摘要 文章以懸臂式掘進機（STR260/6型）在甘肅省安臨一級公路建設項目中軟弱圍巖的百和隧道相關工程應用為例，結(jié)合項目地質(zhì)、水文特征及施工水平，首先闡述了工藝工法的選擇，然后介紹了實際施工過程應用及施工中重點階段的操作要點，最后論述了采用懸臂式掘進機與傳統(tǒng)隧道開挖工藝之間的經(jīng)濟性評價的全過程，翔實地列明了全過程相關數(shù)據(jù)，以期完整地為相似工程項目提供參考依據(jù)。

關鍵詞 懸臂式掘進機；軟弱圍巖；隧道；工法

中圖分類號 U455 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）22-0150-03

0 引言

隨著高速公路建設發(fā)展，相關施工單位的技術能力與設備投入同步增加，與此同時現(xiàn)場一線施工人員老齡化和勞動力成本不斷上升，提高施工機械化水平不可避免，故隧道施工鉆爆開挖技術將逐漸式微，而掘進法因其具有環(huán)保、高效、安全、進度快、節(jié)約人力等方面的優(yōu)勢已在公路隧道施工中逐漸得以推廣應用[1-2]。

現(xiàn)以安臨項目采用懸臂式掘進機為配套核心，在中、軟弱圍巖百和隧道中的應用為例，明確施工的相關參數(shù)設計及施工全過程數(shù)據(jù)，并進行經(jīng)濟效益分析，以期對同類工程提供參考。

1 工程概況與相關背景

臨洮（安家咀）至臨夏公路建設項目（簡稱安臨項目）主線全長57.072 km，東鄉(xiāng)、和政連接線共計30.275 km，是國家脫貧攻堅“三區(qū)三州”中臨夏州的重點建設項目，是助推臨夏州打贏脫貧攻堅戰(zhàn)的扶貧路。

百和隧道按一級公路分離式斷面設計，雙向四車道，設計行車速度為80 km/h，隧道穿越黃土山梁，山梁周圍溝道較發(fā)育。隧道最大埋深約258 m，主要為強～中風化砂質(zhì)泥質(zhì)，屬極軟巖-軟巖，層狀構造，泥質(zhì)膠結(jié)，成巖性一般，巖體較軟，強度較低，具膨脹性。地下水較為貧乏，僅在土石交界面處有出水現(xiàn)象。全線圍巖等級為Ⅴ級。

項目所用機械為三一重工生產(chǎn)的STR260/6型懸臂式掘進機，整機重量為105 t，截割電機功率為260 kW。懸臂式掘進機由截割機構、裝運機構、行走機構、液壓系統(tǒng)、電控系統(tǒng)和噴霧降塵系統(tǒng)等組成。利用裝在截割頭上的截齒破碎圍巖，升降和回轉(zhuǎn)液壓缸使懸臂在垂直和水平方向擺動，以截割不同部位的圍巖，掘出所需形狀和尺寸的斷面。刮板鏈和星輪將截割破碎下來的洞渣集中裝載、傳送到機器后面的轉(zhuǎn)載機或其他運輸設備中，然后運出工作面[3]。

2 工藝流程、參數(shù)設計及要點

2.1 施工流程及準備工作

施工流程大致如下：施工準備（高壓電纜、輸水管線安裝）—測量放樣—懸臂掘進機就位—工作面保持降水至無明水。

按設計斷面開挖—噴霧除塵、出渣，按此循環(huán)開挖，最后修正輪廓線、人工局部處理，退出保養(yǎng)。

首先熟悉施工圖紙，做好技術交底及培訓。其次清理噴漿回彈料，提前整平掘進機的工作場地。再次做好現(xiàn)場勞動力的組織，準備好各種設備，并保證施工機械的完好，使其滿足施工要求。將1.14 kV高壓電纜、輸水管線與STR260/6型懸臂式掘進機連接，同時將掘進機在工作面就位，并擺放妥當。最后測量放樣，在掌子面上進行輪廓線的放樣并布點，也可采用激光制導控制系統(tǒng)，這樣能使操作員掘進得更加精確，并提高操作效率。在已施工初支安裝7個及以上的激光制導指向儀，由此獲得需要的掘進方向，用于控制輪廓，確保精確掘進。

