【摘要】悬臂式掘进机是一种能够实现截割、装载运输，由行走机构、工作机构、装运机构和转载机构组成的联合机组。随着非爆破开挖技术的发展，悬臂掘进机械在隧道中的优势逐渐显现，不仅能够有效提高施工效率，还能够降低对隧道周围环境的影响，尤其是在围岩强度适合的地质环境下，悬臂式掘进机的开挖工法非常合适。
【关键词】悬臂式掘进机;铁路隧道;选型;应用
随着我国科学技术的不断发展，在煤矿地下巷道施工中采用的悬臂掘进机技术在铁路隧道施工技术方面已经非常成熟，悬臂式掘进机是一种能够实现截割、装载运输，由行走机构、工作机构、装运机构和转载机构组成的联合机组，随着这种非爆破开挖技术的发展，悬臂掘进机械在软岩隧道中的优势逐渐显现[1]。本文主要对悬臂式掘进机在软岩隧道施工中的应用进行分析。
1悬臂式掘进机在施工中围岩的适应性
对于隧道施工中围岩可掘性的研究，主要从以下几个指标来进行衡量，其中包括围岩单轴抗压强度、围岩节理裂隙发育的程度、围岩自身耐磨性等。目前，悬臂式掘进机在可掘进的围岩单轴抗压强度中最大能够达到150MPa，但是为了保证悬臂式掘进机的合理使用，我们在实际的施工中将其经济适用范围设置在80MPa~100MPa之间[2]。当隧道施工中遇到软弱围岩时，应用掘进机进行掘进施工，可以有效地防止隧道发生坍塌，并且对围岩自身的稳定性有着很好的控制作用，还能够加快隧道施工的进度[3]。
2科学合理地进行悬臂掘进机的选型
目前市场上生产悬臂式掘进机的厂家有很多，各种型号的悬臂式掘进机琳琅满目。在悬臂式掘进机的型号选择上，必须要根据实际隧道施工时遇到的地质条件进行选择。如果隧道内的围岩单轴抗压强度较高，需要选择截割头功率在160kW以上的重型悬臂式掘进机，而当遇到的岩石单轴抗压强度较低，强度在50MPa以下，则可以采用截割头功率在100MPa以下的轻型悬臂式掘进机[4]。铁路隧道施工与传统的煤矿巷道掘进施工有着明显的区别，为了提高铁路隧道施工中悬臂式掘进机对开挖断面的要求，必须要选择切削功率较大的重型悬臂式掘进机，这样能够提高掘进机对隧道内围岩的适应性，从而有效地提高施工效率。此外，在铁路隧道施工中进行平行导坑施工时，采用悬臂式掘进机更能够实现一次定位，全断面开挖的效果，因此，在悬臂式掘进机的型号选择上，除了需要重视施工所在环境的地质条件，还需要分析掘进机设备的自身尺寸与施工环境的各项要求[5]。
3悬臂式掘进机在铁路隧道工程实践中的应用
3.1工程概况及施工情况
某隧道工程为单洞双线隧道，隧道出口处的纵坡为单面下坡施工，在隧道施工初期的进洞施工中，由于采用钻爆法施工引起的振动，对周围环境造成一定影响。隧道出口段埋深(11~65m)，经过开挖后发现地质为砂岩、泥-砂岩互层，围岩构造行迹比较微弱，褶皱和断裂不发育，隧道出口段DK301+000~DK303+055段为Ⅳ、Ⅴ级围岩，地层主要为砂岩，层状构造，弱风化，岩体较破碎，呈大块状结构，隧道洞身地下水为基岩裂隙水，弱富水区。
通过表1悬臂式掘进性能参数的对照比较和隧道开挖断面技术要求、机械性能、材料、进度要求、施工场地、周边环境等因素的综合分析和适应性评估，最终确定隧道出口采用徐工集团EBZ260型悬臂式掘进机进行开挖施工[6]，如图1所示，开挖过程中的隧道掌子面及拱顶照片如图2所示。
3.2开挖方法
3.2.1开挖分步
