饒霈 陳小松 潘亞輝 劉運佳

摘要：鄂北地區(qū)水資源配置工程優(yōu)良隧洞為淺埋隧洞，臨近構(gòu)筑物多，附近地質(zhì)條件復(fù)雜，隧洞施工對爆破振動和沉降要求嚴(yán)格。介紹了EBZ200H懸臂式掘進(jìn)機在優(yōu)良隧洞的應(yīng)用，包括懸臂式掘進(jìn)機掘進(jìn)法和鉆爆法的工法比選，掘進(jìn)機設(shè)備選型， 施工方法、進(jìn)度和開挖費用分析等。施工實踐表明，采用懸臂式掘進(jìn)機施工對圍巖擾動小、施工效率高、技術(shù)合理且經(jīng)濟效益顯著。

關(guān)鍵詞：淺埋隧洞;隧洞掘進(jìn);懸臂式掘進(jìn)機;鄂北地區(qū)水資源配置工程

中圖法分類號：TV554文獻(xiàn)標(biāo)志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2020.11.007

Abstract： The Youliang tunnel of North Hubei Water Transfer Project is a shallow buried one with lots of structures in the adjacent area and complicated geological conditions， so the construction has strict requirements for blasting vibration and settlement. The application of EBZ200H boom-type roadheader in Youliang tunnel is introduced， including comparison and selection of boom-type roadheader method and drilling and blasting method， selection of tunneling machines， analysis of construction methods， progress and excavation cost. The construction practice showed that the construction of boom-type roadheader had small disturbance on the surrounding rock mass and was highly efficient.So the consturction was technically reasonable with satisfying economical benefits achieved.

Key words： shallow buried tunnel;tunnel drilling; boom-type roadheader; North Hubei Water Transfer Project

1 工程概況

鄂北地區(qū)水資源配置工程（以下簡稱“鄂北工程”）是國務(wù)院確定的172項重大水利工程之一。鄂北工程從丹江口水庫清泉溝隧洞進(jìn)口引水，渠首設(shè)計引水流量為38 m3/s。優(yōu)良隧洞位于輸水線路樁號C6K131+119.847～131+945段，長度為858.027 m，底板高程120.07～120.01 m，設(shè)計縱坡為1∶11 000，輸水流量為26.7 m3/s。隧洞斷面為馬蹄形，凈尺寸為6.5 m×6.5 m（寬×高）。

2 工程地質(zhì)條件

優(yōu)良隧洞埋深13.0～14.0 m，上覆巖體厚5～10 m，為淺埋隧洞。圍巖類別為Ⅴ類，極不穩(wěn)定。圍巖為中元古界上巖組（Pt2b）灰綠色、灰白色白云鈉長石英片巖，呈強風(fēng)化～弱風(fēng)化狀。巖體透水率為0.71～3.39 Lu，為微至弱透水。該段圍巖單軸飽和抗壓強度30.7 MPa（弱風(fēng)化），飽和吸水率為0.56%，巖石強度為中硬巖;巖體完整性系數(shù)為0.51～0.54，巖體完整性差;結(jié)構(gòu)面狀態(tài)平直粗糙，裂隙寬度約5 mm;地下水活動狀態(tài)為有滲水或滴水現(xiàn)象;主要節(jié)理裂隙產(chǎn)狀：①片理產(chǎn)狀11°∠42°，隧洞走向121°，片理走向與洞線交角20°左右;②發(fā)育3組裂隙（鉆孔巖芯），傾角分別為20°～30°，40°～50°，70°～90°。

3 優(yōu)良隧洞與臨近構(gòu)筑物分析

優(yōu)良隧洞周邊地質(zhì)環(huán)境較為復(fù)雜，臨近構(gòu)筑物有各類民房、工業(yè)廠房、加氣站及G316國道。對隧洞的線路進(jìn)行經(jīng)濟、施工難易度等評價和比選，再根據(jù)施工社會穩(wěn)評報告，選定優(yōu)良隧洞最終走向。

優(yōu)良隧洞自樁號C6K131+119.847開始進(jìn)洞，在樁號C6K131+231.623處下穿G316國道，繼續(xù)旁穿5層居民房、1層廠房、加氣站、2層廠房、化工廠至樁號131+945出洞（見圖1）。

為保證隧洞施工安全，對優(yōu)良隧洞C6K131+119.847～C6K131+712.875段進(jìn)行超前管棚支護(hù)。 優(yōu)良隧洞與臨近地面構(gòu)筑物相互位置關(guān)系見表1。

