刘春晖，周 扬，何伟刚

（1.中国人民武装警察部队水电第三总队，610036，成都；2.江苏科兴项目管理有限公司，210029，南京）

浅谈掘进机在高原隧洞施工中的应用

刘春晖1，周 扬1，何伟刚2

（1.中国人民武装警察部队水电第三总队，610036，成都；2.江苏科兴项目管理有限公司，210029，南京）

隧道掘进机在现代化隧洞施工中得到了广泛应用，并且取得许多经验和教训。主要介绍在西藏拉洛水利枢纽及灌区工程施工过程中，德罗引水隧洞作为高海拔地区首次采用悬臂式掘进机作业的应用情况，简要分析掘进机使用的优缺点及应用前景，为高原地区同类隧洞施工提供参考。

高原；悬臂式掘进机；隧洞施工；优缺点；拉洛水利枢纽工程

一、工程概况

拉洛水利枢纽位于西藏日喀则地区萨迦县境内，德罗引水隧洞进水口布置在拉洛大坝轴线上游约 6.2 km处，为塔式进水口，隧洞紧接进水口布置，隧洞总长7 520.76 m，进出口底板高程分别为4 283.50 m、4 280 m，整条隧洞主要以Ⅳ、Ⅴ类围岩为主。

二、工程现状

21世纪我国隧洞和地下工程项目越来越多，如此多的隧洞工程建设，为隧道掘进机的应用和发展提供了广阔空间。我国的隧洞掘进机技术相对于一些发达国家起步较晚，但隧洞掘进机独特的施工优点势必会在未来的隧洞施工中成为主要施工方法。

2015年11月德罗隧洞正式引进一台徐工集团EBZ260悬臂式掘进机。该掘进机由切割机构、铲板总成、第一运输机、本体总成、行走机构、后支承、操纵台、液压系统、除尘喷雾系统、电气系统、润滑系统、护板、标志和涂装构成。掘进机整机长11 677 mm、高5 056 mm、最大切割岩石抗压强度≤90 MPa，行走速度6 m/min，装载能力4.3 m3/min，总功率447 kW。掘进机由出口方向往进口方向掘进。

掘进机在德罗隧洞正式开挖时间为2015年11月10日，截至2016年9月30日，共计使用324天，完成进尺总计790 m。平均进尺每天2.44 m。未工作时间为110天，实际平均进尺为每天3.69 m。

三、掘进机使用情况

掘进机自运行以来，其进尺能力受到诸多因素的影响。

1.掘进机操作手的工作经验和操作技能直接影响断面的形成和进尺速度

使用期间，共计有4个操作手进洞施工，4个人技术水平高低不等。在岩石条件相同的条件下，同样的时间内不同的操作手完成的进尺相差接近2倍，而且所开挖的断面超欠挖控制差距较大。

2.掘进机的常规保养和维修需要的时间大幅度延误了施工进度

自德罗隧洞出口使用掘进机以来，因为机器维修故障而导致直接停工时间接近一个月。由于该类型的悬臂式掘进机在西藏是首次引进使用，在整个西藏地区都没有售后服务和维修保养的直营店，导致掘进机的配件基本上都需要厂家发货。西藏地理位置比较偏远，而部分配件较重，不能空运，导致维修期较长。除去较为频繁、耗时较短的掘进机 “二运”损坏，包括轮胎、轴承、皮带、传送轮等，掘进机维修中，掘进机大臂油缸维修更换、掘进机“一运”收料盘故障以及掘进机钻头轴承维修也都耗费了大量时间。

3.掘进机钻进时，出渣车故障也直接影响掘进机的施工效率

在施工过程中，掘进机的“二运”坡角较高，可以直接通过皮带传送至出渣车内。但是受洞内通行条件的限制，有时需要装载机协助出渣，降低了掘进机的效率。越来越长的运距导致出渣车的数量有所增加，因而出渣车的故障问题也严重影响了掘进机的工作效率。洞内粉尘过大也是导致出渣车发生故障的原因之一。虽然该型号掘进机有喷雾除尘系统，但是喷洒能力有限以及抽尘风机功率过小，几乎起不到除尘作用，直接导致出渣车和掘进机长时间暴露在严重的粉尘中施工，加大了机械设备的负荷，导致故障率提高。

4.底板浇筑及冬季停工等其他因素导致掘进机未能正常施工

由于整条隧洞主要以Ⅳ、Ⅴ类围岩为主，洞内会有不同程度的渗水溢出，导致岩石风化、泥化现象严重。虽然按照设计高程预留30 cm保护层开挖底板，但经过出渣车来回碾压，一段时间后底板就会出现大量超挖，渗水量越大的地方超挖越厉害，所以每隔150 m就要进行一次底板浇筑，总计底板浇筑耗时51天。冬季停工时间为2016年1月9日—2016年3月23日。