因为受到掘进机的掘进高度影响，通过悬臂式掘进机进行隧道开挖施工，过程中需要采用两步台阶法进行。首先，在上部断面的开挖施工时，具体的掘进施工高度需要结合施工现场的地质条件，以及悬臂掘进机的技术参数进行综合判定。一般来说，开挖宽度要保证掘进机在移动一次后就能够满足设定的开挖宽度的要求。对于下台阶施工方法的选择，可以继续采用悬臂式掘进机进行开挖，还可以根据隧道施工项目现有的施工条件选择其他的方法进行开挖施工。根据以往的工程经验，在采用长台阶施工方法时，台阶的长度一般在50~100m之间，当隧道内地质条件较差时，也可以通过短台阶法进行施工[7]。
3.2.2切削方法
在隧道开挖过程中，为了保证隧道开挖断面的圆顺，严格控制在开挖过程中出现超欠挖现象。首先进行初步断面的开挖施工，然后根据开挖的效果来进行二交修整施工，从而满足隧道设计断面的准确性。在悬臂式掘进机的掘进过程中，其切削的标准要采取自下而上、左右循环的顺序[8]。在隧道开挖过程中遇到软岩地质时，首先需要进行拱部环型部位的挖掘，并且对其进行格栅支护的加固安装，然后才能够进行上台阶下部的开挖施工。当上台阶整体开挖完成后，立即通过喷射混凝土进行封闭处理，并依次进行循环。此外，必须要严格地控制一次进尺的距离，保证在格栅范围内的50~80cm之间。而对于富水隧道的掘进施工，要利用钻机实施超前管棚注浆施工，然后再进行掘进施工，如图3所示的方式进行。隧道掘进施工时遇到中硬岩施工，按照自下而上、自左至右的顺序进行施工，当上台阶一次开挖完成后，立即按照格栅支护进行加固，随即对其进行混凝上喷射封闭施工，依次进行循环施工，并且保证进尺控制在120~200cm范围内。隧道施工中遇到硬岩情况时，需要采取由中间向外逐渐进行扩大的方式进行掘进，当上台阶一次开挖施工完成后，掘进10m为一个循环，然后集中进行喷射混凝土封闭环节，这时的一次进尺的范围不作特殊的要求。此外，当施工过程中遇到局部硬岩的情况，可以先将周围的软岩进行清除，让这些大块的硬岩进行脱落，然后再通过其他方式进行处理，从而减少掘进的难度和对掘进机刀齿的消耗。
3.3施工流程
截割:当悬臂式掘进机在隧道内进行截割时，首先需要将喷雾打开，然后开动掘进机对前方开挖截面进行截割。需要进行截割的区域需要准确标明，一般采用红色喷漆或者是激光进行标注。掘进机的截割顺序是先从底边右脚点进尺，然后向左进行横向移动扫底，当截割到隧道中间位置时，将其向上进尺，然后从目前的位置向右进行截割，这种操作一直循环到隧道右面能够使掘进机顺利地通过，然后再将设备移动到隧道左边合适的位置进行左边的截割操作。而对隧道最高点进行截割施工时，可以让掘进机借助已经割下来的岩石碎料进行垫高，从而帮助其顺利地进行最高点的截割操作。排渣:隧道内现有的排渣方式主要有两种，需要我们结合实际的施工情况进行选择。当施工地点离隧道洞口较近时，可以单独地利用挖掘机进行排渣;而当隧道施工进入深部时，可以通过挖掘机装载卡车的方式进行排渣处理。其次，通过运用加高的二运转载机，将掘进过程中的渣料输送到运输卡车中，然后再将其运输到隧道外的卸料点。
4隧道悬臂掘进机施工
为了保证隧道施工的安全性，以及防止新施工方案对附近村民的日常生活再次产生影响，项目部决定在隧道出口处进行开挖施工试验，在厂家指导下，对EBZ260型悬臂式掘进机进行工艺试验总结如下:
4.1空间限制
经过对隧道进行勘察，隧道内上台阶3~5m，中台阶3~5m，而EBZ260悬臂式掘进机机身长度达到11.67m，因此，传统的三台阶施工方法不能够满足EBZ260悬臂式掘进机的作业空间要求。
4.2施工过程
为了能够使隧道施工条件满足EBZ260悬臂式掘进机的施工要求，需要我们对传统的三台阶施工中的各段长度进行调整，通过与厂家技术人员共同分析，并且进行相关试验后，提出了如下施工方法的优化建议:通过对隧道出口段埋深(11~65m)，进行试验开挖后能够确定施工地质为水平泥岩、泥-砂岩互层，并且围岩由V级向IV级转变，并且探查施工周围的围岩直立性很好，满足调整台阶长度和高度的各项条件。因此，隧道开挖方式采用二台阶法进行开挖，将施工现场的上台阶高度控制在5.5m，下台阶控制在4.7m，隧道底部进行一次开挖。此外，应用的台阶法开挖详细如图4、图5所示。施工中将隧道施工台阶的长度进行适当的调整，其上台阶的长度调整为18~20m，有效地保证了悬臂式掘进机的工作空间，以及保证后期渣料的运输空间。这种施工方式不仅能够在上台阶进行初支施工时，同时还能进行下台阶的开挖施工，真正地提高了施工的效率。当遇到施工现场出现软弱围岩时，悬臂式掘进机主要以开挖上台阶断面为主，然后配合挖掘机进行下台阶断面开挖施工为辅的施工方法，从而有效地提升挖掘的效率，帮助企业提前完成施工进度。
4.3掘进作业
4.3.1操作顺序
徐工集团EBZ260型悬臂式掘进机的操作顺序:首先发动油泵，其次对第一运输机启动，然后开动星轮，接着开动截割头。而当施工过程中不需要进行装载操作时，就可以在油泵电机开启后直接启动截割电机。EBZ260的移动操作主要是通过两个手柄进行控制，左侧的手柄能够控制掘进机向左侧移动，右侧手柄能够控制掘进机向右侧移动，将手柄向前推动则掘进机向前移动，向后拉动手柄则使掘进机后退。需要使掘进机进行转弯时，只需要将其中的一个手柄保持中立，然后操作另一个手柄进行转弯即可。对掘进机的截割头进行操作，当我们将手柄由中位向右推动，则截割头向右方向进给;向左推动，则截割头向左方向进给。向前推动，即向上进给;手柄向后拉，则向下进给。此外，在操作截割头时需要注意，截割头必须单向操作。
4.3.2截割
在应用悬臂式掘进机进行截割时，通过控制截割头进行上下、左右的移动，能够初步地截割出断面的形状，如果初步截割断面不能够满足实际施工的需要，还需要进行二次修整，从而使其满足施工断面的尺寸要求。
4.3.3喷雾
隧道内进行掘进施工时，对于粉尘控制非常重要，因此必须要采用相关的降尘措施进行处理。悬臂式掘进机主要是通过喷雾的方式进行降尘。在掘进机的操作台与电控箱之间有一个截割头外喷雾控制阀门，当进行掘进施工时，打开阀门能够使截割头喷出水雾，达到降尘的作用。
4.3.4排渣
隧道施工中采用挖掘机与卡车运输的方式进行排渣，前期的隧道洞口排渣只需要使用挖掘机单独进行排渣，随着施工地慢慢深入可以配合运输卡车进行渣料的清运。
5结语
综上所述，在隧道施工中应用悬臂式掘进机进行隧道开挖，不仅能够有效地提高施工效率，还能够降低对隧道周围环境的影响，尤其是在围岩强度适合的地质环境下，悬臂式掘进机的开挖工法是非常合适的。
略探EBZ260型悬臂式掘进机隧道施工技术来自辽宁教育行政学院学报，参考文献详见辽宁教育行政学院学报。