4 隧洞施工工法比選

目前，我國常用的隧洞施工工法主要有傳統(tǒng)鉆爆法和掘進(jìn)機掘進(jìn)法[1]。兩種工法的應(yīng)用均比較成熟，其中，鉆爆法具有資金投入低、對各種地質(zhì)條件適用強、鉆爆速度相對較慢、對臨近環(huán)境擾動較大等特點[2];掘進(jìn)機法具有一次性投入大、機械化程度高、掘進(jìn)速度快、施工安全保證度高和對臨近環(huán)境友好等特點[3]。

隧洞掘進(jìn)機按照作業(yè)面的截割方式可分為全斷面掘進(jìn)機和部分?jǐn)嗝婢蜻M(jìn)機。全斷面掘進(jìn)機一般用于6 km以上的長隧洞施工。部分?jǐn)嗝婢蜻M(jìn)機是一種集截割、裝載、轉(zhuǎn)運運輸、行走和噴霧除塵于一體的高度機械化綜合掘進(jìn)設(shè)備，與全斷面掘進(jìn)機相比，具有一次性投入少、施工準(zhǔn)備短、多次利用性高、機體小且靈活性高以及適用于各種大小形狀斷面等優(yōu)點。目前，部分?jǐn)嗝婢蜻M(jìn)機主要為懸臂式掘進(jìn)機。

優(yōu)良隧洞臨近構(gòu)筑物較多，考慮鉆爆施工對爆破振動及沉降控制要求高，施工難度大，爆破施工時影響范圍內(nèi)居民需進(jìn)行搬遷（搬離），協(xié)調(diào)難度大。因此，考慮采用非爆破開挖方式即懸臂式掘進(jìn)機進(jìn)行隧洞開挖。同時，考慮到將整段隧洞全部采用懸臂式掘進(jìn)機費用較高，選擇采用懸臂式掘進(jìn)機對優(yōu)良隧洞樁號C6K131+120～C6K131+470（共計350 m）進(jìn)行掘進(jìn)。

5 懸臂式掘進(jìn)機施工方法

5.1 設(shè)備選型

根據(jù)優(yōu)良隧洞圍巖巖石單軸抗壓強度和隧洞洞徑，選用三一重工EBZ200H懸臂式掘進(jìn)機（見圖2）。

EBZ200H型懸臂式掘進(jìn)機主要技術(shù)參數(shù)如下：①整機質(zhì)量83 t（含二運、除塵系統(tǒng)）。②截割范圍，高3.3～4.8 m，寬4.2～6.0 m。③總功率387 kW（含二運、除塵系統(tǒng)）。④外形尺寸11.5 m×3.6 m×2.0 m（長×寬×高）。⑤截割電機功率200，150 kW。⑥最大/經(jīng)濟截割巖石單項抗壓強度≤90 MPa。⑦爬坡能力為±18°。⑧行走速度0～6.5 m/min。⑨供電電壓1 140 V。⑩需水量和最小冷卻水量分別為120 L/min和30 L/min。

5.2 施工方法

采用懸臂式掘進(jìn)機進(jìn)行隧洞開挖時，通過截割頭沿掌子面滾動，形成對巖面的滾動擠壓，截割頭的截齒克服巖體摩擦阻力，通過旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生切削力進(jìn)行巖石切割，實現(xiàn)破巖。

（1）EBZ200H型懸臂式掘進(jìn)機在洞外組裝完成后進(jìn)行整體試運轉(zhuǎn)。調(diào)試完成后方可進(jìn)洞掘進(jìn)。進(jìn)口洞外布設(shè)1臺掘進(jìn)機專用1 250 kVA變壓器。

（2）啟動懸臂式掘進(jìn)機，依次開動油泵電機→第1運輸機→星輪→截割頭。優(yōu)良隧洞開挖寬度為8.4 m，采用上下兩臺階法進(jìn)行開挖。掘進(jìn)機開挖工作面采用橫向反復(fù)式截割，截割時將截割頭從工作面中間底部進(jìn)刀，左右移動先割出槽窩，然后按照S型或Z型左右循環(huán)向上的截割路線層層截割。

（3）每個臺階掌子面采用“一次切割成型，二次局部修整”的方式。根據(jù)初次截割的形狀斷面進(jìn)行二次局部精修以達(dá)到設(shè)計斷面尺寸要求。

（4）掌子面切割后，采用掘進(jìn)機自帶裝運鏟板集渣，經(jīng)第1運輸機轉(zhuǎn)運至第2運輸機，第2運輸機直接裝自卸汽車運至規(guī)劃渣場。

