(中國水利水電第十工程局有限公司，成都，610072)

1　工程概況

毗河供水工程是以“再造一個(gè)都江堰”為目標(biāo)，解決川中旱區(qū)用水問題的四川省重點(diǎn)民生工程，功能以農(nóng)業(yè)灌溉、城鎮(zhèn)供水為主，兼顧人畜用水和改善生態(tài)環(huán)境。取水樞紐位于毗河中游成都市新都區(qū)的茍家灘，總干渠穿龍泉山、跨沱江，沿沱涪分水嶺至安岳縣朝陽水庫，各類渠道總長381.36km。

毗河供水工程第二施工分部開挖斷面在10m2以下的特小斷面隧洞共49座，全長19.5km，分為城門洞型斷面和圓形斷面，開挖斷面4.3m2～9.4m2，隧洞多位于地下水位線以下，巖性多為砂巖和粉砂質(zhì)泥巖互層，巖石抗壓強(qiáng)度200kg/cm2～400kg/cm2，最長隧洞為簡陽支渠黃尖隧洞，長1193m，開挖斷面6.2m2。對于特小斷面隧洞，常規(guī)爆破開挖方法出渣困難、超挖不宜控制，施工進(jìn)度慢、后期二襯成本高，結(jié)合本工程隧洞特點(diǎn)，項(xiàng)目通過市場調(diào)研并與掘進(jìn)機(jī)廠家商議，決定在EBZ160H掘進(jìn)機(jī)相關(guān)參數(shù)的基礎(chǔ)上加以改良(減小機(jī)身寬度、增加切割機(jī)構(gòu)功率等)，研發(fā)新機(jī)型窄機(jī)身XTR4/180掘進(jìn)機(jī)，其機(jī)身窄度為同級別國際之最，有效地解決了毗河供水工程特小斷面隧洞開挖難題。

2　主要技術(shù)參數(shù)及配套資源

2.1　主要技術(shù)參數(shù)

XTR4/180掘進(jìn)機(jī)由切割機(jī)構(gòu)、支承機(jī)構(gòu)、操縱臺(tái)、本體總成、行走機(jī)構(gòu)、液壓系統(tǒng)、除塵噴霧系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、護(hù)板總成、標(biāo)識(shí)與涂裝、冷卻系統(tǒng)、鏟板總成、第一運(yùn)輸機(jī)等部件構(gòu)成。整機(jī)采用模塊化、窄機(jī)身設(shè)計(jì)，可滿足超窄巷道掘進(jìn)施工要求，切割電機(jī)、泵站電機(jī)、控制系統(tǒng)等具有防爆功能，安全可靠。主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 XTR4/180掘進(jìn)機(jī)主要參數(shù)

2.2　配套資源

配套可伸縮式皮帶機(jī)，運(yùn)輸帶帶寬80cm，運(yùn)輸帶帶速1.6m/s，實(shí)現(xiàn)開采洞渣連續(xù)運(yùn)輸，提高開采效率；每天按三班制施工，掘進(jìn)機(jī)操作工2人/班，料工2人/班，支護(hù)工4人/班，設(shè)備維修工1人/班；配備25t吊車作為掘進(jìn)機(jī)安裝起吊設(shè)備。

3　技術(shù)優(yōu)勢

相較隧洞鉆爆開挖，XTR4/180掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行隧洞開挖具有施工進(jìn)度快、超挖控制良好、作業(yè)人員精簡、對毗鄰居民區(qū)干擾小等優(yōu)勢。