懸臂式掘進機開挖前還需要對工作面進行降水處理，應降水至工作面無明水，并盡量保持干燥。工作面降水的目的是防止因滲水過大，開挖的巖渣成泥狀而糊住切割頭，以致降低開挖效率。采用臺階法施工時，工作面基本具有自然降水的能力，僅在拱腳及邊墻等局部有水滲出。

2.2 設計

2.2.1 斷面設計

根據(jù)隧道斷面尺寸及現(xiàn)場圍巖情況，結(jié)合掘進機參數(shù)（最大開挖高度為6.6 m），確定STR260/6型懸臂式掘進機適用于上下臺階法的開挖，上臺階高6.31 m，下臺階高3.87 m，如圖1所示：

2.2.2 機械組合與水電配置

以STR260/6型懸臂式掘進機為核心，配置車輛組合如表1和表2所示：

2.3 開挖

2.3.1 上臺階

上臺階分左、中、右三部分，每部分縱向1次，縱長1～3 m，按左、右、中或右、左、中順序依次開挖到位。為了保證切割頭的活動空間符合切削要求，需要將鏟板靠近掌子面，所以采用從下往上的切削方式（如圖2所示），即由上臺階掌子面的左下部或右下部進刀，由下而上往復切割，按照斷面設計尺寸施工。掘進機在完成單側(cè)載重切割后，需移至其他側(cè)，采用同樣的方法進行掘進作業(yè)。

2.3.2 下臺階（仰拱）

上臺階開挖完成后，掘進機應向下臺階方向移動，開始進行下臺階的切割作業(yè)。下層臺階以2～6 m步距，左右兩側(cè)交錯施工。開挖下臺階的同時應將仰拱部分一并開挖，清除渣土時需保留仰拱處的渣土，待施工仰拱時再采用挖機將仰拱渣土挖出。

2.4 出渣

在掘進機開挖的同時，可采取流水線作業(yè)，實現(xiàn)開挖和機械設備配套（配備“一運、二運”設備）出渣的同步進行。根據(jù)高速公路（一級）雙車道隧道的弧形斷面尺寸，掘進機在上臺階正中處作業(yè)時能夠滿足二運出渣，而進行上臺階左、右部開挖時，受作業(yè)空間的限制而無法通過二運出渣。

為解決作業(yè)空間對出渣的限制，高速公路隧道（一級）雙車道隧道可采用一運+裝載機出渣的方式：在掘進的同時，通過鏟板上內(nèi)旋轉(zhuǎn)的星輪將渣土送至傳動帶，由傳送帶把渣土傳送至掘進機后方地面，再由側(cè)翻式裝載機將渣土裝入出渣車運送至洞外。

2.5 除塵

掘進機切割布置有自動噴霧除塵裝置，可在掘進及出渣的同時實現(xiàn)除塵。

2.6 修正輪廓線及局部處理

掘進機開挖完成后，需人工或挖掘機對開挖輪廓線范圍的局部進行輪廓修整，再將場地整平。下臺階完成后應將掘進機退出截割作業(yè)面，進行專業(yè)保養(yǎng)檢修工作。在掘進機截割下臺階的同時，立架班開始上臺階立架的支護作業(yè)，再進行錨桿、超前小導管及鎖腳錨管等工序的施作。

3 經(jīng)濟效益分析

3.1 經(jīng)濟效益分析

懸臂式掘進機的應用，對高速公路（一級）雙車道隧道開挖的安全性、工程質(zhì)量、經(jīng)濟性、施工效率等均有本質(zhì)提高，同時可大幅縮短了隧道初支的施工工期。以安臨公路百和隧道為例，通過總結(jié)、分析懸臂式掘進機施工過程中人、材、機等相關費用的構成，測算施工成本，可為類似工程提供較好的借鑒和指導。使用懸臂式掘進機比使用挖機破碎錘，共計減少噴射混凝土費用517萬元；使用隧道泥巖作為路基填料，共計減少成本156萬元。相比于使用挖機破碎錘開挖，直接總成本節(jié)約共計673萬元。另外，由于掘進機開挖工效高，縮短了施工工期，可減少施工期間的管理費、間接費等，此部分效益尚未進行統(tǒng)計。

