隧道悬臂掘进机机械开挖施工工法

刘楠

摘要：近些年来，社会经济的发展，带动了我国高速铁路建设事业的发展。值得注意的是，在国内一些高速铁路工程项目，作为全线控制线工程，其特点鲜明，比如施工任务繁重，工期紧张等，因此在其隧道开挖施工环节，合理选择开挖施工掘进机械及施工工艺方法（简称“施工工法”）显得至关重要。本文以隧道悬臂掘进机机械开挖施工工法特点及适用范围为切入点，然后分析隧道悬臂掘进机机械开挖施工工法要点，旨在全面提升高速铁路工程项目隧道开挖施工的质量及安全性。

关键词：高速铁路；隧道悬臂掘进机；机械开挖；施工工法；特点；适用范围；要点

兰合铁路，为国铁I级高速铁路，起点为兰州西站、终点为合作站，是以旅客运输为主，兼顾轻快货物高铁物流运输功能的国铁干线。在其西固隧道，作为双洞单线隧道，正线全长为22100米。因工程属于全线控制性工程项目，存在施工任务繁重、工期紧张的鲜明特点，为确保隧道工程施工效率、质量及安全性的协同提升，减少对周边环境的扰动，保护所处区域生态环境，降低施工风险，选择合理科学的隧道掘进开挖施工工艺技术方法非常重要。此外，值得注意的是，对于隧道悬臂掘进机机械开挖施工工法，因施工机械化程度高，施工工艺技术成熟，因此值得应用在本工程隧道掘进开挖施工作业过程当中[1]。总体而言，为全面提高隧道掘进开挖施工的质量及安全性，本文围绕“隧道悬臂掘进机机械开挖施工工法”展开分析研究价值意义显著。

1.隧道悬臂掘进机机械开挖施工工法特点及适用范围概述

1.1工法特点

对于隧道悬臂掘进机机械开挖施工工法，其特点鲜明，主要包括：

（1）工艺效果好。在隧道开挖过程中，通过悬臂掘进机机械截割形式，能够使爆炸炸药的使用量有效减少。同时，与爆破开挖工艺比较，悬臂式掘进机的振动更低，能够减轻对围岩产生的扰动，保证截割面岩体具备良好的稳定效果，使大范围失稳坍塌问题得到有效预防控制。

（2）安全性高。合理应用隧道悬臂掘进机机械开挖施工工法，可以使掌子面施工人数减少，且施工过程安全性比较高，可以有效降低隧道掘进事故风险等级，使现场施工人员的人身安全得到有效保证。此外，对于围岩截割面，具备良好的可控性，能够使传统爆破方式引发的超欠挖问题避免出现。

（3）加快施工进度，控制施工成本。隧道悬臂掘进机机械开挖施工工法在合理应用的基础上，可以使钻爆施工因炸药管理控制不佳、劳动安全保障性不足对工程进度产生的制约得到有效避免[2]。与此同时，和传统施工工艺技术方法比较，施工机械化程度比较高，且可操作性强，施工流程合理科学，速度快，在加快施工进度的基础上，能够使施工工期有效缩短，进一步使施工成本得到有效控制。

1.2适用范围

结合实践工作经验来看，隧道悬臂掘进机机械开挖施工工法适用范围包括：①脆性岩石或岩石破碎、节理裂隙发育、岩石较软的围岩地层；②对周边环境保护性较强软弱围岩地层，比如小净距隧道掘进工程、周边建筑物保护要求很高的隧道掘进工程、有溜坍体的隧道掘进工程等。本工程项目中，上台阶掌子面围岩情况、下台阶揭示围岩情况如下图1、2。

图1·上台阶掌子面围岩情况图

 

图2·下台阶揭示围岩情况图

2.隧道悬臂掘进机机械开挖施工工法要点分析

如前所述，隧道悬臂掘进机机械开挖施工工法特点鲜明，为提升隧道掘进开挖施工质量及安全性，则有必要掌握其施工工法要点。具体而言，主要要点包括：

2.1了解施工工艺原理

基于悬臂式掘进机作业状态下，在主机截割头转动的基础上，将岩石切割破落下来，然后利用前铲板星轮把渣土转送到运输皮带当中，运输皮带把渣土输送到掘进机尾部位置[3]。基于尾部通过挖掘机装车出渣的配置，并将输送皮带装置安装好，可直接把渣土输送到渣车上。在此基础上，在上下、左右摆动切割臂的基础上，可以实现对随带断面任意位置的切割，保证截割头切割出的围岩表面平整，同时保证超欠挖具备良好的控制效果。对于掘进机自带履带式行走机构，其主要特点为：机动灵活、转弯方便，且爬坡能力比较强等。对于掘进机，在其启动过程中，需按照一定顺序执行，即：先对油泵电机启动，然后对截割电机启动，进一步对截割头启动。总体而言，对于悬臂式掘进机掘进来说，为截割头与截割臂之间的组合运动，其中截割头作空间螺旋运动，截割臂作上下、左右摆动运动。

