樊志家 蓋巍巍

（三一重型裝備有限公司，遼寧 沈陽 110141）

0 引言

以往的公路道路隧道主要依靠鉆爆法進(jìn)行施工，施工危險高、施工質(zhì)量差、人員勞動強(qiáng)度大、施工效率低，隧道施工的機(jī)械化需求越來越強(qiáng)烈，以滿足日益增長的公路道路建設(shè)需求[3]。隧道掘進(jìn)機(jī)是集破巖、收料、運(yùn)輸、轉(zhuǎn)運(yùn)于一體的自動化隧道施工設(shè)備，包括綠色、環(huán)保、節(jié)能和高效等優(yōu)點，在開挖隧道過程中，將周邊居民及施工山體的植被等損害降到最低，實現(xiàn)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)與人及自然環(huán)境的和諧發(fā)展。

1 設(shè)備組成

STR260 隧道掘進(jìn)機(jī)是針對公路隧道研發(fā)設(shè)計的隧道施工設(shè)備，主要是由切割機(jī)構(gòu)、裝運(yùn)結(jié)構(gòu)、主架體、支撐行走機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)構(gòu)及后配套運(yùn)輸機(jī)構(gòu)組成的，設(shè)備通過切割機(jī)構(gòu)的回轉(zhuǎn)運(yùn)動剝離山體巖石，裝運(yùn)機(jī)構(gòu)通過回轉(zhuǎn)的星輪及鏈條，將散落在其上的巖石物料運(yùn)送至設(shè)備后方的轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)構(gòu)及后配套運(yùn)輸機(jī)構(gòu)，主架體及支撐行走機(jī)構(gòu)是為了實現(xiàn)設(shè)備切割運(yùn)輸功能的結(jié)構(gòu)部件。

1.1 切割機(jī)構(gòu)

切割機(jī)構(gòu)是由切割頭、截割臂、截割減速機(jī)和截割電機(jī)等組成的。截割電機(jī)為單速水冷電機(jī)，截割電機(jī)與截割電機(jī)叉形架通過高強(qiáng)度螺釘連接，切割頭為圓錐臺型，在其圓周分布49 把鎬形截齒，截割頭通過內(nèi)花鍵與截割臂相聯(lián)。切割機(jī)構(gòu)的工作原理是通過截割電機(jī)驅(qū)動截割減速機(jī)，帶動切割頭進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，依靠鎬形齒的切向運(yùn)動對巖石物料進(jìn)行剝離，實現(xiàn)開采挖掘工作。

1.2 裝運(yùn)機(jī)構(gòu)

裝運(yùn)機(jī)構(gòu)主要是由鏟板部和第一運(yùn)輸機(jī)部組成的，鏟板部負(fù)責(zé)裝料工作，第一運(yùn)輸機(jī)負(fù)責(zé)將裝載的物料運(yùn)送到設(shè)備后方。裝運(yùn)機(jī)構(gòu)依靠液壓馬達(dá)提供動力，通過星輪機(jī)構(gòu)及刮板鏈機(jī)構(gòu)對物料進(jìn)行裝載運(yùn)輸，第一運(yùn)輸機(jī)的理論輸送能力要大于鏟板部的理論裝載能力，保證整個裝運(yùn)機(jī)構(gòu)的連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。

1.3 主架體

主架體主要是由回轉(zhuǎn)臺、本體架、平臺托架和后支撐架組成的，各部件主要采用焊接結(jié)構(gòu)，與各部分聯(lián)接起到骨架的作用，需要承受各個功能部分對其產(chǎn)生的各種沖擊載荷，是設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)保障。

1.4 支撐行走機(jī)構(gòu)

支撐行走機(jī)構(gòu)是由支撐機(jī)構(gòu)和行走機(jī)構(gòu)組成的，支撐機(jī)構(gòu)主要功能是在設(shè)備工作時，使設(shè)備整體穩(wěn)定性及運(yùn)行安全性在人體能接受的范圍內(nèi)，以免出現(xiàn)磕碰或跌落等生產(chǎn)安全問題；行走機(jī)構(gòu)依靠液壓馬達(dá)驅(qū)動，帶動鏈輪及履帶，進(jìn)行前進(jìn)及后退作業(yè)。

1.5 轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)構(gòu)

轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)構(gòu)一般分為懸臂式第二運(yùn)輸機(jī)和牽引式第二運(yùn)輸機(jī)，2 種配置的依據(jù)是根據(jù)施工現(xiàn)場后配套運(yùn)輸情況及隧道尺寸及轉(zhuǎn)彎角度選擇，有時轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)構(gòu)也通過加長第一運(yùn)輸機(jī)來實現(xiàn)物料轉(zhuǎn)運(yùn)功能。

1.6 后配套運(yùn)輸機(jī)構(gòu)

后配套運(yùn)輸是根據(jù)用戶方自己現(xiàn)場已有的設(shè)備情況進(jìn)行選擇，通常為中型自卸車、裝載機(jī)及有軌礦車，很少有現(xiàn)場采用單側(cè)皮帶輸送或者單側(cè)刮板輸送。

2 工程應(yīng)用

2.1 工程概況

四川綿陽二環(huán)快速路葛家梁隧道項目是四川省城市快速道路建設(shè)重點項目，隧道長度為653 m，隧道為雙向6車道連拱隧道，圍巖等級跨度較大，地質(zhì)水文條件較復(fù)雜，由于隧道長度、周邊環(huán)境等因素的要求，項目采用STR260隧道掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行施工。

