論高速公路軟巖隧道懸臂掘進機施工技術

摘要 隧道工程的隧道開挖工藝對項目工程質量、工程效益影響顯著，懸臂掘進機施工技術作為一種隧道開挖新工藝，具有掘進效率高、對圍巖擾動小、超欠挖易控制等優勢。文章依托某高速公路軟巖隧道工程施工實例，對懸臂掘進機施工技術展開研究，論述懸臂掘進機作業特點，探討了設備選型原則及懸臂施工技術流程，總結施工安全、質量控制措施，旨在為同類工程提供參考。

關鍵詞 懸臂掘進機;超欠挖控制;施工成本;施工進度

中圖分類號 TD632.2 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）12-0166-03

收稿日期：2022-04-05

作者簡介：周航（1975—），男，本科，工程師，從事公路工程施工管理工作。

0 引言

隧道工程施工是公路工程施工重難點，傳統鉆爆開挖法施工安全性難以保證，且對環境擾動較大，易造成周圍居民房屋震動開裂、下沉、坍塌事故。隨國家環保、安全形勢發展，爆破施工越來越難以滿足環保、安全施工要求，且隨著國家對爆破裝置、爆破火藥管制力度不斷加強，爆破施工逐級上報、批復等時效不易控制，增加了施工工期控制風險。懸臂掘進工藝在煤礦開采中應用廣泛，近年來應用于隧道施工領域，取得了良好的工程效果。相較于爆破施工工藝，懸臂掘進工藝采用掘進機施工，可實現自動化切削、裝碴、轉運、行走控制，具有施工成本低、掘進速度快、對圍巖擾動小、可連續施工等優勢，顯著提高了隧道開挖施工安全性、經濟性，降低了施工安全風險[1-2]?；诖?，該文依托具體工程，對懸臂機掘進工藝展開研究，對提高隧道工程整體效益具有積極意義。

1 工程概況

某高速公路隧道為左右幅分離式結構，左洞隧道長3 181 m，右洞隧道長3 202 m，隧道洞底最大埋深約294.5 m，開挖方量總數量為65萬m3。施工場地地質勘測報告顯示，該隧道沿線地層主要為第四系全新統坡洪積堆積層（Q4dl+）pl、第四系上更新統風積黃土層（Q3eol）、沖洪積層（Q3al+pl），新近系上統臨夏組風化泥巖（N2l）。泥巖呈紅褐色，可塑-硬塑狀，原巖構造破壞嚴重，節理、裂隙發育明顯，局部夾薄層狀砂巖[3]。

2 懸臂掘進機簡介

2.1 設備系統大樣圖（如圖1）

2.2 設備介紹

懸臂機主要由切割系統、裝載系統、運輸系統、行走系統、液壓系統、操作控制系統等結構系統構成，能實現切削、裝運、行走的同步化、自動化運行控制，具有掘進效率高、施工安全、對環境擾動小、無爆破震動等優勢，最初在煤礦開采領域應用廣泛，近年來應用于隧道掘進施工，取得了良好的工程效果，提升了隧道施工安全性、經濟性[4]。

