中国水利水电第十四工程局有限公司 云南昆明 650041
摘要：在公路、铁路及水利水电工程地下工程施工中，仍广泛采用传统钻爆法施工。但随着科学技术的发展，新型设备的不断出现，取代传统钻爆法施工将成为可能，本文主要对采用某种悬臂掘进机施工的进度和经济效益进行对比分析，为施工人员选择合适的施工方法提供依据。
关键词：传统钻爆法；悬臂掘进机；施工进度；经济效益
1 工程概况
本工程输水隧洞总长为11.745Km，共布置4条施工支洞。输水隧洞出口位于桩号K11+745.67处，3#施工支洞位于K7+369.68处，两工作面之间主洞长度为4375.99m，为本工程关键线路。隧洞出口于2019年5月2日进场1台徐工XTR6/260悬臂掘进机进行隧洞开挖施工。
隧洞出口～3#施工支洞主洞段落总长4375.99m，根据设计单位提供的地质情况显示，该段III类围岩长度3284.64m，IV类围岩长度356.0m，Ⅴ类围岩长度735.35m。III类围占比75.1%，IV类围岩占比8.1%，Ⅴ类围岩占比16.8%。该段围岩上覆岩层47～125m之间，属黑山头第二亚组五段凝灰质砂岩、凝灰质含砾砂岩夹凝灰质砾岩，岩石抗压强度介于59.9～96.45Mpa之间，软化系数平均值0.72，属于软化岩石。该段渗水量一般不大，可能出现涌水、渗水情况。
2 选用的悬臂掘进机主要参数
输水隧洞出口引进的悬臂掘进机型号为XTR6/260，是徐工集团最新研制的专用于小断面隧道施工的新型悬臂掘进机。整机装备质量96t，外形尺寸为：14.0m×2.6m×2.61m（长宽高）。定位切割范围：6.0m×6.2m（宽、高），机型说明书中最大切割岩石抗压强度为110Mpa，经济切割岩石抗压强度范围≤70Mpa。切割电机功率为260KW，系统供电电压为1140v。掘进机进洞施工需提供10KV高压进洞，在洞内安装1台移动式变压器将电压降至1140V供悬臂掘进机使用。
3 导流隧洞掘进机施工效率
根据导流隧洞试验段悬臂掘进机的施工情况，悬臂掘进机的开挖效率为：Ⅴ类围岩100m/月、IV类围岩综合效率为160m/月（IV-2类150m/月、IV-1类170m/月）、III类围岩180ｍ/月。较传统钻爆法施工效率提高1.5～1.78倍。掘进机和钻爆法施工效率对比见表1。
表1 掘进机和钻爆法施工效率对比表
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4 悬臂掘进机施工情况
输水隧洞出口掘进机从始发进洞至出洞，共计74天，掘进段落全部为IV-1类围岩。进洞开始掘进的掌子面桩号为K11+401.8，出洞时掌子面桩号为K11+249.45，掘进长度152.35m。掘进机在洞内施工分两个阶段：试掘进阶段（8天）、正式掘进阶段（63天）。其中有2天因更换截齿及检修设备未施工。
（1）试掘进阶段
由于新设备工况不明，掘进期间检查截齿、检查炮头、更换截齿、接水管、改装喷水设施、设备检修等原因，现场统计有效掘进时间为7小时5分钟，掘进段落为：K11+401.8～K11+399.2（2.62m），消耗截齿107个。根据统计数据，平均进尺速度2.67h/m，截齿消耗量2.62个/m3。试掘进阶段进尺及截齿消耗统计见表2。
表2 试掘进阶段进尺及截齿消耗统计表
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（2）正式掘进阶段
1）掘进施工情况
正式掘进共63天，掘进段落11+399.2m～K11+249.45（149.75m），累计更换截齿1396个。掘进机显示的切割工作时间为316.5小时（不含试验阶段的7小时），平均进尺速度2.11h/m，截齿消耗量0.6个/m3。正式掘进阶段进尺及截齿消耗统计见表3。
表3 试掘进阶段进尺及截齿消耗统计表
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2）掘进机施工时间统计
掘进进洞总时间1728h（72d），现场统计掘进机累计掘进时间629.8h（含试验阶段7h），设备故障及检修35次，维修及保养时间591.2h，设备未利用时间168h。掘进机洞内施工时间统计见表4。
表4 掘进机洞内施工时间统计表
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3）新掘进头施工情况
因掘进效率远低于预期，怀疑掘进机机头不匹配，重新更换为φ38cm掘进头及配套截齿再次掘进，持续时间4天，共计进尺11.5m，平均日进尺2.88m/天。从现场施工情况来看，进尺效率并无较大改善，掘进的渣料也与原机头差异不大，掘进效率与机头的配置关系不大。