2.2做好施工准备工作

对于相关技术工作人员，需对工程项目施工图纸、规程及标准等充分了解，在掌握设计文件内容的基础上，做好设计文件核对及施工复测作业。然后将施工组织设计及工艺性实验方案编制好，进一步与施工人员进行相应的技术交底，对施工人员进行施工安全培训，施工作业开展前需组织进行安全讲话活动。此外，在组织施工方面，采取两班掘进作业形式。如下表3所示，为本次施工作业人员配置情况表。

表3·施工作业人员配置情况表

序号	班  组	人  数	职  责
1	现场负责	1	负责现场作业总体情况
2	带  班	1	负责现场班组、设备、作业工序组织协调工作
3	操作手	2	负责悬臂掘进机施工操作
4	维修工	1	负责设备日常保养、维修等
5	辅  工	2	配合设备收放电缆、调整风管、作业指示等
6	测  量	2	负责现场施工放样、测量交底等
7	电  工	1	负责现场电力、照明故障排查、实施、规整等

2.3试用及确定开挖设备

基于开挖作业开展前期，需对设计图纸详细查阅，对开挖面围岩岩性、特点、水文地质情况逐一了解，然后在现场仔细核对的基础上，针对现场岩芯展开围岩饱和单轴抗压试验，对围岩硬度单轴抗压强度、软化系数等各项参数加以明确，选择和此强度相适应的切割头，在试用的基础上，明确是否适宜，若适宜，则进行下一个环节的施工作业。

2.4严格把控围岩开挖顺序

在悬臂掘进机钻进作业过程中，设备履带机构行走为核心部分，在掘进作业期间，机械本体进行前后运动，截割臂进行左右摆动，并结合截割臂水平摆动及截割头旋转，形成系统的作业方式。其中，软岩中钻进时间比较短，硬岩中钻进时间比较长。基于掘进过程中，在机体前进、后退，且截割臂左右摆动与上下摆动的基础上，进一步执行截割头绕截割臂轴向转动[4]。此外，截割头沿阻力最小方向移动。需注意的是，沿阻力最小方向进行切割作业，截割头比能耗最低；在层状岩石切割情况下，沿层理方向切割比垂直于分层面切割能耗显著减少。若层面为水平，则横向切割最理想；若层面为倾斜，则可采取纵轴式切割方法，可采取软岩切割形式，在具备自由面之后，再对硬岩进行切割，其中最省力的切割形式为顺割。当然，还需结合围岩登记情况，对开挖工法加以明确，比如选择台阶法，或者全面法。

2.5控制悬臂掘进机开挖施工质量

在悬臂式掘进机准备好之后，需基于掌子面底部水平位置将一条槽割开，朝前移动掘进机之后，再次就位，然后使用切割头，以自上而下、左右循环的方式进行切削作业[5]。基于悬臂掘进机切割过程中，以扫底为起点进行切割作业，进一步以S型或者Z型左右循环朝上的切割路线，逐级进行切割，底部开挖至拱部后，展开二次修正作业，确保与标准的设计断面相符。完成上述施工作业之后，隧道断面便展现出雏形，但这个时候断面和最终需要呈现出来的断面形状之间尚且存在一定差异，因此需由截割头作环向运动，对轮廓线进行修正处理，以此确保符合设计标准要求，期间需掌握的切割工艺形式包括：掏槽切割、横向摆动切割、竖向摆动切割等。此外，还需进行断面修整及洞内出渣等作业，以此全面保证悬臂掘进机开挖施工环节的质量。

3.结语

综上所述，隧道悬臂掘进机机械开挖施工工法工艺效果好，且安全性高，可以加快施工进度，控制施工成本。因兰合铁路项目中西固隧道施工任务繁重、工期紧张，为确保隧道施工质量及安全性的提升，有必要合理应用隧道悬臂掘进机机械开挖施工工法，即在了解施工工艺原理的基础上，做好施工准备工作，试用并确定开挖设备，对围岩开挖顺序严格把控，进一步控制好悬臂掘进机开挖施工质量，以此使本工程隧道悬臂掘进机机械开挖施工质量及安全性得到协同提升，最终为我国高速铁路施工建设事业稳步、可持续发展奠定坚实的基础。

参考文献：

[1]陈善民,王全胜,辛维克, et al.新乌鞘岭隧道软岩大变形悬臂掘进机施工控制技术研究[J].隧道建设（中英文）,2022,42(4):720-729.

[2]闻民臣.禁爆区域地铁隧道悬臂掘进机施工技术探讨[J].现代城市轨道交通,2022(1):86-90.

[3]武华.上下近接既有构筑物隧道悬臂掘进机施工技术研究[J].铁道建筑技术,2022(5):153-158.

[4]张秋露.基于公路黄土隧道悬臂掘进机开挖与钻爆法开挖的经济对比分析[J].企业科技与发展,2022(1):76-78.

[5]陈锋.临近既有线隧道悬臂式掘进机施工技术经济分析[J].工程造价管理,2021(6):82-88.