悬臂式掘进机在软岩隧道施工中的应用

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1 引言

本文通过焦晋高速公路黄塘隧道具体引进国产S100型悬臂式掘进机使用情况的探索，认为通过设备的改进和升级，随着新一代国产机型的问世,对地下工程中小断面及大断面分步开挖的软弱围岩及土质隧道施工开挖技术将产生很大变革，是一项值得探索应用的新技术、新设备。

2 悬臂式掘进机发展现状

悬臂式掘进机自十九世纪问世以来，经历了一个多世纪的研制、改进和发展阶段，在国外发达国家充分运用到煤矿、交通等地下工程施工领域，特别是近二十年来，许多新技术运用到掘进机的设计及制造当中，如激光导向、激光测距、自动控制技术、自动控制切削路径等。从机型本身来说：多样化、重型化、经济型已是发展方向。我国从1965年引进技术至今，国产化技术及应用得到了快速发展，已使我国悬臂式掘进机设计、制造接近国际水平，形成了许多有代表性的机型。同时在国内煤炭系统作为主流巷道掘进设备之一，提高了机械化作业程度，受到了业内人士的公认，具有广阔的应用前景。     

3 工程概况

黄塘隧道属焦晋高速公路（焦作段）第三合同段，全长275米。为整体式双洞双车道布置，设计为双联拱单向行驶隧道。隧道设计位于2.5%的下坡段，最大埋深31米，其建筑限界为净宽9.75米、净高5.0米。隧道穿过地层主要为II、III类围岩，其中II类围岩主要为松散泥夹石及亚粘土和泥质白云岩，裂隙极为发育，呈碎块状，围岩稳定性较差，隧道开挖拱部易塌方，侧壁易失稳；III类围岩为中厚层白云岩夹薄层白云岩，单斜构造，结合力差，多有分离现象，岩体成碎石镶嵌结构。隧址水文地质简单，地下水出露较少，局部有潮湿感。

4 施工方案选定

（1）黄塘隧道是一座典型软岩公路隧道，是全线咽喉控制工程，其施工工期紧。如采用传统的钻爆法施工，需采取超前管棚、固结注浆等特殊施工工艺，工艺复杂，进度慢。

（2）悬臂式掘进机是一种部分断面掘进机。集切削、装碴、转运和自行于一身，可以做到切削、装运同步进行。具有连续掘进、无爆破震动，对围岩的扰动小，减少超欠挖，便于施工综合配套，对复杂地质适应性强等优点。是软弱围岩理想的开挖设备。

（3）悬臂式掘进机具有多功能性及机动性，当遇到意外情况，便于及时调整施工方案，而不影响施工进度。

（4）为加快施工进度，探索悬臂式掘进机隧道施工方法，根据黄塘隧道的地质条件及中导洞的断面尺寸（5.32×6.3m），选用S100型悬臂式掘进机进行掘进施工，以提高软岩隧道机械化施工程度及其配套施工技术。

5 S100型悬臂式掘进机的构造原理、特点及性能参数

S100型悬臂式掘进机由切割部、铲板部、第一运输运机、本体部、行走部、液压系统、支承系统、水系统及电气系统几大部分构成（参见图1）。通过切割头旋转切削，由耙爪、第一运输机实现落碴的装运与转载。其在设计上有下列优点：切割头可以伸缩，减少机器频繁调动；有提高机器稳定性的支撑装置；装运部行走部等采用液压驱动，过载保护能力强；切割电机为双速电机，转速切换灵活，有切割功率显示，热敏保护；内外喷雾等。其在隧道掘进施工中具有施工前的准备迅速容易、多功能性、灵活性及再利用等特殊优点。

                                图1  S100型悬臂式掘进机

 

  S100悬臂式掘进机主要性能参数见下表：

6 施工方法

黄塘隧道为带中墙双跨连拱结构,开挖采用三导坑断面先墙后拱法。中导坑先行贯通,并按设计进行中墙永久性砼衬砌，左侧导坑施工略滞后一段时间,再进行右侧导坑及右侧隧道施工。拱部采用环形短台阶开挖，并且在拱部初期支护完成后进行中墙上方围岩加固，拱部开挖时，中导坑应予以回填。开挖步骤见图2。

图2 黄塘隧道开挖步骤图

6.1中导洞开挖方法

中导洞的断面尺寸（5.32×6.3M），S100型悬臂式掘进机一次定位切削断面为（5.3×4.6M），故中导洞采取分上下两个台阶开挖（见图4），上部选用S100型悬臂式掘进机进行掘进及装碴，自卸车运输。上部贯通后，再进行下部开挖，下部采用钻爆法施工。

6.2施工工艺流程（见图3）

  图3  悬臂式掘进机施工工艺流程图                图4  切削顺序图

6.3切削方法

悬臂式掘进机就位后，开始从掌子面底部A点到B点水平切削出一条槽，向前移动掘进机再一次就位，就位后截割头采取自下而上、左右循环切削，参见图3。在切削同时铲板部耙爪将切削下来的碴装入第一运输机，第一运输机转运至第二运输机，第二运输机直接装入出碴车运出洞外，参见图5。从底部开挖到顶部完成后，进行二次休整以达到准确的设计断面。当局部遇有硬岩时，可先掘周围软岩，使大块硬岩坠落，采用改炮方式另行处理，以降低掘进难度及截齿消耗量。

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