摘要 隧道工程的隧道開挖工藝對項目工程質(zhì)量、工程效益影響顯著，懸臂掘進機施工技術(shù)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(yōu)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(shù)展開研究，論述懸臂掘進機作業(yè)特點，探討了設(shè)備選型原則及懸臂施工技術(shù)流程，總結(jié)施工安全、質(zhì)量控制措施，旨在為同類工程提供參考。

關(guān)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(tǒng)鉆爆開挖法施工安全性難以保證，且對環(huán)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(huán)保、安全形勢發(fā)展，爆破施工越來越難以滿足環(huán)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(yīng)用廣泛，近年來應(yīng)用于隧道施工領(lǐng)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(xiàn)自動化切削、裝碴、轉(zhuǎn)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(xù)施工等優(yōu)勢，顯著提高了隧道開挖施工安全性、經(jīng)濟性，降低了施工安全風險[1-2]。基于此，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(jié)構(gòu)，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(shù)量為65萬m3。施工場地地質(zhì)勘測報告顯示，該隧道沿線地層主要為第四系全新統(tǒng)坡洪積堆積層（Q4dl+）pl、第四系上更新統(tǒng)風積黃土層（Q3eol）、沖洪積層（Q3al+pl），新近系上統(tǒng)臨夏組風化泥巖（N2l）。泥巖呈紅褐色，可塑-硬塑狀，原巖構(gòu)造破壞嚴重，節(jié)理、裂隙發(fā)育明顯，局部夾薄層狀砂巖[3]。

2 懸臂掘進機簡介

2.1 設(shè)備系統(tǒng)大樣圖（如圖1）

2.2 設(shè)備介紹

懸臂機主要由切割系統(tǒng)、裝載系統(tǒng)、運輸系統(tǒng)、行走系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、操作控制系統(tǒng)等結(jié)構(gòu)系統(tǒng)構(gòu)成，能實現(xiàn)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(huán)境擾動小、無爆破震動等優(yōu)勢，最初在煤礦開采領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，近年來應(yīng)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(jīng)濟性[4]。

2.3 設(shè)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(shù)字化的截割頭設(shè)計軟件，以高效、低磨損、低功耗為目標函數(shù)，優(yōu)化截齒排布，實現(xiàn)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(tǒng)，改善作業(yè)環(huán)境，適應(yīng)大斷面隧道施工。

（5）安全性高作業(yè)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(fā)生。

3 設(shè)備選型及施工方案

3.1 設(shè)備選型

依據(jù)工程實際情況，綜合考慮隧洞斷面尺寸、地質(zhì)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(shè)備經(jīng)驗。

3.2 設(shè)備組裝

（1）掘進機在洞外組裝完成，現(xiàn)場需安裝場地長30 m、寬20 m，現(xiàn)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(yè)：掘進機截割一定進度，控制掘進機離開作業(yè)面，停置于指定區(qū)域，工人對掌子面進行支護、立拱，噴漿作業(yè)，再進行下一循環(huán)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(jīng)濟性上較傳統(tǒng)工藝有很大優(yōu)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(nèi)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(jīng)變壓器變壓成1 140 V高壓電，方可滿足施工需求。洞內(nèi)空間有限，特高壓電進洞易引發(fā)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(nèi)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(nèi)行走設(shè)備碰撞。隧道安全專員必須在每次使用設(shè)備前，檢查洞內(nèi)臨時用電情況，謹防電纜破皮漏電現(xiàn)象。

4.2 優(yōu)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(huán)不及時發(fā)生安全隱患，須加強懸臂掘進機掘進施工及后續(xù)仰拱、二襯施工協(xié)調(diào)性，保證施工安全。

經(jīng)該隧道施工經(jīng)驗總結(jié)，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(jù)施工班組的施工熟練程度，科學配置洞內(nèi)作業(yè)人員、施工設(shè)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(shè)備自身尺寸影響，設(shè)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(shè)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(yè)需125 m。

5 進一步優(yōu)化措施

后續(xù)設(shè)備改進過程中可采用類似盾構(gòu)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(shè)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(jié)經(jīng)驗，完善除塵設(shè)施。

5.1 斷面激光定位優(yōu)化

采取移動單株紅外線激光離掌子面后移30 m以內(nèi)環(huán)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(shù)據(jù)，由測量技術(shù)員進行微調(diào)，確保隧道開挖過程中被現(xiàn)場施工員及懸臂掘進機手所掌握。

5.2 降塵環(huán)境優(yōu)化

懸臂掘進機降塵設(shè)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(xù)研究的課題，根據(jù)實況、超前地質(zhì)資料，該隧道的圍巖已經(jīng)完全進入V2級性的巖質(zhì)層，塑性，干燥，無水，懸臂掘進機掘進此類巖層結(jié)構(gòu)，截齒旋轉(zhuǎn)摩擦原石會產(chǎn)生更大粉塵。該工程做出了如下降塵優(yōu)化措施。

（1）規(guī)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(zhuǎn)，將粉塵阻隔在松散的渣體內(nèi)。