相較其他機(jī)型掘進(jìn)機(jī)，XTR4/180具有以下優(yōu)勢：

(1)超窄機(jī)身模塊化設(shè)計(jì)，車身寬度1.7m，用于小型隧洞開挖優(yōu)勢明顯；

(2)采用新型的切割機(jī)構(gòu)，圓錐臺(tái)形小直徑切割頭，雙螺旋線截齒排布，破巖能力強(qiáng)；

(3)采用噴霧配合機(jī)載風(fēng)機(jī)雙重除塵，有效提高除塵效果，降低了粉塵污染；

(4)裝運(yùn)機(jī)構(gòu)采用防卡鏈設(shè)計(jì)，有效避免卡鏈、跳鏈現(xiàn)象；

(5)采用風(fēng)冷散熱，散熱效果好，在無外接水源情況下，主機(jī)可正常工作；

(6)液壓系統(tǒng)采用恒功率、壓力切斷、負(fù)載敏感控制技術(shù)，有效提高液壓元件壽命，降低系統(tǒng)故障。

4　主要工藝及施工方案

4.1　掘進(jìn)工藝

工作面采用“一次截割成形”，截割頭從工作面中間截面的底部開始截割，利用截割部的上下、左右移動(dòng)，以及行走功能，按截割規(guī)定的路線使截割頭掃過巷道截面使其一次成形。截下的洞渣由鏟板部收集，通過第一、二運(yùn)輸機(jī)運(yùn)至皮帶機(jī)輸送至洞外，裝載機(jī)裝自卸車運(yùn)至渣場堆存。

4.1.1掏槽、擴(kuò)槽

掘采從工作面中間截面的底部開始截割，截割頭鉆進(jìn)200mm進(jìn)行第一次掏槽，然后截割頭向外側(cè)擺動(dòng)300mm，完成擴(kuò)槽運(yùn)動(dòng)；截割頭再鉆進(jìn)200mm進(jìn)行第二次掏槽，截割頭向兩側(cè)擺動(dòng)300mm，完成第二次擴(kuò)槽運(yùn)動(dòng)；截割頭鉆進(jìn)200mm進(jìn)行第三次掏槽，截割頭分向外側(cè)擺動(dòng)300mm，完成第三次擴(kuò)槽運(yùn)動(dòng)。

掘進(jìn)機(jī)掏槽、擴(kuò)槽方式見圖1。

第一次掏槽第二次掏槽第三次掏槽

圖1掘進(jìn)機(jī)掏槽、擴(kuò)槽方式

4.1.2進(jìn)刀順序

完成掏槽、擴(kuò)槽后，截割頭按圖2所示的路線從底部由左向右，從下而上截割。切割時(shí)截割頭最大參與切割長度不超過700mm為宜，嚴(yán)禁將整個(gè)截割頭鉆進(jìn)巖壁。

圖2　一次截割成型路線示意

4.1.3作業(yè)班次

施工中采用三班生產(chǎn)，8h工作制。施工作業(yè)循環(huán)情況見表2。

表2掘進(jìn)機(jī)施工作業(yè)循環(huán)情況

注：(1)每天有效掘采時(shí)間至少12h，特殊情況下，第三班4h的機(jī)動(dòng)掘采時(shí)間也可用來設(shè)備維修；每天平均有效掘采時(shí)間按14h；

(2)每月按30d計(jì)算，除去2d假期，實(shí)際工作天數(shù)28d。

4.2　除塵工藝

XTR4/180掘進(jìn)機(jī)除塵噴霧系統(tǒng)分為水系統(tǒng)和風(fēng)機(jī)除塵裝置。水系統(tǒng)主要由外噴霧水路組成，外來水經(jīng)一級過濾后分為兩路，第一路直接通往外噴霧噴水架，由霧狀噴嘴噴出，起到冷卻截齒及滅塵作用；第二路通往除塵風(fēng)機(jī)除塵器，起到滅塵作用。除塵風(fēng)機(jī)吸風(fēng)口布置于回轉(zhuǎn)臺(tái)上端，灰塵經(jīng)過負(fù)壓風(fēng)道、風(fēng)機(jī)進(jìn)入除塵器，在噴霧的作用下沉降形成泥漿，由泥漿出口流出車體之外?，F(xiàn)場安裝調(diào)試后，除塵效率≥97%，有效提高工人操作視線。

