XTR4/180掘進機首臺試驗機在毗河供水工程特小斷面隧洞開挖施工中的應(yīng)用

(中國水利水電第十工程局有限公司，成都，610072)

1　工程概況

毗河供水工程是以“再造一個都江堰”為目標，解決川中旱區(qū)用水問題的四川省重點民生工程，功能以農(nóng)業(yè)灌溉、城鎮(zhèn)供水為主，兼顧人畜用水和改善生態(tài)環(huán)境。取水樞紐位于毗河中游成都市新都區(qū)的茍家灘，總干渠穿龍泉山、跨沱江，沿沱涪分水嶺至安岳縣朝陽水庫，各類渠道總長381.36km。

毗河供水工程第二施工分部開挖斷面在10m2以下的特小斷面隧洞共49座，全長19.5km，分為城門洞型斷面和圓形斷面，開挖斷面4.3m2～9.4m2，隧洞多位于地下水位線以下，巖性多為砂巖和粉砂質(zhì)泥巖互層，巖石抗壓強度200kg/cm2～400kg/cm2，最長隧洞為簡陽支渠黃尖隧洞，長1193m，開挖斷面6.2m2。對于特小斷面隧洞，常規(guī)爆破開挖方法出渣困難、超挖不宜控制，施工進度慢、后期二襯成本高，結(jié)合本工程隧洞特點，項目通過市場調(diào)研并與掘進機廠家商議，決定在EBZ160H掘進機相關(guān)參數(shù)的基礎(chǔ)上加以改良(減小機身寬度、增加切割機構(gòu)功率等)，研發(fā)新機型窄機身XTR4/180掘進機，其機身窄度為同級別國際之最，有效地解決了毗河供水工程特小斷面隧洞開挖難題。

2　主要技術(shù)參數(shù)及配套資源

2.1　主要技術(shù)參數(shù)

XTR4/180掘進機由切割機構(gòu)、支承機構(gòu)、操縱臺、本體總成、行走機構(gòu)、液壓系統(tǒng)、除塵噴霧系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、護板總成、標識與涂裝、冷卻系統(tǒng)、鏟板總成、第一運輸機等部件構(gòu)成。整機采用模塊化、窄機身設(shè)計，可滿足超窄巷道掘進施工要求，切割電機、泵站電機、控制系統(tǒng)等具有防爆功能，安全可靠。主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 XTR4/180掘進機主要參數(shù)

2.2　配套資源

配套可伸縮式皮帶機，運輸帶帶寬80cm，運輸帶帶速1.6m/s，實現(xiàn)開采洞渣連續(xù)運輸，提高開采效率；每天按三班制施工，掘進機操作工2人/班，料工2人/班，支護工4人/班，設(shè)備維修工1人/班；配備25t吊車作為掘進機安裝起吊設(shè)備。

3　技術(shù)優(yōu)勢

相較隧洞鉆爆開挖，XTR4/180掘進機進行隧洞開挖具有施工進度快、超挖控制良好、作業(yè)人員精簡、對毗鄰居民區(qū)干擾小等優(yōu)勢。

相較其他機型掘進機，XTR4/180具有以下優(yōu)勢：

(1)超窄機身模塊化設(shè)計，車身寬度1.7m，用于小型隧洞開挖優(yōu)勢明顯；

(2)采用新型的切割機構(gòu)，圓錐臺形小直徑切割頭，雙螺旋線截齒排布，破巖能力強；

(3)采用噴霧配合機載風(fēng)機雙重除塵，有效提高除塵效果，降低了粉塵污染；

(4)裝運機構(gòu)采用防卡鏈設(shè)計，有效避免卡鏈、跳鏈現(xiàn)象；

(5)采用風(fēng)冷散熱，散熱效果好，在無外接水源情況下，主機可正常工作；

(6)液壓系統(tǒng)采用恒功率、壓力切斷、負載敏感控制技術(shù)，有效提高液壓元件壽命，降低系統(tǒng)故障。

4　主要工藝及施工方案

4.1　掘進工藝

工作面采用“一次截割成形”，截割頭從工作面中間截面的底部開始截割，利用截割部的上下、左右移動，以及行走功能，按截割規(guī)定的路線使截割頭掃過巷道截面使其一次成形。截下的洞渣由鏟板部收集，通過第一、二運輸機運至皮帶機輸送至洞外，裝載機裝自卸車運至渣場堆存。

