修保養(yǎng)時(shí)間長(zhǎng)，導(dǎo)致必須改變施工工藝。而對(duì)于V類圍巖，在掘進(jìn)過(guò)程中頻繁出現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)陷車問(wèn)題，由于其底板達(dá)不到懸臂式掘進(jìn)機(jī)承載力要求，施工過(guò)程采取在行走履帶下部墊方木、墊工字鋼及水泥等加強(qiáng)措施，方能保障設(shè)備有效運(yùn)行。

4.4 滲水影響分析

洞內(nèi)滲水對(duì)于洞身開(kāi)挖而言是最大的影響因素。究其原因：第一種情況是由于巖石強(qiáng)度高、設(shè)備銑挖后巖石磨成細(xì)粉與裂隙水形成泥石混合物而造成掘進(jìn)機(jī)出渣困難，掘進(jìn)機(jī)運(yùn)輸系統(tǒng)出料打滑，二運(yùn)皮帶甩料嚴(yán)重，裝車?yán)щy。同時(shí)，在掘進(jìn)機(jī)作業(yè)范圍形成近20 cm厚的泥石混合物，導(dǎo)致洞內(nèi)抽排泥漿困難；第二種情況是渣車在掘進(jìn)機(jī)二運(yùn)皮帶下部由于泥漿影響造成頻繁陷車，車輛故障率極高，出渣功效降低；第三種情況是在裂隙水及潮濕環(huán)境影響下造成設(shè)備電路主控系統(tǒng)故障頻發(fā)并存在維修保養(yǎng)費(fèi)用高、時(shí)間周期長(zhǎng)的問(wèn)題。

4.5 除塵效果影響分析

對(duì)于巖石強(qiáng)度高、掘進(jìn)后粉塵嚴(yán)重、洞內(nèi)單個(gè)風(fēng)機(jī)無(wú)法達(dá)到及時(shí)瞬時(shí)除塵效果而造成掘進(jìn)環(huán)境差、作業(yè)人員視覺(jué)受限、不得不加大噴霧造成積水增加，同時(shí)不得不暫停掘進(jìn)，短時(shí)等待排塵，造成掘進(jìn)不能連續(xù)施工、功效降低的問(wèn)題，通過(guò)多次試驗(yàn)研究得知：只有當(dāng)風(fēng)機(jī)距掌子面在100 m范圍內(nèi)時(shí)排塵效果較好，因此，需要增加風(fēng)機(jī)數(shù)量，同時(shí)在洞內(nèi)每間隔100 m增加風(fēng)機(jī)通道。另外，由于其采用的是吸風(fēng)式排塵而造成風(fēng)機(jī)、風(fēng)筒布內(nèi)塵土沉積，需定時(shí)對(duì)其進(jìn)行清理。

5 結(jié) 語(yǔ)

對(duì)于小斷面水工隧洞，在其外部環(huán)境受限、巖石強(qiáng)度低(中、軟巖：20～40 MPa)，洞內(nèi)無(wú)滲水或地下水活動(dòng)輕微時(shí)，可選用懸臂式掘進(jìn)機(jī)施工。此類設(shè)備工作方式靈活，采用截錐體截割頭，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，較易切出光滑的輪廓。相較于鉆爆法施工具有效率高、對(duì)巖層擾動(dòng)少、有利于安全生產(chǎn)等優(yōu)勢(shì)。但對(duì)于巖石結(jié)構(gòu)完整，尤其是砂巖地層，其裂隙水發(fā)育，巖石強(qiáng)度為50 MPa左右時(shí)設(shè)備掘進(jìn)能力受限，巖石強(qiáng)度超過(guò)60 MPa時(shí)掘進(jìn)困難。因此，在小斷面隧洞開(kāi)挖施工時(shí)，需充分分析地質(zhì)情況，選擇合理的施工工藝。