4.3　掘進(jìn)機(jī)開挖施工方案

4.3.1開挖準(zhǔn)備

洞內(nèi)風(fēng)、水、電就緒，施工人員、機(jī)具準(zhǔn)備就位。

4.3.2測量放線

洞內(nèi)導(dǎo)線采用全站儀進(jìn)行測量放線，施工測量作業(yè)由專業(yè)人員實(shí)施，并在洞口設(shè)置激光導(dǎo)向儀。

4.3.3電氣操作

(1)向上搬動(dòng)電器電控箱右側(cè)電源開關(guān)手柄至“接通”的位置，此時(shí)前后照明燈同時(shí)點(diǎn)亮。檢查顯示屏、電壓表和機(jī)器周圍，如果沒有異常情況，即可按如下順序進(jìn)行開機(jī)操作。

(2)順時(shí)針旋“信號、報(bào)警”開關(guān)，發(fā)出開機(jī)信號。并觀察工作現(xiàn)場，確認(rèn)不能發(fā)生機(jī)械和人身事故方可開機(jī)。

(3)順時(shí)針旋油泵啟動(dòng)開關(guān)，油泵即可啟動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)。逆時(shí)針旋油泵電機(jī)停止開關(guān)，運(yùn)行中的油泵電機(jī)運(yùn)行停止(在試車時(shí)應(yīng)注意油泵電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)方向，若反轉(zhuǎn)應(yīng)重新接線)。

(4)逆時(shí)針旋“信號、報(bào)警”開關(guān)，發(fā)出截割電機(jī)啟動(dòng)“報(bào)警”信號?！皥?bào)警”信號發(fā)出5s后即可啟動(dòng)截割電機(jī)。

(5)若需截割低速作業(yè)，順時(shí)針旋截割電機(jī)低速啟動(dòng)開關(guān)，截割電機(jī)低速運(yùn)行。逆時(shí)針旋截割電機(jī)低速停止開關(guān)，運(yùn)行中的截割低速電機(jī)運(yùn)行停止。若需截割高速作業(yè)，順時(shí)針旋截割電機(jī)高速啟動(dòng)開關(guān)，截割電機(jī)高速運(yùn)行。逆時(shí)針旋截割電機(jī)高速停止開關(guān)，運(yùn)行中的截割高速電機(jī)運(yùn)行停止(試車時(shí)應(yīng)當(dāng)觀察截割電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向，若反轉(zhuǎn)需重新接線)。

(6)若需二運(yùn)電機(jī)作業(yè)，順時(shí)針旋二運(yùn)電機(jī)啟動(dòng)開關(guān)，二運(yùn)電機(jī)運(yùn)行。逆時(shí)針旋二運(yùn)電機(jī)停止開關(guān)，運(yùn)行中的二運(yùn)電機(jī)運(yùn)行停止(試車時(shí)應(yīng)當(dāng)觀察二運(yùn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向，若反轉(zhuǎn)需重新接線)。

(7)停機(jī)操作順序，原則上和開機(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，停其它電機(jī)。

(8)停機(jī)后，注意切斷電源，取下電源開關(guān)手柄。

4.3.4掘進(jìn)作業(yè)

利用截割頭上下、左右移動(dòng)截割，可截割出初步斷面形狀，如此截割斷面與實(shí)際所需要的形狀和尺寸有一定的差別，可進(jìn)行二次修整，以達(dá)到斷面尺寸要求。一般情況，當(dāng)截割較軟的巖壁時(shí)，采用左右循環(huán)向上的截割方法，當(dāng)截割稍硬巖石時(shí)，可采用由下而上左右截割的方法，兩種方法均盡可能地利用從下而上截割，當(dāng)遇有硬巖時(shí)，不應(yīng)勉強(qiáng)截割，對有部分露頭硬石時(shí)，應(yīng)首先截割其周圍部分，使其墜落。對大塊墜落體，采用適當(dāng)辦法處理后再行裝載。

截割頭外噴霧控制閥位于司機(jī)的右側(cè)，當(dāng)開始掘進(jìn)時(shí)，應(yīng)開此閥，使截割頭處噴霧。其外噴霧噴嘴位于截割頭后部。