4.1.1掏槽、擴槽

掘采從工作面中間截面的底部開始截割，截割頭鉆進200mm進行第一次掏槽，然后截割頭向外側(cè)擺動300mm，完成擴槽運動；截割頭再鉆進200mm進行第二次掏槽，截割頭向兩側(cè)擺動300mm，完成第二次擴槽運動；截割頭鉆進200mm進行第三次掏槽，截割頭分向外側(cè)擺動300mm，完成第三次擴槽運動。

掘進機掏槽、擴槽方式見圖1。

第一次掏槽第二次掏槽第三次掏槽

圖1掘進機掏槽、擴槽方式

4.1.2進刀順序

完成掏槽、擴槽后，截割頭按圖2所示的路線從底部由左向右，從下而上截割。切割時截割頭最大參與切割長度不超過700mm為宜，嚴禁將整個截割頭鉆進巖壁。

圖2　一次截割成型路線示意

4.1.3作業(yè)班次

施工中采用三班生產(chǎn)，8h工作制。施工作業(yè)循環(huán)情況見表2。

表2掘進機施工作業(yè)循環(huán)情況

注：(1)每天有效掘采時間至少12h，特殊情況下，第三班4h的機動掘采時間也可用來設(shè)備維修；每天平均有效掘采時間按14h；

(2)每月按30d計算，除去2d假期，實際工作天數(shù)28d。

4.2　除塵工藝

XTR4/180掘進機除塵噴霧系統(tǒng)分為水系統(tǒng)和風(fēng)機除塵裝置。水系統(tǒng)主要由外噴霧水路組成，外來水經(jīng)一級過濾后分為兩路，第一路直接通往外噴霧噴水架，由霧狀噴嘴噴出，起到冷卻截齒及滅塵作用；第二路通往除塵風(fēng)機除塵器，起到滅塵作用。除塵風(fēng)機吸風(fēng)口布置于回轉(zhuǎn)臺上端，灰塵經(jīng)過負壓風(fēng)道、風(fēng)機進入除塵器，在噴霧的作用下沉降形成泥漿，由泥漿出口流出車體之外?，F(xiàn)場安裝調(diào)試后，除塵效率≥97%，有效提高工人操作視線。

4.3　掘進機開挖施工方案

4.3.1開挖準備

洞內(nèi)風(fēng)、水、電就緒，施工人員、機具準備就位。

4.3.2測量放線

洞內(nèi)導(dǎo)線采用全站儀進行測量放線，施工測量作業(yè)由專業(yè)人員實施，并在洞口設(shè)置激光導(dǎo)向儀。

4.3.3電氣操作

(1)向上搬動電器電控箱右側(cè)電源開關(guān)手柄至“接通”的位置，此時前后照明燈同時點亮。檢查顯示屏、電壓表和機器周圍，如果沒有異常情況，即可按如下順序進行開機操作。

(2)順時針旋“信號、報警”開關(guān)，發(fā)出開機信號。并觀察工作現(xiàn)場，確認不能發(fā)生機械和人身事故方可開機。

(3)順時針旋油泵啟動開關(guān)，油泵即可啟動運轉(zhuǎn)。逆時針旋油泵電機停止開關(guān)，運行中的油泵電機運行停止(在試車時應(yīng)注意油泵電機運轉(zhuǎn)方向，若反轉(zhuǎn)應(yīng)重新接線)。

(4)逆時針旋“信號、報警”開關(guān)，發(fā)出截割電機啟動“報警”信號。“報警”信號發(fā)出5s后即可啟動截割電機。

(5)若需截割低速作業(yè)，順時針旋截割電機低速啟動開關(guān)，截割電機低速運行。逆時針旋截割電機低速停止開關(guān)，運行中的截割低速電機運行停止。若需截割高速作業(yè)，順時針旋截割電機高速啟動開關(guān)，截割電機高速運行。逆時針旋截割電機高速停止開關(guān)，運行中的截割高速電機運行停止(試車時應(yīng)當觀察截割電機的旋轉(zhuǎn)方向，若反轉(zhuǎn)需重新接線)。

(6)若需二運電機作業(yè)，順時針旋二運電機啟動開關(guān)，二運電機運行。逆時針旋二運電機停止開關(guān)，運行中的二運電機運行停止(試車時應(yīng)當觀察二運電機的旋轉(zhuǎn)方向，若反轉(zhuǎn)需重新接線)。

