粉砂质泥岩隧洞悬臂式掘进机施工简介.doc

毗河供水一期工程粉砂质泥岩隧洞悬臂式掘进机施工简介刘云龙（资阳市水务投资有限责任公司，资阳，640100）摘要：通过对毗河供水一期工程殷家庙隧洞施工的具体分析，简要阐述了悬臂式掘进机在川中丘陵粉砂质泥岩地区施工出现的一些情况和问题，并对比分析了悬臂式掘进机施工和传统火工爆破施工的的优劣，供今后同类工程施工借鉴。关键词：掘进机；粉砂质泥岩；技术方法1引言 20世纪70年代，我国开始引进国外悬臂式掘进机运用于煤矿开采中，随着煤矿开采的扩大，悬臂式掘进机的研发与应用也得到了长足的发展，由于其高效、快速、可应用于任何隧洞断面的特点，悬臂式掘进机除在煤矿施工中得到了广泛的应用外，已经进入了铁路，公路，水利等行业，并取得了良好效果。2工程概况殷家庙隧洞位于毗河供水一期工程主干渠第四流量段，设计引水流量22m/s，桩号四0+118.83四0+939.84，全长821.01m， V类围岩长度91m，IV类围岩长度730.01m。开挖断面V类围岩54.85m，IV类围岩4.94.8m。结构断面为4.74.7m。2.1地质概况工程地址位于龙泉山以东的丘陵地貌区，隧洞进口处为19斜坡地形，基岩裸露，为J3p1（7）侏罗系上统蓬莱镇组下段（J3p1），J3p1-(7)层以粉砂质泥岩为主层粉砂质泥岩，岩层产状N4050E/SE02，洞脸边坡强风化，完整性差，挂口成洞困难；洞身穿越低矮山丘，最大埋深24m，围岩主要为J3p1（7）层粉砂质泥岩组成，产状近水平，地下水活动较微弱；出口处地形平缓，基岩裸露为J3p1（7）层粉砂质泥岩，岩层产状N4050E/SE02。强弱风化带厚度分别为5m和7m，洞顶以上岩体厚4m，强风化，可挂口成洞，边坡稳定性差，易产生顺层失稳问题。2.2水文气象概况乐至地区多年平均气温16.7，极端最高气温38.9，极端最低气温-3.4。多年平均降水量883.4mm，单日最大降水量180.2mm，多年平均风速1.6m/s，最大风速15m/s。多年平均蒸发量1107.3mm，在7、8月夏季高温下极易形成伏旱。3掘进机的选型与掘进方案的确定3.1选用掘进机施工的背景（1）按照业主要求，工程在2015年4月正式开工后，要求在当年完成9000万产值，这从客观上要求必须多开工作面，加快施工进度，因此在隧洞施工中初步考虑采用掘进机施工。（2）殷家庙隧洞主要为粉砂质泥岩，岩石强度较低，隧洞断面较小，满足悬臂式掘进机施工要求。（3）掘进机技术发展迅速，未来必将广泛的应用，为积累掘进机施工经验和技术，考虑采用掘进机施工。3.2掘进机施工与火工爆破经济对比3.2.1采用掘进机施工根据现场施工条件、地质岩性及施工经验，一台掘进机一个台班可掘进4m，每天进行两个台班施工，则每天开挖量为：8m19.72=157.7m，根据计算掘进机台时费为963.33元/台时（台时费计算详见表2-1：掘进机施工台时费）。石方运输采用20t自卸汽车，按1km运距考虑，单方运输价格为8元/ m，掘进机租金暂按每天3000元考虑。综上，掘进机开挖单方价格为：（963.3316+3000）157.7+8=124.76元/ m。则采用掘进机开挖投资额为：16190124.76=2019864.4元。表2-1 掘进机施工台时费 单位（元/台时）序号费用名称单位数量单价（元）合价（元）备注1人工费工长工时125.0025.00高级工工时318.7556.252机械费（1）设备折旧费元1380.68380.68维修费元1217.20217.20（2）电费KWh2900.98284.20合计963.333.2.2采用钻爆法施工合同投资额为：144.5816190=2340750.2元。3.2.3火工材料调差投标时炸药价格为12200元/t，根据现在市场价格询价，每吨炸药价格约为20000元。利用钻爆法开挖，单方炸药耗量按1.1kg/ m考虑。则预计火工材料调差总额为：（20000-12200）161901.11000=138910.2元。采用掘进机开挖投资额约为202万元，采用钻爆法开挖投资额约为248万元，差值为46万元，掘进机开挖更为有利。