四、掘进机的优缺点

鉴于该类型的掘进机是第一次在西藏地区使用，经过近一年时间的运行后，总结出以下优缺点。

1.优点

①西藏地区属于维稳敏感地区，对于火工产品的管控相当严格，特别在“3.14”、各大节庆期间都有可能停止火工产品的使用，而掘进机则不会受此限制；②掘进机施工投入人工少，操作人员均位于驾驶室内工作，无需暴露在裸露围岩下，如遇地质不良地段发生塌方，施工人员安全能最大程度得到保障，不会发生群死群伤的现象；③掘进机钻进主要是利用截齿切割岩石进行开挖，相对于钻爆施工对围岩的扰动较小，较大提高了围岩的稳定性；④开挖断面一次成型，超欠挖可以控制到规范要求的最小值（这与操作手的能力有很大关系），可减少初期支护工程量；⑤开挖速度快 （要求各个方面配合协调到位），可以达到钻爆法的2～3倍。

2.缺点

①对操作手要求高，否则发挥不出设备该有的施工能力；②维修不方便，该问题可以通过在使用地区开设售后服务中心来改变；③除尘问题还需进一步解决；④费用较高，如不能完全发挥出设备的施工能力，其开挖成本会比常规钻爆法高。

五、结 论

综上所述，悬臂式掘进机在西藏地区的首次使用效果是值得肯定的，虽然没有达到预期的施工效果，但是只要解决好上述缺点中的前3条内容，悬臂式型掘进机在西藏地区的应用前景无限。

[1]陈加胜.悬臂式掘进机行走和截割智能控制研究[C].西安:安科技大学,2006.

[2]徐楠，等.悬臂式掘进机自动截割控制的研究[EB/OL].http://www.paper.edu.cn/ releasepaper/contert/201108-176,2011.

责任编辑 张瑜洪

图3 坝体三维有限元网格

③计算结果及分析。坝坡抗滑稳定计算分析成果详见表2，结果表明各工况坝坡采用不同的料场材料参数抗滑稳定安全系数均能满足规范要求。

（3）坝体有限元分析

①计算方法及模型。采用非线性三维有限元法模拟坝体分层填筑与蓄水过程，分析坝体应力及变形。考虑沥青混凝土心墙与混凝土基座、筑坝材料之间材料性质相差较大，在荷载作用下，相互之间存在相对滑移，采用在防渗墙与混凝土基座、过渡料界面设置接触单元模拟滑移。坝体三维有限元网格，见图3。

②计算工况及参数。计算分完建期和蓄水期两种工况，坝体填料参数根据室内试验取较低值。其中，完建期工况大坝上下游无水荷载，首先模拟上游围堰施工过程，然后分级模拟大坝施工过程，大坝从建基面最低高程分层均匀填筑到设计坝高 4 305 m；蓄水期工况在大坝填筑完成后，分级模拟上游蓄水至正常水位4 298 m高程，下游无水荷载作用。

③计算结果及分析。计算结果表明沥青混凝土心墙蓄水期顺河向位移最大值为5.2 cm，相对于最大坝高为61.5 m的心墙坝来说仍然较小，其最大挠跨比约为0.08%，心墙发生挠曲破坏的可能性不大；心墙大主应力最大值为2.07 MPa，小主应力最大值为0.98 MPa，均出现在心墙底部，心墙全高程无拉应力出现，其应力水平最大值为0.64，心墙受力状态良好，未发现剪切破坏单元，心墙发生剪切破坏的可能性较小；心墙上游面水压力与心墙竖向应力比值较小，比值均在0.51以下，因此，可以认为心墙发生水力劈裂的可能性不大。坝体应力、变形最大值见表3。总体而言，坝体的应力、变形值不大，坝体应力水平小于1，整个坝体处于安全状态。

责任编辑 张金慧

Application of tunnel boring machine to tunnel construction in high altitude areas

Liu Chunhui，Zhou Yang，He Weigang

Tunnel Boring Machine(TBA)has been widely adopted in tunnel construction in modern age that has obtained successful experiences and valuable lessons.The paper makes an introduction on the application of TBA,for the first time to the construction of Deluo Tunnel in high-altitude Tibet.Advantages and disadvantages of TBA and its application prospective are briefly analyzed.The project shall be a good example for the construction of similar tunnels in high altitude areas.

highland;cantilever tunneling machine;tunnel construction;advantage and disadvantage;Laluo Multipurpose Hydraulic Project

TV512

B

1000-1123（2016）20-0056-02

2016-10-18

刘春晖，工程师。