抽水蓄能电站小断面隧道施工综合方案比选研究

摘 要：为了解决小断面隧洞在实际施工中受断面尺寸影响内部作业空间有限造成的工序交叉多、相互干扰大、同一个工作面上钻孔和出渣等工作只能周期性循环进行、无法在施工中运用高效的大型机械设备等问题，以滇中引水工程红河段龙树山小断面隧洞为依托，首先提出3种机械化施工配套方案，对各方案所采用施工机械、施工方法、进度等方面进行对比分析，最终确定了中铁装备研发的CTR300S小断面隧洞水利型悬臂掘进机结合人工支护的施工配套方案。针对理论分析后所选择的施工配套方案开展技术应用试验研究，结果表明：（1）Ⅳ～Ⅴ级围岩稳定性差，以板岩、粉细砂岩、灰岩岩性为主，地下水较丰富的试验工况下，CTR300S悬臂掘进机工作效率可达20～40 m³/h，月开挖进尺预估可超过150 m，达到了预期进度效果；（2）小断面隧道全断面开挖，在悬臂掘进机截割部处为立拱、喷浆等工序提供作业平台是可行的。

关键词：滇中引水；小断面隧洞；悬臂掘进机；机械开挖；试验研究

近年来，我国隧道及地下工程在特长山岭隧道 建设技术、软岩隧道大变形控制技术、高瓦斯隧道建设技术、岩爆隧道建设技术隧道机械化施工水平等方面取得了进一步的突破[1]。在悬臂掘进机适应性方面，吕永林等[2]针对繁华城区浅埋隧道应用单臂 掘进机开挖的适用性进行了研究，通过对比分析，采用单臂掘进机为主的非爆作业施工技术，在减小对周边围岩及建(构)筑物的扰动、控制沉降方面效果明显，安全性高。黄基富等[3]研究了悬臂掘进机在交通隧道施工中的实践应用与适应性，并验证了在软岩、小断面隧道施工方面有较好的适应性。林宏等[4]总结了悬臂掘进机成套机械化作业线在铁路隧道施工中的应用优势。朱廷宇等[5]研究了悬臂掘进机在滇西红层隧道中的应用，并进一步分析了非爆法施工在滇西红层隧道中的进度明显的优势。、非电起爆和毫秒微差起爆组成的特征起爆系统网络进行引爆传爆，并结合掌子面爆破参数及炮眼布设的优化设计，实现了小断面长陡斜坡隧道短导洞光面爆破的技术研究。谢文清等[7]研究了单洞单线隧道，独头掘进距离长、断面小，洞内施工交通干扰大，隧道快速施工组织难度高的问题，通过优化和改进较大程度上解决了单线特长隧道的快速施工难题。邓川等[8]研究了对独头掘进超过2 km的普通单线铁路隧道采用有轨还是无轨运输施工的问题，并确定了独头掘进隧道长度在2.1～2.2 km左右时采用无轨运输方式的优势。李国等[9]进一步优化了悬臂式掘进机隧道铣挖施工顺序，得到了悬臂式掘进机开挖隧道合理铣挖施工顺序方案。从以往研究可以看出，在浅埋、近接既有建(构)筑物施工、交通隧道施工中、复杂条件下小断面隧洞钻爆施工组织、滇西红层等特殊地质下，相关学者都对悬臂掘进机施工进行了深入的研究[10]，但在软岩小断面隧洞中应用悬臂掘进机开挖的适用性、安全性、工效等方面尚没有明确的结论。

本文以滇中引水工程红河段龙树山隧洞为工程依托，基于小断面软岩隧洞应用悬臂掘进机开挖，通过对前期开挖方案的适用性、进度、安全性进行论述，并通过现场试验对隧洞非爆法开挖的施工方法、机械选择与所处环境的适用性进行分析研究，总结试验成果，为软岩小断面隧洞应用悬臂掘进机开挖提供参考。