3.3掘进机的选型根据殷家庙隧洞的岩石情况、断面大小和实验数据等，初步拟用EBZ135,160,200A,260型掘进机进行比较，其大致情况如表2-2所示表2-2 掘进机选型比较表型号整机尺寸长宽高（m）截割头尺寸（mm）截割头伸缩量（mm）截割面积高宽（）截割强度（Mpa）租用价格（元/天）EBZ1358.922.51.4880073050045.01702500EBZ1609.342.91.659409285504.85.4653000EBZ200A10.443.61.7211209256504.465.67856000EBZ26010.753.21.9110261060无4.55.86858000从表2-2可以看出EBZ135和EBZ260型截割高度不能满足要求，从施工角度进行考虑，EBZ160和EBZ200A型均能满足施工要求，但是EBZ200A型掘进机租用价格较高，而且目前悬臂式掘进机在水工隧洞方面的应用尚未完全成熟，存在较多不可控因素。若在施工中出现问题或者掘进机进行维护造成掘进施工暂停时，EBZ200A型的经济损失更大，经过综合考虑，决定采用EBZ160型掘进机进行施工。其具体形式如图2-1所示：EBZ160型掘进机基本形式3.4掘进施工方案简述3.3.1掘进方案掘进是采用“S”字型由下往上的开挖方法，首先截割头在掌子面底部水平切削出一条槽，然后掘进机向前移动再一次就位后，截割头自下而上，左右循环进行切削，具体形式如图2-2所示。掘进时两名师傅进行联合作业，一人操作掘进机，另一人担任观察手。图2-2掘进机切割方式示意图掘进施工排班采用掘进班2组，支护班2组的模式即8小时掘进，4小时支护，再8小时掘进，4小时支护。在各项条件正常的情况下，施工时实际2小时可以掘进1m左右，即每天可达到8m。洞渣运输采用两台20T自卸车，施工时自卸车倒退至掘进机二运处，渣土直接落入车厢，装满渣料后运至渣场，耗时20分钟左右。4施工过程的问题分析4.1施工组织存在问题（1）理论计划为每天进行两班掘进，每次8小时，但是在实际过程中因为机器进行预热，施工前检查，保养和出渣车未能及时到位以及机手迟到等问题每班实际掘进时间只有七小时左右。（2）在掘进过程中的配套保障出现了较大问题，掘进机往前掘进了以后，风筒的跟进和风水电管线的跟进不及时，经常出现需要续接风筒和水电管线时却无人理会的情况。4.2管理机制及人员思想问题（1）由于采用了掘进机进行施工，外包队伍缺乏有经验和能力的现场管理人员，现场负责人对于掘进机施工的管理能力不足。（2）工人工资采用月薪制，未能和绩效直接进行挂钩，导致工人在施工时思想存在倦怠，迟到、早退现象严重，同时在施工中拖拖拉拉，偷懒现象明显。4.3洞内积水问题殷家庙隧洞开工时，恰好乐至地区进入雨季，在雨水，洞内渗水和施工用水的作用下，洞内积水问题严峻，再加上洞内排水系统不完善，以至于积水最深处甚至超过了40cm，对施工造成了极大影响，由于水的浸泡，再加上车辆的碾压对底板造成了极大的二次扰动，导致底板超挖达到半米之多，同时洞口钢支撑底部也出现了被侵蚀掏空的现象。4.4地质问题掘进机施工对地质资料要求较高，必须随时对地质情况进行分析。隧洞在掘进150m后，岩石硬度出现变化，强度达到了40Mpa，掘进机效率明显减慢，EBZ160加强型掘进机截割头长度为928mm，正常掘进时截割头单次进尺可以达到1m左右，一个循环可以掘进1m，但岩石强度变化后，截割头单次进尺只有70cm甚至是50cm，遇到个别地段甚至只有30cm左右，掘进效率大幅降低。4.5水平断层问题隧洞施工至220m段出现一长达22m的水平断层，刚好平行于顶拱位置，施工过程中由于断层下部被掏空且受到掘进机施工时的震动，顶拱开始掉块，最大时掉落了3m的石块，对施工造成较大影响，针对此种情况项目部及时进行四方围岩判定，确定为V类围岩，增加钢支撑支护，间距1m。同时施工中采用“短进尺，勤支护”的方法，每进尺1m，即进行支护，以保证施工安全。4.6掘进中的控制与测量问题殷家庙隧洞在具体施工中采用红外线控制开挖断面，在拱顶、拱腰和竖直段设置共计5个红外线激光发射器，每个红外线安装位置距离洞壁20cm，掘进时根据红外线点进行掘进，每掘进30m，进行一次红外线校正。但是在施工中经常出现红外线被出渣车、装载机碰撞的情况。4.7掘进机故障问题掘进机机械庞大而复杂，作业环境恶劣，空间狭窄，需要较高的后勤保障。经实际测算，殷家庙隧洞掘进机在施工过程中平均每个月会出现一次较大问题，包括掘进机二运损坏，液压系统故障等，需要耗时23天进行修理，平均每周会出现一次较小的问题，包括一运卡顿，巨石卡住铲板等，需要维修数个小时，另外在每次掘进过后，需要对掘进机进行保养。