悬臂式掘进机在工程隧道应用中关键技术探讨

悬臂式掘进机在工程隧道应用中关键技术探讨

作者：陶成财

来源：《环球市场》2019年第08期

摘要：我国于 1980 年代，引入了硬岩式掘进机，早期主要应用方向为水工隧道工程施工。郑煤集团裴沟煤矿在 2007 年购进了 EBZ200H 硬岩掘进机，在投入使用后，显著提升了掘进进尺，带来了巨大的经济效益。然而，我国当前大多数硬岩掘进机仍存有明显的问题，对矿山的生产和发展仍存在一定程度上的制约。鉴于此，本文主要分析悬臂式掘进机在工程隧道应用中关键技术。

关键词：悬臂式掘进机;工程隧道;应用 一、概述

悬臂式掘进机是一种能在自行走的基础上实现煤岩截割、装运、降尘的多功能机组，主要作用是煤矿综采工作面的采准巷道掘进。

随着城市地下工程建设不断增加，相对钻爆法施工受到诸多限制，机械掘进方法是一种安全高效的施工方式。TBM 施工技术已被广泛应用地铁等隧道掘进施工，并且技术成熟，尤其对于地质条件较好且距离长的隧道其优势明显。但对于辅洞等短小隧道，TBM 无法适应。悬臂式掘进机以其灵活、高效及很强的适应能力已被广泛应用于煤矿的煤和半煤岩巷道的掘进。如今悬臂式掘进机也逐步成为城市地下隧道掘进的备选方法之一。 二、配置悬臂掘进机的现实要求

近年来隧道施工事故频发，尤其是传统隧道开挖施工中，由于爆破引起的安全事故给我们带来惨痛的教训。如何破解隧道开挖爆破难题，减少人员伤亡及经济财产损失，确保隧道施工安全是隧道施工中面临主要问题。

项目积极推进隧道施工工艺创新，综合考虑隧道地质、水文、设计断面等情况，隧道掘进机主要技术参数，需满足以下条件：①外形尺寸宽×高=3.2m×4.5m（满足通过衬砌台车）;②定位切割高度>5.6m;③定位切割宽度>6.0m;④最大切割岩石单向抗压强度≥80MPa;⑤上下坡能力±15°;⑥出渣能力 收集、运输、装运渣料一体化功能;⑦降尘、除尘、动力等能力满足相关规定及现场要求。

采用掘进机开挖可减少对围岩的扰动，减少对既有病害隧道的振动，提高隧道施工安全性。且掘进机施工不受振动速度的约束，对行车不造成安全隐患。

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三、悬臂式掘进机在工程隧道应用中关键技术 （一）激光环定位技术

对于隧道施工而言，对开挖面的准确定位测量是基础工序。用常规全站仪方法进行隧道中线测量时，需要洞内停工、通风并加强照明，占用宝贵的洞内作业时间，且洞内的定位桩容易破坏。为了尽可能少对施工作业的干扰，工程悬臂式掘进机开挖采用激光环测量定位的方法。激光指向仪可以通过接合器直接固定在锚杆上，锚杆插入初衬中。激光指向仪布置的个数可根据隧道的尺寸进行调节，环向间距越小，定位指示精度越高。在隧道内调试激光指向仪需全站仪配合。激光环指向技术在该工程区间隧道开挖过程中运用效果良好，其隧道断面开挖以及拱架支護，90%是依靠激光环指向进行控制。 （二）悬臂式掘进机开挖破岩方式 1.软岩、破碎带

对于软岩和破碎带，包括局部存在的夹泥层，岩体强度不高，切割容易，切割速度快。断面切割方式采用自上而下，或者先周边拉槽，再由上向下依次切割。软岩、破碎带掌子面自上而下的切割方式可以保证整体岩体稳定，对于特别软弱的岩体，若先行切割下部容易引发上部弱岩体的坍塌。 2.硬岩、较完整岩体

对于硬岩和完整岩体的切割，切割速度相比软岩会有部分降低，应特别注意切割方式，尽可能降低截齿的消耗。对于硬岩，切割时应首先拉槽形成临空面，在沿着临空面依次向内切割。尽量不在掌子面部新开切割孔。对于有明显节理发育的岩体，则应选择沿岩石节理方向逐步切割。

3.局部（超）硬岩

对于掌子面局部出现的硬岩（强度在 70MPa以上）或应首先切割硬岩周边的岩体，再由外圈至内圈逐次切割，直到完成岩体切割。而对于超硬岩（强度在 80 MPa以上），如果出现面积较大且切割十分困难时，可以采用局部装药爆破的方式处理，切不可强行切割，严重损伤截齿。

（三）悬臂式掘进机开挖的支护

根据场地勘察报告，该工程围岩综合评价为4级，悬臂式掘进机在完成一个开挖循环后，需立即施做初期支护。初期支护与钻爆法类似，综合采用超前小导管注浆、径向注浆、系统锚杆、钢筋网、喷射混凝土进行围岩支护，现浇钢筋混凝土作为二次衬砌。根据隧道不同区段的

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围岩情况和场地条件，调整超前小导管长度和间距、刚拱架间距以及喷射混凝土厚度等参数进行初期支护。

（四）悬臂式掘进机开挖的出渣

现代化的悬臂式掘进机大都安装有配套的排渣设备，由掘进机前方底部的铲板部进行渣料收集，并经过掘进机内部的输运带（第一运输机）将碴料装运与转载至掘进机后方的渣料运输传送带（第二运输机），借助渣料传送带提升直接装入出碴车，运至竖井提升排出，整个出渣过程基本实现自动化。但是现场使用发现，后配套出渣设备挂于悬臂式掘进机机体后方，使掘进机的前后移动不便。 四、优化方案 （一）截割部优化方案

改进主要就是对输入轴密封材料的更换。根据实际测量结果，密封唇唇口出温度在连续运转4h以上后，会达到130℃以上，而现使用密封材料为丁晴橡胶，因此需要选用耐温效果更好的材料，将密封材料更换为两层，内侧采用氟橡胶骨架密封，外侧用丁晴橡胶，成本相对较低，耐高温性能又可达到要求。 （二）冷却系统优化方案

在掘进机的冷却系统中，比较常见的冷却器有片翅式水冷却器和蛇形管冷却器。可以在油箱外部添加一个新的冷却水箱。如此一来，即没有破坏原有油箱的结构，压力的要求没有了限制。经过上述分析，对EBZ-160型掘进机进行部分改进，如下所述：（1）增设新的冷却水箱，水箱的厚度由原油箱最高处决定，使两者在水平方向上持平，没有增加额外的体积，保证了空间上的要求。（2）将进出水口其两端连接至喷雾回路中，使得冷却水的量增加。（3）把系统内的泄漏口更换位置，从原来设定的吸油腔更替至回油腔。 参考文献：

[1]李玲玉，吕金明.XTR260悬臂式掘进机在公路隧道工程中的应用[J].山西建筑，2018，44（15）：167-168.