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銑挖機(jī)在引洮供水二期工程四干渠軟巖隧洞掘進(jìn)中的應(yīng)用

文檔作者：李東東文檔來源：甘肅省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2025年03月03日
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第53卷第9期甘肅水利水電技術(shù)、k1．53．No．9
2017年9月GA髑u wA嗽R咖c璐AND HYD如Pow腿TEc刪0LOGY Sep．，2017
·設(shè)計(jì)與研究·
銑挖機(jī)在引洮供水二期工程
四干渠軟巖隧洞掘進(jìn)中的應(yīng)用
李東東
(甘肅省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，甘肅蘭州730000)
摘要：引洮供水二期工程四干渠是以隧洞為主的引水工程，隧洞掘進(jìn)進(jìn)度是控制施工工期的瓶頸。隧洞掘進(jìn)選用何種
施工設(shè)備，是控制隧洞成形，節(jié)約成本，提高開挖、掘進(jìn)效率的關(guān)鍵所在。銑挖機(jī)是公路、水利、鐵路隧道施工中新興的
裝備，特別適用于北方土洞及軟巖隧洞開挖、掘進(jìn)，有成形輪廓控制效果較好，操作簡單、方便，施工效率快等特點(diǎn)。引
洮供水二期工程四干渠軟巖隧洞掘進(jìn)，采用銑挖機(jī)施工取得了成效。
關(guān)鍵詞：四干渠；引水隧洞；銑挖機(jī)；施工
中圖分類號：7Ⅳ554；7Ⅳ53+4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號：2095—0144(2017)09—0063_03
1 工程概況
引洮供水二期工程是一項(xiàng)以城鄉(xiāng)生活、工業(yè)供
水為主，兼顧農(nóng)業(yè)灌溉和生態(tài)用水的大型跨流域調(diào)
水工程，為甘肅中部8個(gè)國家扶貧重點(diǎn)縣(即定西市
的安定區(qū)、隴西縣、通渭縣，白銀市的會寧縣、平?jīng)鍪?
的靜寧縣，以及天水市的武山縣、甘谷縣、秦安縣共
三市八縣區(qū))的群眾脫貧致富及改善生態(tài)環(huán)境創(chuàng)造
條件。設(shè)計(jì)水平年供水總?cè)丝?68．57萬人，年供水
量約31 284萬m3。
四干渠起點(diǎn)在隴西縣宏偉鄉(xiāng)吳家河總干渠
xIP9(26+080．88)處，終端位于通渭縣榜羅鎮(zhèn)李家
咀，全長44．723 km。自總干渠分水后進(jìn)入四干渠1。
隧洞，走向東南，經(jīng)坷垴灣至2。隧洞出口謝家溝，在
此向錦屏輸水渠分水；分水后渠線轉(zhuǎn)向正南方向，以
隧洞結(jié)合暗渠、倒虹吸等建筑物的形式，沿馬云公路
南北向穿行于大咸河和散渡河分水嶺兩側(cè)?？刂乒?