这就要求除了掘进机手以外，必须配备相应的专业维修人员，在殷家庙施工过程中常驻有山西美佳公司的维修人员以保证掘进机随时可以得到维修。4.8通风与粉尘问题掘进机施工技术快速而高效，但是却会产生很大的粉尘，殷家庙隧洞施工中粉尘问题十分严重，尤其是在掘进超过300m以后。风力的沿程损失较大，作用效果减弱。尽管有掘进机自带喷雾降尘系统，但问题依然严峻。4.9村民阻工问题殷家庙隧洞洞渣为粉砂质泥岩，岩石经水泡后迅速泥化，在出渣的过程中，渣车需要经过一条800m左右的村道，将渣料运至渣场，在运输过程中不免在村道上散落渣料，又恰逢雨季，导致村道湿滑、泥泞对当地村民出行造成较大影响。出现了村民封路禁止渣车通过的情况，对施工造成影响。5临时支护工程殷家庙隧洞围岩主要为IV类，V类围岩，根据设计图纸临时支护采用挂网锚喷支护，洞口10m段V类围岩加立I14型钢支撑，间距0.8m。5.1钢支撑支护钢支撑及其所有附件的加工制作全部在钢结构加工厂完成，殷家庙隧洞采用I14型钢支撑，冷弯时由整条工字钢冷弯制作，不允许出现焊接，搭接等情况。5.2钢筋网支护钢筋网采用6.5光圆钢筋，在施工现场预制点焊成网片，长宽尺寸为20cm，钢筋使用前清除污锈，成品钢筋网在安设时根据被支护围岩面上的实际起伏形状在岩面喷一层混凝土后铺设，钢筋网与锚杆或锚钉头连接牢固，并尽可能多点连接，以减少喷混凝土时使钢筋网发生振动现象。5.3砂浆锚杆砂浆锚杆采用“先注浆，后插锚杆”的施工方法。其施工工序为：施工准备测量放样布孔钻孔清孔验孔砂浆拌制注浆安插锚杆锚杆待强锚杆拉拔试验。布孔时用红漆做出明显标志，在钻孔后，注浆前，利用高压水或高压风把孔内的岩粉和积水清净。锚杆孔经监理验收合格后才安插锚杆。5.4混凝土喷护采用C20混凝土，现场进行拌制，“湿喷法”进行施工，其工艺流程为： 施工准备施工面清理钢筋网安装设置标尺混凝土拌制初喷试验分层喷混凝土场地回弹料清理洒水养护。喷射作业开始后，先在受喷面上喷2cm厚1:3的水泥砂浆，以减少回弹量，然后再分层喷射。一次喷厚一般应大于最粗骨料粒径的1.5倍。局部凸处喷混凝土厚度不得小于设计厚度的三分之二。6掘进机与传统火工优缺点6.1优点（1）在进度方面，采用掘进机方案开挖，一个开挖工作面每天可掘进8m；而采用钻爆法施工，每天两个循环，每个循环进尺2.5m，即每天进尺为5m。掘进机开挖方案较钻爆法而言具有快速、连续作业、机械化程度高等优势，可大大缩短施工工期，加快工程进度。（2）在工程质量方面，采用掘进机方案施工，对地层扰动小，开挖断面成型规则，洞壁光滑美观，开挖成型面质量好，超欠挖小。钻爆法施工对岩层扰动较大，不宜控制超欠挖。（3）安全文明施工方面，采用钻爆法施工噪音大，施工安全性差，对周边居民生活影响较大；而掘进机施工震动、噪声小，安全性相对较高，能有效减小对周边居民的扰动。（4）在经济方面，对于岩石强度较低，长度超过400m的隧洞，采用掘进机进行施工可取得良好效果，投入成本相较于火工爆破也较小。（5）在手续审批方面，采用火工爆破施工时，火工材料审批手续十分繁琐，且火工材料的保管、分发具有严格的要求，若采用掘进机施工则可避免繁琐的审批手续，大大提高时间的利用率。6.2缺点（1）采用掘进机进行施工对地质资料要求较高，需要对地质资料进行专门采集和实时分析，以便随时对掘进机参数进行调整来适应施工需要。（2）掘进机的适用范围存在一定限制，对于大型断面悬臂式掘进机难以满足施工要求，且掘进机对于围岩强度有严格的要求，采用掘进机施工时，围岩强度必须在掘进机适用强度范围之内。（3）在掘进施工时会产生大量粉尘，而掘进机本身的喷雾降尘系统和隧洞通风系统难以满足降尘要求，在粉尘处理方面还需要进一步的提高。（4）掘进机的数字化和机械化程度较高，要求掘进机手具有较高的文化程度和专业技术水平，同时采用掘进机施工需专门配备掘进机维护检修人员，以便随时对掘进机进行维护。（5）对于施工中的工序衔接和配合提出了更高的要求，由于掘进机进尺速度较快，对于出渣车的配合，支护的跟进，后勤的保障都提出了更高的要求。否则就难以发挥出掘进机快速施工的优势。（6）采用掘进机进行施工前期费用投入较大，对于较短的隧洞仍不宜采用掘进机进行施工。7结论悬臂式掘进机应用于隧洞施工