铣挖机在Ⅴ级围岩大断面开挖工法中的应用.pdf

24第3 8 卷CONSTRUCTiONSAFETY2023年第8 期施工技术建筑安全铣挖机在V级围岩大断面开挖工法中的应用张鹤（兰州博文科技学院，甘肃兰州730101)摘要：随着我国交通行业的快速发展，诸多先进的施工设备逐渐引进到高速公路建设中。铣挖机是一种用于隧道开挖的新型设备，相比常规开挖机械具有施工效率高、安全隐患小等优点，在隧道工程中被广泛应用。以某公路隧道工程为例，介绍了铣挖机的作业原理、适用范围、优缺点以及在V级围岩大断面开挖工法中的应用，并从超前支护、超欠挖封闭成环时间、功效及变形情况方面对比分析了三台阶七步开挖法与“铣挖机+挖掘机”开挖法。关键词：隧道工程；铣挖机；大断面中图分类号：U455.3*2文献标志码：B0引言某公路隧道长度1.0 3 km，围岩主要为全更新统洪积黏土，有一定的强度。查阅地质资料得知该段围岩的BQ值为2 3 5,开挖工法采用三台阶七步开挖法，开挖机械为挖掘机。通过一段时间的初期支护施工后趋于稳定，监控量测数据满足规范要求。地质工程师根据超前地质预报资料及掌子面围岩揭露情况对围岩进行了综合判断，决定将三台阶七步开挖法变更为大断面预留核心土开挖工法（即单次开挖至仰拱顶部），施工过程中为了降低开挖对围岩的扰动，引进了“铣挖机+挖掘机开挖的方式。1铣挖机的作业原理铣挖机是由挖掘机和悬臂式掘进机演变而来的一种新型机械，它利用了挖掘机强大的动力及液压系统，优化了悬臂式掘进机的切割装置，具有体积小巧、行动灵活等特点。研发之初主要应用于煤炭开采，后期被引进到隧道工程 。本案例所用铣挖机是由挖掘机拆除齿斗，安装铣挖头配套使用的液压机具，其主要组成部分为铣挖头、截齿、传动装置、驱动马达、连接装置、液压装置。该机械是由配套的挖掘机提供源源不断的液压动力，驱使液压马达转动，液压马达通过传动装置使铣挖头旋转，安装在铣挖头上的锯齿接触到围岩后开始切割,形成颗粒均匀的渣土 2 2铣挖机的适用范围（1）适用于土质围岩和强度等级低的石质软弱围岩隧道。（2）适用于隧道工程中各洞室的开挖作业，如掌子面、横通道、紧急停车带、深埋中心水沟等。（3）适用于穿越隧道孤石区掘进。隧道开挖过程中,存在土体夹杂大块孤石的现象，破碎锤破除时间长，且破除后存在超欠挖现象，采用爆破手段处理，对围岩的扰动较大，易引发隧道塌的风险。铣挖机通过截齿与孤石接触，孤石逐渐被切割至开挖轮廓线以外，减少了超欠挖的同时降低了对围岩的二次扰动。（4)适用于爆破欠挖时的轮廓线修复。由于爆破参数设计不合理，经常会存在欠挖现象，重新进行补炮需再次推进开挖台车、钻孔、装药等工序，影响功效，铣挖机行动方便，铣挖速度快，功效得到了较大的提升 3 O3铣挖机的优点(1)结构简单，方便安拆。铣挖机是将挖掘机的铲斗换成铣挖头，挖掘机满足液压要求即可操基金项目：甘肃省教育厅创新基金项目（2 0 2 1 B-356）作者简介：张鹤，女，1 9 8 5年生，硕士研究生，讲师，研究方向为建筑工程理论。E-25张鹤：铣挖机在V级围岩大断面开挖工法中的应用作。安拆过程相对简单,熟练的机械手可独自完成安装拆除，实现了一机两用的功能 4。（2）超挖控制好、成本目标易实现。隧道采用挖掘机或爆破开挖时，经常存在超挖现象，超挖部分需要同强度等级的喷射混凝土补喷密实，导致工程造价上升。铣挖机是通过截齿切割围岩，将围岩切割成粒径较小的颗粒，开挖时可按照已完成的初期支护作为参照物铣挖，有效地控制了围岩的超挖。（3）围岩扰动小，安全性好。铣挖机截齿切割围岩时对围岩的扰动较小，开挖后的围岩均匀，无较大石块，方便出渣 5（4)维修保养相对简单。在开挖过程中,铣挖机长时间的作业易造成截齿的磨损，需根据围岩强度定期更换截齿，更换时只需一人即可在短时间内完成，且截齿成本低廉4铣挖机在V级围岩大断面开挖工法中的工艺V级围岩大断面开挖遵循“管超前、严注浆、短开挖、强支护、早封闭、勤量测”的原则，将整个隧道的开挖断面分为两部分。