2.3 設備特點

（1）定位截割范圍大，懸臂掘進機最大截割寬度6.5 m，最大定位截割高度7 m，定位截割面積45.5 m2。

（2）破巖能力強，截割效率高，數字化的截割頭設計軟件，以高效、低磨損、低功耗為目標函數，優化截齒排布，實現高截割效率下的低齒消耗率。

（3）裝運效率最高，配備寬幅大星輪鏟板、高鏈速第一運輸機及懸臂式皮帶第二運輸機。

（4）高效除塵系統，改善作業環境，適應大斷面隧道施工。

（5）安全性高作業人員少。每班掌子面僅需2人，可有效降低人工成本、防止較大傷亡事故發生。

3 設備選型及施工方案

3.1 設備選型

依據工程實際情況，綜合考慮隧洞斷面尺寸、地質情況，擬選用CTR300A、STR318/5、XTR/260型三種懸臂掘進機進行施工，積累各品牌設備經驗。

3.2 設備組裝

（1）掘進機在洞外組裝完成，現場需安裝場地長30 m、寬20 m，現場汽車吊起吊組裝。

（2）布置電纜和變壓器，為掘進機供電;連接水管給掘進機供水[5]。

（3）開機試車，無異常開始正常施工掘進。

3.3 施工方案

（1）掘進開挖：掘進機上臺階全斷面開挖，由挖機、裝載機配合卡車在機器后方出料，也可直接裝車。

（2）支護、立拱、噴漿作業：掘進機截割一定進度，控制掘進機離開作業面，停置于指定區域，工人對掌子面進行支護、立拱，噴漿作業，再進行下一循環施工。

（3）下臺階開挖注意仰拱地板的測量放樣，盡量一次性開挖到位，出渣不要全部出完，確保棧橋、仰拱面水平高度一致。

4 施工注意事項

懸臂掘進機開挖在安全性、經濟性上較傳統工藝有很大優勢，但是同時存在一些問題。

4.1 臨時用電安全風險較高

懸臂掘進機額定電壓為1 140 V，洞內供電額定電壓為380 V，無法滿足掘進機供電要求，須從洞外牽引10 kV的特高壓專線進洞，經變壓器變壓成1 140 V高壓電，方可滿足施工需求。洞內空間有限，特高壓電進洞易引發用電安全隱患，須編制高壓進洞專項方案[6]。

懸臂掘進機施工過程必須嚴格按方案施工，洞內高壓專線進洞必須請專門的電力公司安裝、檢修，同時還需做好高壓變壓器的防護工作，確保變壓器不被洞內行走設備碰撞。隧道安全專員必須在每次使用設備前，檢查洞內臨時用電情況，謹防電纜破皮漏電現象。

4.2 優化施工工藝，加強前后工序的銜接

懸臂掘進機掘進速度較快，為防止初支封閉成環不及時發生安全隱患，須加強懸臂掘進機掘進施工及后續仰拱、二襯施工協調性，保證施工安全。

經該隧道施工經驗總結，每個洞口需每兩天一板仰拱及二襯的施作，才可確保安全步距滿足施工要求。同類項目需根據施工班組的施工熟練程度，科學配置洞內作業人員、施工設備，保證掌子面進度要求[7]。

4.3 施工工作距離

新型懸臂式掘進機受設備自身尺寸影響，設備自身開挖長度需20 m，開挖上臺階時出渣長度需10 m，掌子面掘進時需將立架臺車放置于裝渣點之后，擺放長度約6 m，故下臺階距離掌子面最短距離需36 m。

開挖下臺階施工類似于掌子面開挖施工，開挖與裝渣施工距離需30 m，仰拱開挖端頭與下導施工距離需10 m，仰拱開挖、仰拱澆筑端頭與二襯端頭施工距離需35 m。綜上述，為保證施工的正常推進，設備的高效運行，實際施工所需安全步距最少需111 m，正常作業需125 m。

5 進一步優化措施

后續設備改進過程中可采用類似盾構機形式的精密操作，輸入幾個輪廓線坐標，由提前編好的電腦程序指導操作設備的位置、切割角度[8]。懸臂掘進機最大不利條件為除塵措施，需在今后的工作中不斷總結經驗，完善除塵設施。

5.1 斷面激光定位優化

采取移動單株紅外線激光離掌子面后移30 m以內環形布置，間距2 m;斷面激光定位示意圖見圖2。

噴漿面打孔定位，配套卡具固定，用全站儀紅外線樣測出實際數據，由測量技術員進行微調，確保隧道開挖過程中被現場施工員及懸臂掘進機手所掌握。

5.2 降塵環境優化

懸臂掘進機降塵設置不完善是懸臂掘進機得不到普及推廣的直接原因，對項目部也是一項繼續研究的課題，根據實況、超前地質資料，該隧道的圍巖已經完全進入V2級性的巖質層，塑性，干燥，無水，懸臂掘進機掘進此類巖層結構，截齒旋轉摩擦原石會產生更大粉塵。該工程做出了如下降塵優化措施。