(7)停機操作順序，原則上和開機順序相反，也可根據(jù)實際情況進行。注意不允許在不需要緊急停止的情況下，利用急停按鈕停整機，也不允許利用停油泵電機的方法，停其它電機。

(8)停機后，注意切斷電源，取下電源開關(guān)手柄。

4.3.4掘進作業(yè)

利用截割頭上下、左右移動截割，可截割出初步斷面形狀，如此截割斷面與實際所需要的形狀和尺寸有一定的差別，可進行二次修整，以達到斷面尺寸要求。一般情況，當截割較軟的巖壁時，采用左右循環(huán)向上的截割方法，當截割稍硬巖石時，可采用由下而上左右截割的方法，兩種方法均盡可能地利用從下而上截割，當遇有硬巖時，不應(yīng)勉強截割，對有部分露頭硬石時，應(yīng)首先截割其周圍部分，使其墜落。對大塊墜落體，采用適當辦法處理后再行裝載。

截割頭外噴霧控制閥位于司機的右側(cè)，當開始掘進時，應(yīng)開此閥，使截割頭處噴霧。其外噴霧噴嘴位于截割頭后部。

4.3.5通風(fēng)除塵

隧洞施工過程中一直啟動通風(fēng)設(shè)備供風(fēng)，保證將洞內(nèi)有害氣體濃度降到允許范圍內(nèi)，掘進機自配除塵系統(tǒng)降塵。

4.3.6安全處理

掘進后用人工清除掌子面及邊頂拱上殘留的危石及碎塊，保證進入人員及設(shè)備的安全，在整個施工過程中，設(shè)兼職安全員每天進行安全檢查，發(fā)現(xiàn)問題及時處理。

4.3.7出渣及運輸

掘進機自配一運、二運系統(tǒng)，一運通過鏟板三齒星輪轉(zhuǎn)動將石渣輸送到二運(雙邊鏈刮板)，輸送到掘進機尾部，皮帶機運至洞外，裝載機裝車，自卸車運到指定堆渣場。

4.3.8圍巖支護

開挖結(jié)束后，對穩(wěn)定性差的巖體、破碎帶及時噴5cm厚混凝土封閉巖面，系統(tǒng)錨桿及噴混凝土支護在開挖后及時進行。

5　應(yīng)用成果分析

本標段隧洞圍巖多為強風(fēng)化泥巖，地下水豐富，常規(guī)鉆爆采用的扒渣機裝自卸汽車出渣方式導(dǎo)致反復(fù)碾壓底板至漿糊狀，洞內(nèi)工作環(huán)境惡劣，隧洞開挖難以有效推進。XTR4/180掘進機開挖能采用配套皮帶機將洞內(nèi)開挖石渣及時運輸至洞外，可節(jié)約大量的底板處理費用(鋼板覆蓋、混凝土墊層等)及時間。

受隧洞圍巖強風(fēng)化、裂隙發(fā)育、地下水豐富等地質(zhì)條件影響，采用常規(guī)光面爆破的特小斷面隧洞，石板河圓形斷面隧洞進尺強度60m/月，踏水灌區(qū)隧洞進尺長度90m/月，隧洞平均徑向超挖超過15cm。結(jié)合本標段隧洞特點，對中長型(400m以上)或毗鄰居民區(qū)的特小斷面隧洞采用XTR4/180掘進機進行開挖，先后用于石板河圓形斷面隧洞(開挖560m，進尺強度160m/月)，踏水灌區(qū)城門洞型隧洞(開挖5130m，進尺強度230m/月)，其中黃尖隧洞開挖907m，進尺強度220m/月，隧洞平均徑向超挖約5cm。

綜上所述，XTR4/180掘進機月進尺強度約為常規(guī)爆破方案的2.5倍，徑向超挖較常規(guī)爆破方案少10cm以上。通過XTR4/180掘進機的使用有效保障了隧洞開挖節(jié)點工期，減少了大量因超挖導(dǎo)致超填的二襯混凝土，同時杜絕了部分毗鄰居民區(qū)隧洞開挖的爆破影響問題，隧洞開挖施工的進度、質(zhì)量、安全、成本得到了有效管控。

6　結(jié)語

通過XTR4/180掘進機首臺試驗機在毗河供水工程第二施工分部特小斷面隧洞開挖施工的成功應(yīng)用，類似地質(zhì)情況及斷面大小的隧洞開挖工程通過經(jīng)濟比較后可借鑒使用。