第一部分为拱顶到仰拱填充面的开挖，高度为8.51 m，开挖时预留核心土，高度为5.7 m，顶宽5.2 8 m，底宽6.2 m，坡度为1：0.2；第二部分为仰拱填充面到仰拱底部的开挖，高度为1.7 3 m。相比三台阶七部开挖工法，大断面开挖工法对超前支护进行了优化，由原来的L=3m,42mm4mm超前小导管调整为L=15m,89mm6mm超前中管棚,通过注浆扩散,将围岩固结为整体，形成壳状效益，为V级围岩大断面开挖创造安全可靠的条件。4.1铣挖机选型根据该工程揭露的围岩情况，整机配备670mm铣挖头，旋挖头宽度为1 0 0 0 mm，转速为6065r/min,扭矩为1 6 0 0 0 2 1 3 7 6 Nm,适用的岩层硬度为1 0 45kPa，最大铣挖量为3 5m/h，满足施工需求 6 O4.2铣挖机开挖采用铣挖机配合挖掘机对隧道进行开挖，开挖顺序见图1。先用挖掘机在部开挖，开挖出大致轮廓移动至部开挖，铣挖机对部进行精修，铣挖机修整好部时，挖掘机已完成部开挖，此时将铣挖机移动至部精修；按照上述操作方法依次完成部开挖，并预留不少于开挖断面50%的核心土；最后开挖部。待开挖、出渣结束后，及时初喷4cm喷射混凝土，以减少围岩暴露时间,并立即进行初期支护，即铺设钢筋网、架设钢拱架、打设锁脚锚杆以及复喷混凝土。待错开一定距离后按照上述工艺开挖仰拱，并及时架设钢拱架，喷射混凝土，闭合成环。3图1开挖顺序示意5铣挖机应用的效益分析本工程为了验证铣挖机在隧道工程中的经济效益，在隧道左洞和右洞选取50 m的试验段，试验段内围岩情况基本相同，从超前支护、超欠挖、功效等方面进行了对比分析，情况如下5.1超前支护对比分析按照设计图纸，该段超前支护为42mm4mm的超前小导管，长度为3 m，环向间距为35cm，单循环总长度为1 2 9 m，超前小导管的搭接长度为1 m，每2 循环打设一次超前小导管，50 m试验段需要的超前支护为3 2 2 5m，注浆量按式（1)计算为546.8 m，超前支护工程造价为1 3.1 2 104元。铣挖机应用后超前支护调整为89mm6mm的热轧无缝钢管，长度1 5m，环向间距40cm，单循环总长度为57 0 m，每循环搭接5m，50m试验段需要超前支护为2 8 50 m，注浆量按式（1）计算为3 3 8.2 7 m，超前支护工程造价为15.54104元。50 m试验段中大断面开挖工法超前支护相比较三台阶七步开挖法工程造价多出2.42104元（表1)。表1试验段超前支护经济分析单位：万元工法名称人工费机械费材料费合计三台阶法1.40.9610.7613.12大断面法1.81.3512.3915.54Q=TR?Ln(1)式中：Q为浆液注入量，m;R为浆液扩散半径,m，取1.5m;L为注浆管有效长度，m，分别取3 2 2 5m和2 8 50 m；n 为围岩孔隙率，取2%；为浆液充填26第3 8 卷CONSTRUCTiONSAFETY2023年第8 期施工技术建筑安全系数,取0.7;为超耗系数,取1.2。5.2超欠挖对比分析三台阶七步开挖法应用的开挖设备为挖掘机，开挖完成后采用断面仪对超欠挖情况进行了扫测，50m试验段内超挖平均值为3 8.53 cm，超挖部分全部由同强度等级的C25喷射混凝土回填，每延米超挖9.6 8 m,50m需回填混凝土48 4m，超挖回填混凝土工程造价为43.56 1 0 4元。大断面开挖法应用的开挖设备为挖掘机+铣挖机（与三台阶七步开挖法选用同样的挖掘机操作手），开挖后采用同样的方法进行超欠挖扫测,50 m试验段内超挖平均值为13.42cm，每延米超挖3.3 3 m,50m需回填混凝土166.5m，超挖回填混凝土工程造价为1 4.9 8 1 0 4元。