溉面積10．85萬畝，自渠首至渠尾設(shè)計(jì)流量5．0～2．1
m3，s，加大流量6．0～2．7 m3，s。
2施工重點(diǎn)及特點(diǎn)
(1)工程開挖、掘進(jìn)量大：四千渠有13座隧洞，
隧洞總長39．442 km，隧洞的開挖、掘進(jìn)及支護(hù)是該
工程的關(guān)鍵。
(2)工程地質(zhì)條件：四千渠引水隧洞進(jìn)出口均
為第四系風(fēng)積黃土。洞身圍巖主要為新近系砂礫巖、
砂質(zhì)泥巖、砂質(zhì)泥巖與砂礫巖互層及古近系砂巖、含
礫砂巖，產(chǎn)狀平緩，雖巖體較完整，但遇水易軟化、崩
解，泥巖失水易干裂、剝落；天然狀態(tài)單軸抗壓強(qiáng)度
0．1～6．2 MPa，其中砂質(zhì)泥巖天然狀態(tài)單軸抗壓強(qiáng)度
0．3～4．6 MPa。洞身圍巖主要為極軟巖，巖性軟弱，水
理性質(zhì)不良。由于泥質(zhì)膠結(jié)物含量不同，膠結(jié)程度有
所差異，各巖組強(qiáng)度有差異，水理陛質(zhì)差異較大。相
對而言，新近系砂質(zhì)泥巖含有大量的泥質(zhì)膠結(jié)物，且
有較多的粉砂質(zhì)骨架顆粒，膠結(jié)相對較好，強(qiáng)度相對
較高，工程地質(zhì)性質(zhì)相對較好；古近系砂巖、含礫砂
巖泥質(zhì)膠結(jié)物含量最少，膠結(jié)微弱，成巖程度極低，
強(qiáng)度極低，工程地質(zhì)性質(zhì)極差；新近系砂礫巖由于膠
結(jié)物含量相對較高，其膠結(jié)程度相對好于古近系砂
巖夾砂礫巖，其工程地質(zhì)性質(zhì)略好于古近系砂巖夾
砂礫巖。總體上，工程區(qū)紅色碎屑巖類是一種特殊的
極軟巖類，從巖體固有的特性來說，具有軟的特性；
從工程應(yīng)用來看，巖體強(qiáng)度低，承載力低，變形大。該
類圍巖自穩(wěn)時(shí)間很短，穩(wěn)定性極差，屬極不穩(wěn)定的V
類圍巖。應(yīng)及時(shí)進(jìn)行掛網(wǎng)噴錨、系統(tǒng)錨桿錨固及鋼拱
架支護(hù)。
3隧洞施工方案比較
根據(jù)“新奧法”施工要求，該類圍巖隧洞施工應(yīng)
收稿日期：2017一07—04
作者簡介：李東東(1984一)，男，甘肅秦安人，工程師，主要從事水文地質(zhì)與工程地質(zhì)勘察，E—mail：375894955@qq．com。
·63·
萬方數(shù)據(jù)
2017年第9期甘肅水利水電技術(shù)第53卷
始終堅(jiān)持“短進(jìn)尺、強(qiáng)支護(hù)、勤排水、早封閉、勤量測、
縮減圍巖的松動圈深度”的施工原則。因此，該圍巖
在施工中選取以下施工工藝進(jìn)行比較。
3．1 鉆爆法施工的特點(diǎn)
(1)優(yōu)點(diǎn)：適用于各種地質(zhì)條件和地下水富集條
件，具有適合各種斷面形式(單線、雙線及多線、車站
等)和變化斷面(過渡段、多斷面等)的高度靈活性并
對圍巖勻質(zhì)性質(zhì)無要求。通過分部開挖和輔助工法，
可以有效地控制地表下沉和坍塌。
(2)缺點(diǎn)：鉆爆人員較多，進(jìn)度緩慢，排煙時(shí)間過
長。小斷面爆破安全系數(shù)較低，施工成本投入過大。
埋深較淺時(shí)，爆破會影響地面建筑物、交通和商業(yè)活
動。圍巖較軟，一次支護(hù)成形輪廓難以控制。
3．2銑挖機(jī)施工的特點(diǎn)
(1)優(yōu)點(diǎn)：因隧洞斷面為類馬蹄形，成形尺寸