（1）規劃與提高機械操作手的切割方式：其原理是利用開挖下來的原土石，掩蓋截齒頭進行旋轉，將粉塵阻隔在松散的渣體內。

（2）添置噴霧設備，包括采用霧炮機、霧簾除塵、徐工機械除塵機等。

5.3 通道灑水降塵

該隧道基本無出水流動，洞身通道過車揚塵嚴重，路面灑水降塵為日常工作重點。

6 安全控制措施

（1）成立安全管控小組，全面提升項目管理人員安全意識，多措并舉提升其安全管理水平;做好三級安全教育，差異化開展安全教育，提升安全教育的針對性、實效性;加強安全培訓，強化培訓工作，提升項目管理人員的安全意識，樹立安全就是效益的思想，根據項目生產活動實際，動態管理風險源。

（2）強化制度執行。根據項目施工特點，制定并持續完善安全生產管理制度，強化制度執行力，提升制度執行的剛性，將安全生產管理制度落實落地[9]。

（3）安全生產負責人應做好各項監督檢查工作，施工現場配專職安全員，專責做好安全監督工作，一旦發現存在安全問題應及時上報和解決;現場負責生產的管理人員要協調技術員、安全員、施工員仔細檢查安全監管設備、施工機械等，經檢查合格后方可開展施工活動。

7 環保措施

（1）建立以項目經理為主要負責人的“環境保護領導小組”，落實“環境保護責任制”，加強環保施工、綠色施工、文明施工教育，增強施工人員環保意識。

（2）施工前，深入學習國家地方環保法規，組織項目環保、技術、施工負責人開展“環保施工”交底。

（3）施工階段，積極落實國家、地方、項目環保制度規定，并邀請上級環保部門監督。

（4）根據項目實際編制環保管理預案，同時施工人員應定時學習國家及地方各項環保制度、法規，提升環保意識，優化環保管理，將環保施工思想貫穿于整個施工過程[10]。

7.1 施工廢水處理

（1）為防止地表廢水亂排亂放，須按照施工場地地表廢水來源、污染程度等，設置地表排水設施，確保地表廢水污水排放順暢。

（2）為防止機械清理廢水、施工用水、油污水、泥沙廢水污染環境，須先將相應廢止按類排放至沉淀池進行脫污處理，再排入外排水設施。

7.2 施工廢棄物處置

（1）施工場地設置可移動垃圾桶、分類垃圾桶，分類處理生活垃圾、生產垃圾、可回收垃圾、不可回收垃圾、有毒有害垃圾。

（2）施工現場安排專門的清潔人員，負責打掃場地、生活區衛生，收集場地、生活區遺留垃圾，污水溝沉淀物等，保持場地、生活區環境衛生。

7.3 施工燃油排放措施

集中收集、處理機械運行、維護產生的油污、油水，嚴禁油污、油水直接排放。

7.4 施工噪聲控制

（1）設備選型階段，選擇性能良好、規格合適的施工設備，避免設備超載;施工中，嚴格按照機械設備操作規程操控設備作業，防止誤操作。

（2）做好設備檢修保養，保持設備處于良好狀態。

（3）加強現場施工組織管理，嚴格按照環保法規規定作業。

7.5 空氣污染防治

（1）加強場地車輛、設備日常維護管理，嚴禁車輛、設備超載作業或空載運行，減少尾氣排放。

（2）隧道施工產生有毒、有害氣體的工序、工段，設置通風設施，防止引發施工安全事故。

（3）每天安排人員專門打掃、沖灑現場道路、施工地點，減少揚塵。

8 結論

綜上所述，懸臂掘進機開挖對隧址周邊或地表居民房屋的震動影響為“0”，對圍巖擾動小，環保效益、社會效益顯著;隧道開挖可一次完成，省去了鉆爆布眼、機具打孔、人工裝藥、爆破、欠挖布炮、塊石解體、機械排險等繁雜的工序，施工進度快，有利于節省工期;超挖欠挖易控制，節省噴漿料，經濟效益顯著;施工中發現該工藝對安全步距要求較高，需加強安全步距控制。

參考文獻

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