2.2 施工方法

根據(jù)葛家梁隧道斷面實際形狀、圍巖等級，結(jié)合選型施工設(shè)備技術(shù)參數(shù)，確定隧道開挖方式為臺階法，開挖方式如圖1 所示。先開挖隧道上導(dǎo)洞，即隧道上方5 m 高度區(qū)域，期間出渣車在隧道掘進(jìn)機(jī)后方，依靠加長一運(yùn)直接落料至運(yùn)輸卡車內(nèi)出料，同時在距離隧道施工工作面50 m左右距離同時進(jìn)行仰拱施工，確保隧道初支形狀及隧道成型尺寸。施工進(jìn)度達(dá)到預(yù)定的單次開挖循環(huán)長度后，機(jī)器退到后方，工人在掌子面支護(hù)臺車上進(jìn)行初步支護(hù)，然后噴漿穩(wěn)固。一個循環(huán)進(jìn)行完畢后進(jìn)入下一個循環(huán)。上道開挖一定距離后，機(jī)器退到下道施工，進(jìn)行下發(fā)臺階的施工，完成隧道開挖工作。

圖1 臺階法施工示意圖

2.3 施工效率影響因素

2.3.1 開挖循環(huán)長度

隧道掘進(jìn)掘進(jìn)機(jī)開挖循環(huán)長度受隧道開挖方法及巖體等級的制約，同時受到隧道地質(zhì)狀況及當(dāng)?shù)胤煞ㄒ?guī)的影響，具體長度要根據(jù)現(xiàn)場工程師或隧道設(shè)計者的經(jīng)驗及計算來確定，但是我們給出不同條件下的一般推薦值，供施工參考。推薦開挖循環(huán)長度見表1。

表1 推薦開挖循環(huán)長度參照表

2.3.2 除塵效果

隧道施工效率與除塵效果密切相關(guān)，采用隧道進(jìn)機(jī)施工時，會形成由氣體塵埃組成的渾濁空氣，開挖過程中需要使用除塵設(shè)備，否則會嚴(yán)重影響施工安全及施工效率，因此采用掘進(jìn)機(jī)施工時必須加裝除塵設(shè)備，除塵設(shè)備的處理風(fēng)量需根據(jù)隧道斷面大小合理選擇。除塵方式最好采用負(fù)壓除塵（即吸出式除塵），如果隧道較長，可以在隧道內(nèi)的適當(dāng)位置增加送風(fēng)機(jī)。安裝除塵器后，渾濁空氣經(jīng)過風(fēng)管被輸送到除塵設(shè)備的過濾器，在過濾器內(nèi)，滿含粉塵的空氣通過水浴式除塵，大粉塵和渾濁空氣中的小粉塵經(jīng)過水霧捕獲，能夠?qū)崿F(xiàn)有效降塵。

2.3.3 輪廓控制

隧道的輪廓控制應(yīng)采用激光制導(dǎo)控制系統(tǒng)，能夠使操作員掘進(jìn)得更加精確，并提高操作效率。隧道內(nèi)安裝7 個及以上激光制導(dǎo)指向儀，用于控制輪廓。每個激光制導(dǎo)指向儀會發(fā)射出1 條紅色光束，能夠長距離聚焦，從而給出及時和精確的輪廓參考信息，確保隧道開挖的直線前進(jìn)，控制隧道的超挖和欠挖[2]。激光制導(dǎo)指向儀安裝在初支隧道的裝置上，由此獲得需要的掘進(jìn)方向。操作員按照光束掘進(jìn)，就能夠確保精確掘進(jìn)。激光制導(dǎo)指向儀的特點是小巧輕便、堅固耐用且防水、耗能低、易于安裝固定、定位指向距離遠(yuǎn)，尤其是在有瓦斯的情況下仍可安全可靠地使用。

2.3.4 巖石硬度

隧道掘進(jìn)機(jī)施工成本主要來自于掘進(jìn)機(jī)截齒的損耗，巖石硬度也決定了設(shè)備整體的工作效率，根據(jù)之前項目的經(jīng)驗及截齒的性能的理論計算，總結(jié)出隧道掘進(jìn)機(jī)截割效率與巖石硬度對應(yīng)關(guān)系，見表2，根據(jù)項目進(jìn)度等因素綜合考慮施工方法。

表2 巖石硬度與截割效率關(guān)系參照表

2.3.5 后配套運(yùn)輸系統(tǒng)

渣土運(yùn)輸也是限制隧道掘進(jìn)機(jī)施工效率的重要因素，在施工時，后方可以直接采用加長一運(yùn)加小型運(yùn)輸卡車出料，其中運(yùn)輸卡車車廂離地高度不得大于1.8 m，車廂進(jìn)深2.5 m。同時要每隔200 m 開挖一個運(yùn)渣車輛躲避硐室，在卡車出料時，能夠和設(shè)備有錯車空間；也可以采用懸臂二運(yùn)加大型運(yùn)輸卡車出料，車高小于2.8 m，進(jìn)深4 m，前端物料直接通過二運(yùn)裝載在運(yùn)輸卡車上，減少了挪車?yán)速M的時間，提高后配套運(yùn)輸效率，進(jìn)而提高設(shè)備的工作效率。

3 結(jié)語

在 “綠水青山就是金山銀山”的時代背景下，綠色建設(shè)、綠色施工是隧道施工建設(shè)的必然發(fā)展方向[1]，隧道掘進(jìn)機(jī)施工有斷面形成自由控制，掘進(jìn)超欠挖控制好、圍巖擾動小、對周邊地質(zhì)水文環(huán)境影響小、施工安全性高、節(jié)省人力成本等優(yōu)點，在全國范圍內(nèi)得到廣泛推廣與使用。