1．98 m×2．29 m(寬×高)，圍巖成形較差，洞身圍巖
類別為極不穩(wěn)定的V類，若采用裝載能方180 m％，
挖掘裝料、雙液壓驅(qū)動，電機(jī)功率75 kW的銑挖機(jī)
(sTB一120，75M2Y)掘進(jìn)，工作效率高，掌子面作業(yè)人
員投入相對較少；洞內(nèi)污染程度低，特別是對環(huán)境要
求較高的引水工程，適用性強(qiáng)；洞內(nèi)成形輪廓控制效
果良好，開挖過程中可減少超挖、欠挖，減少支護(hù)、回
填工程量；操作簡單、方便、通用性好。
(2)缺點(diǎn)：隨隧洞深度增加，線路功率損耗增大，
啟動困難，容易出現(xiàn)較高溫度的施工環(huán)境。
3．3銑挖機(jī)施工的選用
銑挖機(jī)施工工作效率高，成形輪廓控制效果良
好、操作簡單、方便。銑挖法具有對圍巖擾動小，開挖
輪廓圓順，圍巖受力狀態(tài)合理，對地層及領(lǐng)進(jìn)結(jié)構(gòu)物
變形控制好，超欠挖控制好；微擾動、震動小、噪音
低；精準(zhǔn)控制施工；銑挖后的渣土粒徑小且均勻，需
要時(shí)便于二次利用；安全性好等特點(diǎn)。故選用
srI'B一120銑挖機(jī)進(jìn)行施工。
4銑挖法施工工藝簡介
銑挖機(jī)由煤礦采煤機(jī)改進(jìn)而成，作為我國興起
的公路、水利、鐵路隧道施工裝備，特別適用于北方
土洞及軟巖隧洞開挖，現(xiàn)正在逐步向全國推廣。其施
工快速、簡便，對于整體性較好、強(qiáng)度較低的圍巖適
用性強(qiáng)，開挖斷面成形好，便于后續(xù)支護(hù)、二襯。銑挖
機(jī)由刀頭和機(jī)身組成，具有自行功能。移動和工作均
使用自身電機(jī)。
施工采用山特重工STB一120銑挖機(jī)，主要技術(shù)
參數(shù)見表1所列。利用銑挖機(jī)的銑挖頭高速旋轉(zhuǎn)切
削巖石，人工配合修整開挖輪廓線達(dá)到設(shè)計(jì)要求，可
以有效地減少開挖對圍巖的擾動，控制超欠挖，提高
掘進(jìn)質(zhì)量和安全度，降低作業(yè)人員的勞動強(qiáng)度。
表1山特重工STB一1 20銑挖機(jī)主要技術(shù)參數(shù)
5施工措施
5．1 開挖原則
隨著銑挖機(jī)在四干渠軟巖隧洞掘進(jìn)中的應(yīng)用，
施工技術(shù)漸趨成熟，施工進(jìn)度逐步加快。施工中采用
自上而下正臺階式施工，臺階寬度≤1．5 m時(shí)掘進(jìn)效
率最佳，如圍巖較硬，掘進(jìn)時(shí)為潤滑和降塵，需使用
高壓水，供水壓不小于3 MPa。運(yùn)輸采用3 t自卸車。
施工工序循環(huán)較快時(shí)應(yīng)及時(shí)封閉開挖面并進(jìn)行
·64·
初期支護(hù)，做好斷面監(jiān)控量測，以便依據(jù)監(jiān)測結(jié)果及
時(shí)調(diào)整支護(hù)參數(shù)。當(dāng)穿越隧洞進(jìn)出口、淺埋洞段、斷
層破碎帶時(shí)，應(yīng)遵循“短進(jìn)尺、弱爆破(雖采用掘進(jìn)機(jī)
開挖，局部仍不可避免會使用爆破方式)、強(qiáng)支護(hù)、早
封閉、勤量測、襯砌緊跟”的原則。
5．2開挖方法
銑挖機(jī)宜采用臺階法開挖，上臺階首先采用銑
挖機(jī)進(jìn)行環(huán)形開挖，考慮到作業(yè)空間要求，開挖寬度
萬方數(shù)據(jù)
第9期李東東：銑挖機(jī)在引洮供水二期工程四干渠軟巖隧洞掘進(jìn)中的應(yīng)用第53卷
