李玲玉 呂金明

(中交路橋建設(shè)有限公司，北京 101121)

0 引言

鉆爆法施工具有作業(yè)不連續(xù)、工序復(fù)雜、破壞周邊巖、擾動原巖、開挖石塊破碎度不均勻等諸多缺點。隨著社會安全形式發(fā)展，各級政府公安部門對炸藥管控力度也逐步加強，因大規(guī)模活動、會議而停供炸藥時常發(fā)生，鉆爆法的局限性愈發(fā)凸顯。懸臂式掘進(jìn)機(jī)是一種集截割、裝載、行走、除塵于一體的聯(lián)合式組合機(jī)械設(shè)備，其主要應(yīng)用于煤炭開采領(lǐng)域，近兩年隨著設(shè)備制造技術(shù)的大力發(fā)展，重型式懸臂掘進(jìn)機(jī)研發(fā)也取得了一定突破，為其在隧道工程開挖施工中應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。

1 工程概況

柞木臺隧道位于長白山脈北側(cè)支脈，牡丹嶺之中，周圍山巒連綿起伏、森林茂密，海拔768 m～1 034 m，隧道長2 970 m。隧址區(qū)位于新發(fā)—魚亮子林場斷裂和仁義頂子斷裂之間，受其影響隧址區(qū)花崗巖節(jié)理裂隙發(fā)育、巖體破碎，斷層共有7條，斷層附近節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎。隧道進(jìn)口位于柞木臺林場，需修筑便道約4 km；出口位于光明林場，需修筑便道約16 km。

2 方案選定

隧址區(qū)動植物物種豐富，時常有野生動物出沒，為提升洞口段破碎巖體段隧道開挖施工安全性，降低開挖施工對林區(qū)野生動物影響，打造綠色鶴大高速，項目組人員通過對鉆爆法、TBM、懸臂掘進(jìn)機(jī)等施工工藝進(jìn)行了綜合比選，綜合付進(jìn)、漆泰岳等人[4，5]對掘進(jìn)機(jī)在隧洞及地鐵隧道施工應(yīng)用成本情況進(jìn)行分析，結(jié)合本項目施工需求，提出重型懸臂式掘進(jìn)機(jī)開挖的實施思路。為彌補傳統(tǒng)煤礦掘進(jìn)機(jī)在公路隧道施工中存在的不足，通過對國內(nèi)懸臂掘進(jìn)機(jī)設(shè)備綜合比選，向徐工提出設(shè)備使用需求。2014年6月，江蘇徐工生產(chǎn)的首臺隧道施工用重型懸臂式掘進(jìn)機(jī)XTR260下線，該設(shè)備最大切割高度7.1 m，最大截割寬度7.5 m，對大斷面公、鐵路隧道可一次截割到位，實現(xiàn)真正意義上掘進(jìn)機(jī)全斷面開挖施工。

3 施工工藝

3.1 工作原理

XTR260隧道用懸臂式掘進(jìn)機(jī)工作時主機(jī)截割頭的轉(zhuǎn)動把巖石切割剝落下來，前推板將渣土推送至機(jī)械兩側(cè)，然后用挖掘機(jī)裝車出渣。通過切割臂的上下、左右擺動，對隧道斷面任意位置進(jìn)行切割，截割頭切割出的圍巖表面平整，超欠挖控制好。掘進(jìn)機(jī)自帶的履帶式行走機(jī)構(gòu)，機(jī)動靈活、轉(zhuǎn)彎方便、爬坡能力強，特別適用于隧道內(nèi)復(fù)雜地質(zhì)條件。

懸臂式掘進(jìn)機(jī)的掘進(jìn)過程即是截割頭、截割臂的組合運動，即截割頭的空間螺旋運動和截割臂的上下、左右擺動及運動組合，具體呈現(xiàn)出四種截割運動狀態(tài)，截割頭及截齒運功軌跡如圖1所示。