3.2 掘進機開挖費用

單臺掘進機配備2名輔助工、2名操作手和1名維修工，共5人。百和隧道使用掘進機開挖共計3 926 m，使用挖機破碎錘開挖502 m，單臺掘進機開挖長度按1 963 m計，使用掘進機開挖時間17個月，平均月進尺115.5 m，平均月開挖12 238 m3。單臺懸臂式掘進機費用明細見表3所示：

3.3 噴射混凝土節(jié)約費用

該隧道使用懸臂式掘進機開挖部分的設計C25噴射混凝土總量為28 338 m3，噴射混凝土系數(shù)為1.88；前期使用挖機破碎錘開挖部分的設計噴射混凝土總量為3 147 m3，噴射混凝土系數(shù)為2.19。

開始使用懸臂式掘進機后比使用挖機破碎錘共節(jié)約噴射混凝土方量：28 338×（2.19-1.88）=8 785 m3。

節(jié)約噴射混凝土費用（材料、拌和運輸?shù)龋┕灿嫞? 785 m3×588.6元/m3=517萬元。

3.4 洞渣利用

由懸臂式掘進機切割后的泥巖塊狀粒徑小，通過試驗檢測，該泥巖自由膨脹率滿足路床以下填料要求，可作為路基填料利用，既減輕了棄渣場的負擔，也解決了取土困難，實現(xiàn)雙向減少成本。該項目使用隧道泥巖作為填料的方量為26萬立方米，共節(jié)約填料成本：260 000 m3×

6元/m3=156萬元。

3.5 總結(jié)

懸臂掘進機開挖成隧質(zhì)量好，洞室開挖斷面圓順度高，杜絕了超挖過大和欠挖現(xiàn)象，從源頭上防止了初支空洞的產(chǎn)生；相比傳統(tǒng)的鉆爆法開挖和破碎錘開挖，掘進機帶有自動噴水降塵功能，能夠改善作業(yè)環(huán)境；杜絕了鉆爆法的高風險安全隱患，且開挖振動小，對圍巖擾動小，減小了施工危險系數(shù)，在保證質(zhì)量的同時，可有效提高施工效率，顯著減少施工成本；隧道超挖能有效控制在17 cm以內(nèi)，噴射混凝土超方系數(shù)控制在1.88。

4 結(jié)論

懸臂式掘進機雖然有一次性投資大的缺點，但與鉆爆法施工相比，優(yōu)點如下：（1）洞內(nèi)粉塵、有害氣體含量低，改善了勞動條件。（2）成洞質(zhì)量好，減少超挖，降低噴射混凝土的使用，節(jié)省施工成本。（3）對圍巖擾動小，巖壁完整，施工安全，減少隧道塌方事故。（4）作業(yè)人員少，施工速度快，開挖、出渣同步。懸臂式掘進機適用于公路隧道中、軟弱圍巖開挖施工，圍巖強度5～30 MPa，如砂巖、泥巖、礫巖等圍巖。對于30～60 MPa的圍巖，隨著圍巖強度的增高，開挖工效降低，經(jīng)濟效益下降，可綜合考慮酌情使用。

懸臂式掘進機因其具有環(huán)保、高效、安全、進度快等方面的優(yōu)勢將在公路隧道施工工程中得以廣泛應用。該文根據(jù)現(xiàn)場隧道截面尺寸、圍巖情況、掘進機性能等因素，實現(xiàn)了對懸臂式掘進機的選型和應用示范，可為類似工程項目提供很好的借鑒。

參考文獻

[1]楊光.軟弱圍巖公路隧道機械化鉆爆施工技術與裝備應用研究[D].西安：長安大學，2019.

[2]張博.懸臂式掘進機銑挖法隧道掘進工藝及適應性研究[D].大連：大連交通大學，2018.

[3]樊志家，蓋巍巍.STR260隧道掘進機在公路隧道施工中的應用[J].中國新技術新產(chǎn)品，2020（2）：102-103.