（2）添置噴霧設(shè)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(jù)項目生產(chǎn)活動實際，動態(tài)管理風險源。

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

（3）安全生產(chǎn)負責人應(yīng)做好各項監(jiān)督檢查工作，施工現(xiàn)場配專職安全員，專責做好安全監(jiān)督工作，一旦發(fā)現(xiàn)存在安全問題應(yīng)及時上報和解決;現(xiàn)場負責生產(chǎn)的管理人員要協(xié)調(diào)技術(shù)員、安全員、施工員仔細檢查安全監(jiān)管設(shè)備、施工機械等，經(jīng)檢查合格后方可開展施工活動。

7 環(huán)保措施

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

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

（3）施工階段，積極落實國家、地方、項目環(huán)保制度規(guī)定，并邀請上級環(huán)保部門監(jiān)督。

（4）根據(jù)項目實際編制環(huán)保管理預案，同時施工人員應(yīng)定時學習國家及地方各項環(huán)保制度、法規(guī)，提升環(huán)保意識，優(yōu)化環(huán)保管理，將環(huán)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(shè)置地表排水設(shè)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(huán)境，須先將相應(yīng)廢止按類排放至沉淀池進行脫污處理，再排入外排水設(shè)施。

7.2 施工廢棄物處置

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

（2）施工現(xiàn)場安排專門的清潔人員，負責打掃場地、生活區(qū)衛(wèi)生，收集場地、生活區(qū)遺留垃圾，污水溝沉淀物等，保持場地、生活區(qū)環(huán)境衛(wèi)生。

7.3 施工燃油排放措施

集中收集、處理機械運行、維護產(chǎn)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(shè)備選型階段，選擇性能良好、規(guī)格合適的施工設(shè)備，避免設(shè)備超載;施工中，嚴格按照機械設(shè)備操作規(guī)程操控設(shè)備作業(yè)，防止誤操作。

（2）做好設(shè)備檢修保養(yǎng)，保持設(shè)備處于良好狀態(tài)。

（3）加強現(xiàn)場施工組織管理，嚴格按照環(huán)保法規(guī)規(guī)定作業(yè)。

7.5 空氣污染防治

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

（2）隧道施工產(chǎn)生有毒、有害氣體的工序、工段，設(shè)置通風設(shè)施，防止引發(fā)施工安全事故。

（3）每天安排人員專門打掃、沖灑現(xiàn)場道路、施工地點，減少揚塵。

8 結(jié)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(huán)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(jié)省工期;超挖欠挖易控制，節(jié)省噴漿料，經(jīng)濟效益顯著;施工中發(fā)現(xiàn)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

[1]王蘇彧， 馬登成， 任澤， 等. 懸臂式掘進機斷面成型軌跡多目標優(yōu)化方法研究[J/OL]. 儀器儀表學報： 1-10[2021-07-28].

[2]張旭輝， 謝楠， 張超， 等. 懸臂式掘進機截割頭位姿視覺測量系統(tǒng)改進[J/OL]. 工礦自動化： 1-7[2021-07-28].

[3]呂顯福， 趙占群， 魏星星. 高地應(yīng)力軟巖隧道大變形機理及控制措施探討——以木寨嶺隧道為例[J]. 現(xiàn)代隧道技術(shù)， 2016（6）： 227-231.

[4]陳善民， 王全勝， 辛維克， 等. 新烏鞘嶺隧道軟巖大變形懸臂掘進機施工控制技術(shù)研究[J]. 隧道建設(shè)（中英文）， 2022（4）： 720-729.

[5]黃基富， 肖功夷. 懸臂掘進機在交通隧道施工中的實踐應(yīng)用與適應(yīng)性研究[J]. 現(xiàn)代隧道技術(shù)， 2021（2）： 51-62+85.

[6]丁杰. 三維激光掃描儀在軟巖大變形隧道變形監(jiān)測中的應(yīng)用研究——以木寨嶺隧道為例[J]. 運輸經(jīng)理世界， 2021（9）： 95-96.

[7]俞飛燕， 段鵬昌. 懸臂掘進機在水利涉鐵施工中的應(yīng)用——以滇中引水工程昆呈隧洞出口段為例[J]. 工程技術(shù)研究， 2022（1）： 92-95.

[8]龍明華， 周軍強， 劉云龍， 等. 懸臂式掘進機在地鐵小凈距淺埋暗挖隧道施工中的應(yīng)用[J]. 運輸經(jīng)理世界， 2021（3）： 81-82.

[9]龍明華， 李培國， 劉云龍， 等. 地鐵小凈距淺埋暗挖隧道下穿既有電力管廊及站前大道施工技術(shù)[J]. 住宅與房地產(chǎn)， 2021（24）： 205-206.

[10]李青.? 懸臂掘進機在高速公路大斷面軟弱圍巖隧道應(yīng)用的可行性分析[C]//. 2021年重慶市礦山學會年會優(yōu)秀論文集， 2021： 117-119.