3.2 掘進(jìn)工藝

懸臂掘進(jìn)機(jī)鉆進(jìn)作業(yè)通過設(shè)備履帶機(jī)構(gòu)行走來實現(xiàn)，掘進(jìn)工作由機(jī)械本部前后運動+截割臂左右擺動+截割臂水平擺動+截割頭旋轉(zhuǎn)四部分綜合組成。軟巖中鉆進(jìn)時間較短，硬巖中鉆進(jìn)時間長，掘進(jìn)時通過機(jī)體的前進(jìn)、后退，截割臂的左右、上下擺動，截割頭繞截割臂軸向轉(zhuǎn)動共同來完成，切割原則截割頭沿阻力最小方向移動。

掘進(jìn)機(jī)通過截割頭的上下、左右復(fù)合運動，隧道斷面初具雛形，此時斷面與最終需呈現(xiàn)出的斷面形狀還有一定差異，最后還需要截割頭環(huán)向運動修正輪廓線，以達(dá)到設(shè)計要求，具體工作方式如下：

1)掏槽切割。

掘進(jìn)機(jī)掏槽切割時所需力較小，掘進(jìn)推力通過掘進(jìn)機(jī)前進(jìn)提供。掏槽時截割頭的推進(jìn)方向與切線方向形成近似直角。掏槽點可選擇隧道斷面任意點位置，施工時應(yīng)確保截割臂處于水平狀態(tài)，選擇截割頭處巖石較硬的點，此時截割頭處于最好受力狀態(tài)。掘進(jìn)機(jī)最大掏槽深度為截割頭長度，掏槽施工時避免掘進(jìn)機(jī)頂進(jìn)施工。

2)橫向擺動切割。

橫向擺動切割方式選取應(yīng)根據(jù)巖層走向來確定，當(dāng)巖層走向水平時，橫向切割最有利，對截齒損傷最小。掘進(jìn)時轉(zhuǎn)動截割頭進(jìn)行掏槽作業(yè)，轉(zhuǎn)動回轉(zhuǎn)軸承，使截割頭沿著巖石層理方向水平均勻轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動時避免過快操作損傷截齒。

3)豎向擺動切割。

當(dāng)巖層層理是傾斜或豎直時，選擇豎向擺動切割，此時鎖定機(jī)械本部回轉(zhuǎn)軸承，通過調(diào)節(jié)液壓油缸，利用截割臂帶動截割頭做上下豎直運動。

4)斷面修整。

掌子面經(jīng)截割頭上下、左右移動切割后，可切割出斷面大致形狀，此時與設(shè)計斷面還有一定差異，需用截割頭繞輪廓線環(huán)向截割作業(yè)，達(dá)到斷面設(shè)計要求。環(huán)向截掃作業(yè)時，控制好截割頭移動速度，不可過快。

5)出渣。

XTR260通過前推板將切割下來巖體推擠至設(shè)備兩側(cè)，通過挖掘機(jī)裝車，運輸至洞外。但其前推板設(shè)計，雖降低了設(shè)備成本和結(jié)構(gòu)自重，但不能實現(xiàn)切割出渣同步作業(yè)，出渣效率受到一定影響。

不同開挖工藝截割路線圖見圖2。

3.3 控制措施

懸臂掘進(jìn)機(jī)對不同巖層采取不同工藝進(jìn)行切割：對硬度較小(f<6，f為巖石普氏系數(shù))的巖石，截割頭水平擺動循環(huán)向上切割；對巖層硬度不同、軟硬不均時，先剝離硬巖周邊軟巖，截割頭自下而上左右擺動切割；對硬度較大的巖石(6≤f≤10)，根據(jù)巖層的節(jié)理情況確定鉆進(jìn)深度，鉆進(jìn)時截割臂應(yīng)處于水平狀態(tài)且位于機(jī)器中心位置。

3.3.1軟巖掘進(jìn)控制

掘進(jìn)機(jī)在隧道軟巖和極軟巖地層開挖時，應(yīng)根據(jù)圍巖變形量情況，在設(shè)計開挖線基礎(chǔ)上，預(yù)留適當(dāng)?shù)淖冃瘟浚_保二襯施工完畢后，不侵入設(shè)計建筑界限。