4.3.5通風(fēng)除塵

隧洞施工過程中一直啟動(dòng)通風(fēng)設(shè)備供風(fēng)，保證將洞內(nèi)有害氣體濃度降到允許范圍內(nèi)，掘進(jìn)機(jī)自配除塵系統(tǒng)降塵。

4.3.6安全處理

掘進(jìn)后用人工清除掌子面及邊頂拱上殘留的危石及碎塊，保證進(jìn)入人員及設(shè)備的安全，在整個(gè)施工過程中，設(shè)兼職安全員每天進(jìn)行安全檢查，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)處理。

4.3.7出渣及運(yùn)輸

掘進(jìn)機(jī)自配一運(yùn)、二運(yùn)系統(tǒng)，一運(yùn)通過鏟板三齒星輪轉(zhuǎn)動(dòng)將石渣輸送到二運(yùn)(雙邊鏈刮板)，輸送到掘進(jìn)機(jī)尾部，皮帶機(jī)運(yùn)至洞外，裝載機(jī)裝車，自卸車運(yùn)到指定堆渣場。

4.3.8圍巖支護(hù)

開挖結(jié)束后，對穩(wěn)定性差的巖體、破碎帶及時(shí)噴5cm厚混凝土封閉巖面，系統(tǒng)錨桿及噴混凝土支護(hù)在開挖后及時(shí)進(jìn)行。

5　應(yīng)用成果分析

本標(biāo)段隧洞圍巖多為強(qiáng)風(fēng)化泥巖，地下水豐富，常規(guī)鉆爆采用的扒渣機(jī)裝自卸汽車出渣方式導(dǎo)致反復(fù)碾壓底板至漿糊狀，洞內(nèi)工作環(huán)境惡劣，隧洞開挖難以有效推進(jìn)。XTR4/180掘進(jìn)機(jī)開挖能采用配套皮帶機(jī)將洞內(nèi)開挖石渣及時(shí)運(yùn)輸至洞外，可節(jié)約大量的底板處理費(fèi)用(鋼板覆蓋、混凝土墊層等)及時(shí)間。

受隧洞圍巖強(qiáng)風(fēng)化、裂隙發(fā)育、地下水豐富等地質(zhì)條件影響，采用常規(guī)光面爆破的特小斷面隧洞，石板河圓形斷面隧洞進(jìn)尺強(qiáng)度60m/月，踏水灌區(qū)隧洞進(jìn)尺長度90m/月，隧洞平均徑向超挖超過15cm。結(jié)合本標(biāo)段隧洞特點(diǎn)，對中長型(400m以上)或毗鄰居民區(qū)的特小斷面隧洞采用XTR4/180掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行開挖，先后用于石板河圓形斷面隧洞(開挖560m，進(jìn)尺強(qiáng)度160m/月)，踏水灌區(qū)城門洞型隧洞(開挖5130m，進(jìn)尺強(qiáng)度230m/月)，其中黃尖隧洞開挖907m，進(jìn)尺強(qiáng)度220m/月，隧洞平均徑向超挖約5cm。

綜上所述，XTR4/180掘進(jìn)機(jī)月進(jìn)尺強(qiáng)度約為常規(guī)爆破方案的2.5倍，徑向超挖較常規(guī)爆破方案少10cm以上。通過XTR4/180掘進(jìn)機(jī)的使用有效保障了隧洞開挖節(jié)點(diǎn)工期，減少了大量因超挖導(dǎo)致超填的二襯混凝土，同時(shí)杜絕了部分毗鄰居民區(qū)隧洞開挖的爆破影響問題，隧洞開挖施工的進(jìn)度、質(zhì)量、安全、成本得到了有效管控。

6　結(jié)語

通過XTR4/180掘進(jìn)機(jī)首臺(tái)試驗(yàn)機(jī)在毗河供水工程第二施工分部特小斷面隧洞開挖施工的成功應(yīng)用，類似地質(zhì)情況及斷面大小的隧洞開挖工程通過經(jīng)濟(jì)比較后可借鑒使用。