悬臂掘进机在隧道开挖施工中的应用

2022-04-22李守良

设备管理与维修 2022年6期

关键词：硬岩掘进机悬臂

李守良

（中铁十九局集团第五工程有限公司，辽宁大连 116100）

1 隧道开挖方式与传统开挖对比

当前国内隧道开挖主要包含两大主流方式：盾构法隧道施工和矿山法隧道施工，矿山法隧道施工又包括悬臂掘进机施工和钻爆法施工[2]。

1.1 盾构法隧道施工

盾构法隧道施工方式主要应用于大断面、长距离的地下交通隧道的施工，盾构法隧道施工的优势是施工效率高、掘进一体化程度高、适用于大型的大断面、长距离隧道开挖施工[3]。缺点是设备应用成本高，开挖断面固定、灵活适应性差，设备安装和运输不便利，施工工艺相对繁琐。

1.2 钻爆法隧道施工

钻爆法隧道施工的优势是施工工艺相对成熟，针对硬岩的开挖成本低，大断面隧道施工效率高，主要应用于水利、铁路、公路等隧道施工建设。缺点是施工危险系数高，施工超差尺寸不可控，易对生态环境造成破坏，而且随着爆破炸药管控的越发严格，施工成本随之增加，效率降低。

1.3 悬臂式掘进机隧道施工

悬臂式掘进机隧道施工灵活机动、可靠性强、开挖效率高，既能够实现隧道周围软岩的剥离、隧道土渣装运，还能实现设备自身的移动及隧道开挖时的喷水降尘，隧洞不间断开挖的同时，保证开挖过程不会产生爆破及振动。

相比于盾构法隧道施工和钻爆法隧道施工，悬臂式掘进机隧道施工优势较明显，随着应用水平的提高和应用范围的扩大，悬臂式掘进机隧道施工将在未来的隧道施工中更具优势。

2 悬臂掘进机隧道挖掘施工工艺概述

悬臂式掘进机应用于隧道开挖时，是集合隧道挖掘的切割、装卸、运送等功能于一身的综合性隧道开挖设备，通过设备前方的切割设备的左、右、上、下切割装置的有效运动实现对隧道周围软岩的剥离，形成不同情况的断面挖掘。

2.1 不同台阶下的悬臂式掘进机分层开挖施工

针对较大断面的隧道开挖施工，应利用多悬臂式掘进机进行不同台阶上下断面分层的开挖施工，通过如下实施步骤进行。

（1）上断面施工。在进行上断面多悬臂式掘进机开挖施工时，多悬臂式掘进机后侧通过挖掘机及运输车直接接收废土，并将剥落的废土运送至指定区域。在上断面掘进施工完成一次循环后（通常为1～3 榀拱架的设计标准），悬臂式掘进机移动至后侧，将喷锚设备及支护台车驶进撑子面区域，进行喷浆和立拱架操作。完成支护操作后，悬臂式掘进机移动至撑子面区域继续完成上断面的掘进及残土出渣施工。

（2）下断面施工。除上断面掘进开挖施工以外的断面均称为下断面，通过多悬臂式掘进机一次掘进开挖至同上断面步距近似相同的距离，掘进机后侧通过挖掘机及运输车直接接收废土，并将剥落的废土运送至指定区域。下断面掘进施工时，将喷锚设备及支护台车驶进上断面撑子面区域，进行同时立拱架及喷浆施工。在下断面掘进施工完毕后，应留置倾斜行驶通道，以方便多悬臂式掘进机移动至上断面施工。然后多悬臂式掘进机经过倾斜行驶通道移动至上断面区域，并将喷锚设备及支护台车驶进下断面，进行喷浆和立拱架操作。