1)泥巖。

在泥巖地層中，應(yīng)選用“大螺距螺旋線截割頭+長形截齒”截割頭。為防止粘土粘住截割頭，掘進(jìn)過程要及時清理截割頭上粘土，避免干燥后硬化，糊住截割頭。

2)砂巖。

較普通石灰?guī)r而言，砂巖對截割頭的損耗更大，施工時應(yīng)選用砂巖專用截割頭，同時通過降低截割頭轉(zhuǎn)速，降低截齒損耗。

3)軟硬不均巖層。

遇到軟巖中夾雜局部裸露硬巖時，應(yīng)先對硬巖周圍部分巖體切割，將其剝落后，再進(jìn)行分解裝載。作業(yè)時，推板與地面處壓接密實，防止機(jī)體振動影響切割效果。

3.3.2硬巖掘進(jìn)控制

大塊硬巖對掘進(jìn)機(jī)截齒損傷很大，施工時應(yīng)根據(jù)巖石硬度及節(jié)理發(fā)育等因素綜合對比，確定鉆進(jìn)位置和深度。為減少截齒損耗，對100 MPa以上無裂隙巖石應(yīng)先切削周邊軟巖，改變切割線路進(jìn)行擠壓破碎，將整塊巖石剝落。對大面積硬巖可采用松動爆破釋放巖石應(yīng)力，同時更換更小的截割頭，安裝硬巖截齒。硬巖鉆進(jìn)過程，單次最大鉆進(jìn)深度控制在22 cm，以掏槽孔為起點橫向擴(kuò)展，最大擴(kuò)展尺寸不超過70 cm。

3.4 降塵作業(yè)

掘進(jìn)機(jī)切割過程中會持續(xù)產(chǎn)生粉塵，且截割頭持續(xù)與巖層摩擦溫度也會上升。為改善洞內(nèi)作業(yè)環(huán)境，確保截割頭溫度處于合理狀態(tài)，施工時采取噴水進(jìn)行除塵降溫。截割頭啟動后，打開設(shè)備自帶的外噴霧控制閥，對截割頭噴霧后方可切割巖石。為確保降塵效果，施工前應(yīng)檢查設(shè)備冷卻系統(tǒng)及噴霧系統(tǒng)，確保噴霧系統(tǒng)無堵塞且流量不小于40 L/min。

3.5 精度控制

為控制好超欠挖，施工時采用激光導(dǎo)向系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)記開挖輪廓。根據(jù)隧道斷面尺寸情況，安裝5個～7個激光導(dǎo)向器。激光導(dǎo)向器安裝于已施工好的二襯上，其光束能夠長距離聚焦、穿透力強，標(biāo)記點清晰干擾小，斷面修整時通過激光束標(biāo)記點可有效控制超欠挖。

4 結(jié)語

懸臂式掘進(jìn)機(jī)能夠具有震動小、安全風(fēng)險低、環(huán)境適應(yīng)性強等特點，通過激光導(dǎo)向定位與描紅標(biāo)記定位相結(jié)合能較好控制超欠挖，但實施過程中需關(guān)注以下幾點：掘進(jìn)機(jī)調(diào)整時會導(dǎo)致12 m～16 m中隔墻不能施工，對于小斷面CD法不適用；由于掘進(jìn)機(jī)總質(zhì)量大，易對CRD法的臨時仰拱造成破壞，故其不適用于CRD法施工。為防止開挖時懸臂掘進(jìn)機(jī)截割頭破壞已施作好的初支結(jié)構(gòu)，初支施工距掌子面要留有0.8 m左右的空間。懸臂掘進(jìn)機(jī)開挖過程中持續(xù)產(chǎn)生粉塵，且隨摩擦?xí)r間增長，截割頭溫度會上升，施工時需持續(xù)對切削面截割頭噴水降溫、降塵。

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