4）设备检修、维修情况
根据现场统计，从掘进机进洞直至出洞，掘进机设备故障维修及检修35次，累计维修保养及影响作业时间共计639.2小时，设备故障率较导流洞进口的掘进机相对较高。
5掘进机施工进度分析
1、掘进机进尺分析
根据现场统计，输水隧洞出口掘进机正常施工63天，累计进尺149.75m，双班平均日进尺2.64m。施工效率与导流洞进口试验段的掘进数据相差较大，导流洞Ⅳ类围岩月平均进尺160m，日平均进尺5.3m（导流洞单月最高进尺210m）。
2、掘进机施工环境分析
输水隧洞出口段按设计单位提供的围岩类别和强度，岩石分类为凝灰质砂岩及砾岩。岩石抗压强度为：
K5+967～K11+690段抗压强度介于59.9～71.8Mpa之间；
K11+690～11+745.67段抗压强度介于43.13～96.45Mpa之间；
按照以上数据，掘进机施工段落岩石抗压强度介于应59.9～71.8Mpa之间。现场共取样9组岩石进行抗压强度试验，最大抗压强度平均值为159.6Mpa。此段岩石从掘进现场揭露情况看，全部属于凝灰质砂岩，砾岩含量很少，且岩石不存在较大的裂隙和节理，岩石完整性很高。致使掘进机施工效率大幅降低，截齿消耗严重。从3#支洞下游掌子面的岩石来看，岩性基本与出口的岩石一致。
导流洞进口掘进机施工的段落岩石大多属于凝灰质砾岩，节理裂隙发育，有利于掘进机切割岩石。通过与导流洞进口试验段围岩进行对比可以看出，围岩完整性对掘进机施工效率有着决定性的影响。输水隧洞、导流洞掘进现场围岩图片见图1、图2。
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图1：输水隧洞K11+371岩石情况
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图2：导流洞K0+234岩石情况
3、对施工进度产生的影响
由于目前输水隧洞出口的掘进机施工效率较低，且设备故障频发，致使无法确定每月进尺的均衡数据。相对而言，采用传统钻爆法，根据确定的围岩类别，隧洞每月进尺则比较稳定，比较有利于关键线路上的施工。
6掘进机施工成本效益
根据现场统计，掘进机正常掘进时段，累计消耗截齿1396个（不包含试掘进107个），开挖方量149.75*15.683=2348.53m3。
截齿材料费：截齿总价1029440元，截齿消耗量为0.6个/m3，截齿平均材料费为737.4元/个，隧洞开挖截齿摊销费用为442.5元/m3。
消耗电费（现场统计掘进629.8h，功率因数按0.8计）：629.8h*480kwh*0.8*0.7=169290.24元，电费摊销72.09元/m3。
机上人工工资：正常掘进期间，单班19天，双班44天，单班人员配置：机手1人，副手1人，辅助工2人。人员工资：机手15000元/月，副手10000元/月，辅助工6000元/月。单双班工资总额23433.3+108533.3=131966.6。人工工资摊销131966.6/2348.53=56.2元。
表5：掘进机施工直接成本统计表
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注：此单价不含掘进机机械摊销费、维修保养费及施工间接费。
经以上计算，粗略估算掘进机目前的开挖直接成本为570.8元/m3。掘进机开挖施工直接成本见表5。
7总结及建议
输水隧洞出口的使用的悬臂掘进机，在正常施工状态时，掘进 3～4小时进尺1m，掘进效率基本处于中等偏下水平。且该设备自进场后故障频发，多个重要部件发生较大故障，极大的减少了设备的有效施工时间，致使整体施工效率大幅降低。经过上述分析，本项目的悬臂掘进机施工效率低、投入成本高，对于围岩强度超过设备功效的经济切割强度范围后，功效会进一步降低，不适应于地质条件变化大或围岩强度高、完整性好的施工环境，且不适合关键线路上的施工作业。但不可否认的是，未来随着科学技术的不断发展，悬臂掘进机等大型设备进行隧洞施工的适应范围将越来越广，并将逐步替代传统的钻爆法。传统钻爆法也有其特殊的优势，可适应各种环境的隧洞施工，并能降低工期的不可控风险，就本项目而言，为保证工程按期完成，后续将停止掘进机施工，仍按传统钻爆法进行实施。
参考文献：
[1] 张希良，王炳河，张立军，刘知义.悬臂式掘进机在软岩隧道施工中的应用[J].铁道建筑技术，2001（04）：134+136.
作者简介：
田磊（1987-），男，湖南岳阳人，工程师，主要从事水利水电工程、公路工程等施工管理。
郭强强（1986-），男，陕西咸阳人，工程师，主要从事水利水电工程等施工管理。