1．0～1．2 m；施工拱部初期支護(hù)，然后以破碎錘清除
核心土；中、下臺階采用銑挖機(jī)開中槽挖馬口，再采
用破碎錘清除核心土的方法施工。
施工工藝流程為：上臺環(huán)形開挖-+上臺階初期
支護(hù)_核心土開挖(必要時(shí)上臺階施作臨時(shí)仰拱)_÷
中臺階左側(cè)開挖一中臺階左側(cè)初期支護(hù)_÷中臺階右
側(cè)開挖_中臺階右側(cè)初期支護(hù)_÷開挖中臺階核心
土-÷開挖下臺階左側(cè)-÷下臺階左側(cè)初期支護(hù)_開挖
下臺階右側(cè)-÷下臺階右側(cè)初期支護(hù)_÷開挖下臺階核
心土_開挖隧底—施作隧底仰拱。銑挖法三臺階開
挖施工步驟如圖1所示。
①上臺階；②上臺階核心土；③中臺階左側(cè)；④中臺階
右側(cè)；⑤中臺階核心土；⑥下臺階左側(cè)；⑦下臺階右側(cè)；⑧下
臺階核心土；I上臺階初支；Ⅱ中臺階左側(cè)初支；Ⅲ中臺階
右側(cè)初支；Ⅳ下臺階左側(cè)初支；V下臺階右側(cè)初支；Ⅵ上臺
階臨時(shí)仰拱；Ⅶ中臺階臨時(shí)仰拱；Ⅷ隧洞底部仰拱。
圖1銑挖法三臺階掘進(jìn)施工步驟示意圖
6施工過程注意事項(xiàng)
由于缺乏銑挖機(jī)在軟巖和極軟巖地層進(jìn)行隧洞
開挖、掘進(jìn)的經(jīng)驗(yàn)，在施工過程中遇到了以下主要問
題：
(1)銑挖機(jī)挖掘軟巖和極軟巖也就是無側(cè)限抗
壓強(qiáng)度小于15 MPa巖工體的效率較高，在15～30
MPa的較軟巖中開挖既耗時(shí)又費(fèi)力，當(dāng)隧洞有些部
位的砂巖較完整，強(qiáng)度在25 MPa左右時(shí)，開挖更緩
慢，1．5 m長的掘進(jìn)段挖掘了24 h，對銑齒磨損也比
較快，因此，開挖過程中應(yīng)及時(shí)了解掌子面巖層分布
及巖性變化情況，避免造成不必要的成本損耗。
(2)銑挖機(jī)是連續(xù)開挖，會連續(xù)產(chǎn)生粉塵，掌子
面能見度很差，操作手不易看清目標(biāo)，經(jīng)常不得不短
暫停機(jī)；同時(shí)，反鏟吸人大量的粉塵，使發(fā)動機(jī)的負(fù)
載過大，經(jīng)常出現(xiàn)高溫報(bào)警而停止掘進(jìn)的現(xiàn)象。
(3)銑挖機(jī)液壓系統(tǒng)為風(fēng)冷式，連續(xù)工作時(shí)，油
溫容易上升，可能造成銑挖頭旋轉(zhuǎn)力矩下降、液壓管
爆管、液壓泵損壞。掘進(jìn)時(shí)，應(yīng)時(shí)刻關(guān)注液壓油溫度，
防止液壓系統(tǒng)的相關(guān)部件因高油溫而損壞。
7結(jié)語
引洮供水二期工程四干渠于2016年1月起各
標(biāo)段隧洞開挖陸續(xù)開工，13座隧洞總長度為39．442
km，截至2017年8月已完成開挖36．3 km，占隧洞
總長的92％，順利貫通9座。采用銑挖機(jī)施工開挖隧
洞，對圍巖擾動小，開挖輪廓圓順，能夠有效地控制
超欠挖，不僅節(jié)約了施工成本，而且縮短了施工工
期，為城鄉(xiāng)生活、工業(yè)、農(nóng)業(yè)及生態(tài)早日用水提供有
力保障，為甘肅中部8個(gè)國家扶貧重點(diǎn)縣群眾脫貧
致富及改善生態(tài)環(huán)境創(chuàng)造了有利條件。
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