悬臂式掘进机在小断面隧道掘进工程中的应用

悬臂式掘进机在小断面隧道掘进工程中的应用

王梯普，李远征，魏武巍，张 汉，李泉智，李春早

【摘 要】摘 要:小断面隧道掘进工程具有断面尺寸小、爆破施工夹制作用大、开挖功效低等特点。针对贵安新区某小断面隧道掘进施工技术难点，针对悬臂式掘进机施工的适用性、应用效果及施工不足进行分析研究，并从人力与机械配置等3个方面进行优化。工程实践表明：较传统钻爆法，采用悬臂式掘进机人员投入可减少133%，机械配置可减少140%，开挖成本可节约12.92 元/m3，既保证了施工进度和质量，又解决了安全与环保问题，为类似工程施工提供了经验借鉴。 【期刊名称】采矿技术 【年(卷),期】2019(019)004 【总页数】4

【关键词】关键词:悬臂掘进机；小断面掘进；隧道；钻爆法

0 引 言

小断面隧道的开挖建设，是地质勘查、灌引水、地下矿山开采等重点工程连接贯通的关键工序[1]。施工工艺的自动化、多样化、效率化、重型化及经济化是当前隧道掘进工程的主流发展方向[2]。盾构法及矿山钻爆法是常见的隧道工程掘进开挖方法，随着此类工程建设数量的不断增多，众多研究者对其开挖方法进行了大量的研究工作[3]。张子新等[4]通过采用大型模型试验、数值仿真和工程验证手段，系统研究地面出入式盾构法隧道新技术的关键问题，揭示地面出入式盾构法穿越不同阶段的地表沉降规律，并以南京某隧道工程的开挖应用为工程背景，分析了该新方法在工程中主要施工参数的合理选择和有效的控制技

术；杨友生等[5]从钻爆法隧道施工主要施工机械配置、配置方案优化措施、配套机械管理及专用设备使用成本等方面，简述了钻爆法隧道施工机械化配套实施控制要点。尽管盾构法及钻爆法对地质条件适应性强，特别适用于坚硬与破碎岩石隧道及大量短隧道的施工[6]，但前者受小断面施工尺寸的制约，无法满足施工条件；后者因施工工序繁琐、爆破振动对临近水系或原有地质结构造成较大的破坏、炸药单耗高且审批严格，常因其供应不及时而停工，从而延误工期。为使工程如期进行，采用新工艺开挖方法是当前小断面隧洞工程开挖建设的新课题。

悬臂式掘进机开挖法在煤巷建设工程中的应用较为成熟，随着科学技术不断发展，在非煤隧洞领域的应用前景也越来越好[7]。与上述施工方法相比，悬臂式掘进机克服其不足且具有施工进度快、围岩扰动少、安全风险低、不需购置昂贵器械、不受开挖断面尺寸影响以及开挖质量高等优点。

为此，本文以贵安新区某小断面隧道掘进为应用实例，从人力与机械配置、开挖成本及开挖功效3个方面将悬臂掘进机和矿山钻爆法做了研究和对比，针对施工不足提出相应的优化方案，为类似小隧洞工程建设提供经验参考。

1 工程实例应用

1.1 工程概况

贵安新区某小断面隧道掘进主洞总长5124.50 m，最小开挖断面尺寸为3.0 m×3.4 m；1#支洞总长298.06 m，最小开挖断面尺寸为4.5 m×4.6 m，拐弯半径为60 m，坡度为8.91%；2#支洞总长347.13 m，最小开挖断面尺寸为4.7 m×4.6 m，拐弯半径为60 m，坡度为13.36%；隧洞主、支洞断面均为城门洞型。场区属溶蚀低山丘陵地貌，场区内岩石Rc（最大抗压强度测试）为

85 MPa，测区地震动峰值加速度为0.05 g，地震动反应谱特征周期为0.35 s。隧洞整体埋深为20.0~80.0 m，平均埋深约50.0 m，其中，Ⅲ类围岩1964.87 m，占37%；Ⅳ类围岩2669.63 m，占53%；Ⅴ类围岩490 m，占10%，主要分布于隧洞进出口段及断层发育段。工程施工环境较为复杂，隧洞存在两处断层带：引5+499.06～引5+559.06和最长断层带引2+536.00～引3+771.29；隧洞进口左侧50 m有一居民饮水源，距隧洞进口178 m处有村民房屋；东纵线新寨互通立交跨线桥0#桥台桩基与隧洞主线相交于主洞引K3+988.96-K3+994.23处。多种复杂因素综合影响，使得工程难度进一步增加。

1.2 设备选型

项目隧洞主洞最小开挖断面为Ⅲ级围岩，其断面尺寸为3.0 m×3.4 m，符合主洞施工的掘进机型号有EBZ160H和EBZ230K等2种悬臂式掘进机，1#支洞最小开挖断面尺寸为4.5 m×4.6 m，2#支洞最小开挖断面尺寸为4.7 m×4.6 m，符合支洞施工的掘进机型号共有EBZ200H、EBZ260H和EBZ318H等3种悬臂式掘进机。根据掘进机厂家提供的机械类型及技术参数，主洞施工掘进机方面；EBZ230K掘进机在尺寸上更小巧、灵活，EBZ230K掘进机铲板宽度比EBZ160H型小，开挖作业时两侧铲板预留空间大于50 cm，方便操作，行走方便；支洞施工掘进机方面：需考虑支洞进入主隧洞时运转方便，且支洞作业时更加灵活，同时考虑在支洞作业设计坡度较大，其中EBZ200H掘进机符合最优条件，其机身在3种机型中最短，质量最轻，其他功能没有差异。 结合本工程隧洞围岩等级及断面尺寸情况，在咨询厂家技术人员的基础上最终确定采用EBZ230K和EBZ200H掘进机，2种掘进机性能主要参数如表1所示。