经过如此上下断面往复交替施工，实现完成大断面隧道的整体开挖施工。图1 为不同台阶上下断面分层的悬臂式掘进机开挖施工图。

图1 分层开挖施工

2.2 全断面下的悬臂式掘进机开挖施工

在多悬臂式掘进机在前侧施工时，设备后侧连接运输机进行残土出渣操作，多悬臂式掘进机剥落的残土渣料利用运输机设备输送至后侧卡车中，再通过卡车穿过支护台将残土渣料送至指定收纳位置。当多悬臂式掘进机完成一次循环施工后，多悬臂式掘进机将支护台设备车送至撑子面位置，进行人工喷浆支护施工操作，多悬臂式掘进机退至隧道另一侧的特定位置，以便于其他施工车辆继续作业。全断面下的悬臂式掘进机开挖施工的残土出渣操作也可通过挖掘机代替运输机完成。如图2 为全断面一次成形悬臂式掘进机开挖施工图。

图2 全断面开挖施工

3 隧道施工中悬臂掘进机的应用性分析

3.1 不同地质条件的施工措施分析

（1）砂岩地质应用悬臂掘进机开挖施工措施。应用悬臂掘进机进行砂岩地质开挖施工，相比石灰岩地质更易引起截齿部件的研磨损耗，从而降低开挖施工效率。所以开挖时应使用专门的砂岩切割截齿切割头，并可在需要时采取低速砂岩切割的方式，以减少对截齿部件的磨损。

（2）泥岩地质应用悬臂掘进机开挖施工措施。在进行泥岩地质开挖施工时，为了防止切割头部件被泥沙糊住，应使用配合长型截齿的大螺距螺旋线截割头坡。在使用时应对截割头定时清理泥沙操作，以防止泥沙干燥硬化后难以清理，避免影响开挖效率。

（3）硬岩地质应用悬臂掘进机开挖施工措施。针对面积大的无缝岩层进行开挖施工时，为了有效减少截齿部件磨损，提升开挖效率，应用钻胀掘组合工开挖法并配合使用安装硬岩型截齿的硬岩截割头，在有效降低硬岩应力后完成硬岩块状截割。

3.2 其他应用性措施分析

（1）悬臂掘进机除尘措施。悬臂掘进机在进行开挖施工时会产生大量的粉尘，应通过有效措施对隧道环境加以控制，针对大断面分层开挖方式应使用履带式除尘车进行隧道粉尘清除，针对全断面开挖方式可应用悬臂掘进机自身除尘设备进行隧道粉尘清除，同时配合抽风管路一同使用。

（2）悬臂掘进机的超欠挖控制措施。悬臂掘进机主要通过激光导向仪进行施工轮廓定位，保证开挖断面定位准确，同时应用悬臂掘进机的遥控功能规避在盲区条件下施工，保证了超挖控制的精确性和灵活性。

（3）挖机类履带及自动捐缆措施。悬臂掘进机的挖机类履带更适合隧道开挖施工的内路移动。其自动卷缆装置能够配合悬臂掘进机的移动进行电缆的进出，免除了人力进行收放，提高了操作安全性能和施工效率。

4 XTR6/260 型悬臂掘进机的应用分析

XTR6/260 型号的隧道悬臂掘进机已在国内的大型隧道开挖工程项目中广泛使用，在易坍塌地质、硬岩地质、溶洞地质等不同复杂地层发挥了重要功效。其应用过程主要能够解决以下问题：①面对泥岩、砂岩等复杂的地质结构，针对不同地质结构实现配置不同的截割装置，实现复杂地质高效截割；②面对传统隧道开挖、清除残土等工序需要耗费大量人力，以及开挖操作人员危险作业的问题，XTR6/260 型隧道悬臂掘进机只需3 名设备操作人员，而且危险作业区无需安排操作人员，无需爆破器材，有效规避了传统隧洞开挖的安全隐患；③应对施工造成的大量粉尘，配套安装了湿式振弦除尘设备，风量效果好，具备明显的除尘效果，有效控制了粉尘污染；④施工效率对比传统钻爆法隧道施工有明显改善，效率提升率可达30%。

据实际开挖数据统计，XTR6/260 型隧道悬臂掘进机对不同硬度等级的灰岩开挖能力如图3 所示。根据切削能力、岩石硬度及截齿损耗等变量形成的开挖效率曲线可知，XTR6/260型隧道悬臂掘进机在低于90 MPa 硬岩硬度开挖时效率较高，截齿磨损低；高于90 MPa 硬岩硬度开挖时效率较低，截齿磨损较大。