50 m试验段中大断面开挖工法应用铣挖机超挖平均值相比三台阶七步开挖法超挖平均值降低65.17%,工程造价降低2 6.1 6 1 0*元 7 5.3封闭成环时间分析采用三台阶七步开挖法施工时受诸多因素的限制，综合考虑每级台阶长度、中下台阶左右侧错开开挖、台车及设备等，从掌子面开挖到仰拱初期支护结束需要2 2 d，掌子面到仰拱及填充、二次衬砌的距离难以控制，施工组织不当，可能会造成安全步距超标。采用大断面开挖时制约因素较少，从掌子面开挖到仰拱初期支护结束需要1 3 d，后者比前者早9 d封闭成环，整体受力效果好。5.4功效分析三台阶七步开挖法采用挖掘机开挖，单循环进尺1 m（拱架间距为50 cm,2），每个工序的时间统计如下：施工准备用时0.1 6 h，超前支护（42 mm4mm小导管）折算到每延米用时2.7h,开挖用时3.5h，出渣用时3.3 h，初喷用时0.5h，立架用时2.5h，打设锁脚锚管用时1.8 h，喷射混凝土用时3.5h，合计用时1 7.9 6 h，功效为40m/月。大断面开挖法采用挖掘机+铣挖机开挖，单循环进尺1 m（拱架间距为50 cm，2 榻），每个工序的时间统计如下：施工准备用时0.1 6 h，超前支护（89mm6mm小导管）折算到每延米用时1.5h，开挖用时2.2 h，出渣用时2.5h，初喷用时0.5h，立架用时2.6 h，打设锁脚锚管用时1.2h，喷射混凝土用时3.5h，合计用时1 4.1 6 h，功效为 50.8 4 m/mth 85.5监控量测数据分析试验段初期支护结束后，按照5m/道的间距布设监控量测点位，每个断面设置5个点，对围岩进行拱顶下沉和边墙位移监测。根据监测数据统计三台阶七步开挖法第9、1 2、1 5、1 8 d的拱顶下沉累计量分别是2 7、3 1、3 8、41 mm，边墙位移累计量分别是-9.3、-1 5.6、-2 2.5、-3 3.4mm，拱顶下沉及边墙位移主要出现在中、下台阶开挖后。大断面开挖法按照上述节点时间进行了统计，拱顶下沉累计量分别是1 8、2 5、2 9、3 7 mm，边墙位移累计量分别是-5.5、-1 0.1、-1 5.8、-2 2.6 mm。通过监控量测数据分析得知，采用大断面开挖工法初期支护一次落底相对于三台阶七步开挖法分步落底更稳定。6结束语随着我国道路交通网络的进一步的完善，隧道工程在建筑领域的重要性不言而喻。开挖工法及机械选型对隧道修建非常重要，铣挖机相比较传统的作业机械，可同时满足挖掘机、液压破碎锤的功能。本文以V级围岩为研究背景，选定了同样地质条件的试验段，对比分析了大断面应用“挖掘机+铣挖机”双机联合作业和三台阶七部法应用挖掘机开挖过程中的超前支护、超欠挖、封闭成环时间、功效及变形情况，可为类似工程施工提供参考。参考文献1王大鹏，李秋丽.小断面软岩隧洞铣挖机快速掘进及支护技术研究 J.四川水利,2 0 2 0,41(3）：47-49+6 4.2孙鹏宇.采用铣挖及配套技术开挖隧道方法探讨J.铁路工程技术与经济，2 0 1 8,3 3（1）：2 3-2 5.3李昌宁，雷向峰.隧道铣挖法施工技术J.隧道建设,2 0 1 2,3 2(S1):32-35.4韩常领，张为民，赵永国.铣挖法在软岩隧道开挖中的应用 J.中外公路,2 0 0 9,2 9（4）：3 7 7-3 7 9.5吴冲.铣挖法施工隧道机械的选型与配套优化 J中国工程机械学报，2 0 1 5,1 3（2）：1 7 8-1 8 2.6张松.隧道断层破碎带铣挖法开挖施工技术 J.设备管理与维修，2 0 2 1（1 0）：1 3 3-1 3 5.7解飞，孙中海.新设备铣挖机在隧道开挖中的应用J.建筑技术开发,2 0 2 0,47（1 2）：7 5-7 6.8赵慧君，李永.铣挖施工技术在大断面软岩隧道施工中的应用 J.公路，2 0 1 6,6 1（8）：2 6 3-2 6 6.(本文收稿:2 0 2 2-1 1-2 6)