5.3 進(jìn)度分析

優(yōu)良隧洞圍巖類別為V類，隧洞開挖按照短進(jìn)尺要求，每次循環(huán)開挖長度不得超過1.0 m，隨挖隨襯。EBZ200H型懸臂式掘進(jìn)機鉆渣速度為0.8～1.0 m3/min。實行每天3班生產(chǎn)，8 h工作制，日進(jìn)尺約為2.5 m。每月實際有效工作天數(shù)為25 d，懸臂式掘進(jìn)機月進(jìn)尺62.5 m。掘進(jìn)機掘進(jìn)效率是鉆爆法的2.0～2.5倍。懸臂式掘進(jìn)機掘進(jìn)時間分析見表2。

6 懸臂式掘進(jìn)機隧洞開挖費用分析

懸臂式掘進(jìn)機沒有相應(yīng)的臺時定額和開挖定額，從優(yōu)良隧洞EBZ200H型懸臂式掘進(jìn)機的掘進(jìn)過程臺時費用組成和隧洞巖石開挖費用構(gòu)成2個方面，對懸臂式掘進(jìn)機隧洞石方開挖費用進(jìn)行分析。

經(jīng)市場咨詢，購買1臺EBZ200H懸臂式掘進(jìn)機價格約為380萬，租賃價格約為20萬元/月。優(yōu)良隧洞350 m掘進(jìn)段總工期10個月。其中，管棚支護(hù)占2期4個月，掘進(jìn)機開挖占2期6個月，掘進(jìn)機按10個月進(jìn)行租賃。因此，臺時設(shè)備租用費=200000×10/（6×24×25）=555.56（元/臺時）。設(shè)備安裝、調(diào)試及拆除需耗時15 d，安拆費用8萬元。折算每臺時安裝拆卸費=80000/（6×24×25）=22.22（元/臺時）。機上操作人員1人，為高級熟練工，消耗1.6工時。EBZ200H型懸臂式掘進(jìn)機總功率387 kW（含二運、除塵系統(tǒng)），掘進(jìn)機所耗電量為其額定功率的0.8～0.9倍。折算臺時耗電量=387×0.85=329（kW·h）。蓄水量為7.2 m3。因此掘進(jìn)機掘進(jìn)過程中的臺時費用為984.89元/臺時。

掘進(jìn)機開挖以磨巖為主，對巖石擾動小，超挖控制很有利。掘進(jìn)機一般平均徑向超挖量僅為3～5 cm。該工程按照超挖5 cm考慮，隧洞總開挖斷面面積59.09 m2。

按照上述掘進(jìn)機進(jìn)度分析，掘進(jìn)進(jìn)尺2.5 m/d。每開挖100 m3所需機械臺班為100/（59.09×2.5/24）=16.25臺時。掘進(jìn)機施工時需5～6人進(jìn)行配合，每開挖100 m3巖石需消耗24個工時。掘進(jìn)機截齒為易耗品，根據(jù)現(xiàn)場實際工程經(jīng)驗，每開挖100 m3消耗2～6個截齒。截齒單價為500元/個，本次費用測算考慮截齒消耗為4個。

EBZ200H型懸臂式掘進(jìn)機進(jìn)行隧洞石方開挖單價分析見表3。

7 結(jié) 語

優(yōu)良隧洞EBZ200H型掘進(jìn)機進(jìn)場日期為2018年8月20日， 8月28日開始掘進(jìn)，組裝級調(diào)試時間為9 d。

優(yōu)良隧洞掘進(jìn)完工日期為2019年7月3日，總計掘進(jìn)長度為350 m（C6K131+119.847～C6K131+469.847）;單日最大掘進(jìn)長度為4 m（兩個循環(huán)），日實際平均掘進(jìn)長度為2.5 m，月實際平均進(jìn)尺約為38.0 m。

優(yōu)良隧洞下穿國道，臨近構(gòu)筑物較多，隧洞施工過程中對振動和沉降要求較高，采用懸臂式掘進(jìn)機進(jìn)行施工對圍巖擾動小、施工效率高、成型斷面好，技術(shù)合理且經(jīng)濟效益顯著。

參考文獻(xiàn)：

[1] 裴茂才，王祥. 淺談懸臂式掘進(jìn)機在水利隧洞工程中的應(yīng)用[J]. 四川水力發(fā)電，2016，35（S2）：66-69.

[2] 王超，楊運鵬，阿里木江，等. 懸臂式掘進(jìn)機在小斷面、長隧洞中的應(yīng)用[J]. 四川水力發(fā)電，2019，38（4）：101-104.

[3] 付進(jìn)，劉欣意. 國內(nèi)懸臂式掘進(jìn)機隧洞開挖的成本分析[J]. 四川水利，2016，39（6）：50-52.

（編輯：李 慧）