龙树山隧洞上接龙树山渡槽，后接阿子冲消能建筑物，全长 2 784.954 m，穿越山脊宽度约1500 m，山脊走向为北北东向，与主构造线基本一致。过水断面3.0 m（宽）×3.9 m（高），隧洞穿越地层为板岩、 变质砂岩，分布于隧洞前段和中段，砂岩夹页岩分布 于隧洞后段，岩层产状160°∠15°，灰岩、白云岩分布于隧洞出口段，第三系含砾黏土分布于隧洞出口段。隧洞岩体以板岩、变质砂岩等软岩为主，全强风化，岩石破碎夹泥，碎裂结构岩体，总体为Ⅳ～Ⅴ级围岩。隧洞出口发育一条逆断层，断层产状251°∠70°，断层走向与隧洞夹角44°。龙树山隧洞沿线美党组板岩、变质砂岩小褶皱较发育，沿线褶皱主要有龙树山背斜和龙树山向斜。

隧洞除进出口段高于地下水位，绝大部分洞身段低于地下水位，地下水对隧洞围岩稳定及施工影响较大。地下水位高出隧洞顶板一般都在20 m以上，最高达142 m。施工开挖存在隧洞涌突水问题，但因地下水位低、围岩（砂泥岩、板岩为主）透水性差，涌突水量小，涌突水量风险等级多为C级。

化机械化施工方案该方案适用于围岩以白云岩、砂岩、灰岩、页岩、泥岩等为主，软弱围岩占比大，独头掘进距离长，工期紧张的隧洞。采用小型悬臂掘进机+门架支护台车 一体化配套装备，可加快施工进度，节省总体工期。

（1）施工设备

① 小型悬臂掘进机

掘进设备建议采用CTR300S型悬臂掘进机，该掘进机是一种集切割、行走、装运、机载除尘等多种功能为一体的高效掘进装备，是水利隧洞成套机械化施工装配中的掘进装备，设备参数见表1，外形尺 寸见图1。

CTR300S 悬臂式掘进机通过前部截割臂的上下、左右摆动，同时配合截割头旋转破岩，可适应城门洞形、半圆形、矩形和马蹄形等不同形状断面的开挖施工。单次最大定位截割断面可达30m² ，经济截 割岩石单向抗压强度80 MPa。

② 出渣设备

出渣设备主要由出渣栈桥、出渣皮带机组成。隧道开挖时，渣土通过刮板输送机输送到掘进机尾部，经出渣皮带机向后输送。出渣皮带机受料角度可通过皮带机俯仰油缸调整，适应悬臂掘进机物料的输送。

③ 门架支护台车

门架式支护台车主要由支护门架、拱架起吊装置、拱架安装装置、混凝土喷射臂等部分组成。支护门架采用大、空结构设计形式，不影响设备通 过性能及出渣、物料运输所需空间。悬臂掘进机工作时，台车退到悬臂掘进机尾部，不影响正常掘进作业。支护门架移动、定位方式：支护门架通过门架移动油缸向前步履式移动，通过油缸与不同耳板（设置在悬臂掘进机上）的铰接实现整体步进。门架两侧设门架导向轮，悬臂掘进机相应位置设导向板，使门架整体卡着悬臂掘进机前进，达到隧洞空间的有效利用和支护门架的定位。

拱架起吊装置设在门架尾部，该装置可一次实现 3 榀钢拱架的安装。拱架安装装置设在门架顶部，可实现纵向2 m滑行，将钢拱架向前安装到掌子面处。混凝土喷射臂设在门架顶部侧边，可实现开 挖面混凝土喷射的有效范围覆盖。在门架上还可进行挂网、拉筋焊接及人工锚杆打设等作业。

出渣栈桥门架上集成有拱架起吊装置、拱架安装装置、混凝土喷射臂、物料运输装置等功能，在围岩条件较好的情况下，可实现连续开挖、后续支护的功能，提高整体施工效率。

物料运输装置可辅助进行拱架向掌子面的运输 以及辅助人工铺设钢轨等功能。

（2）施工方法

① 隧洞开挖

采用悬臂掘进机全断面开挖，开挖轮廓线由测量组用红油漆标识。设备就位后，先用高速档位在掌子面底部水平割出一条槽，向前移动掘进机再一次就位，采取自上而下，左右循环方式切削掌子面。开挖完成后，再用低速档位进行第二次修整到准确设计断面，严格控制超欠挖。

② 隧洞出渣

出渣采用出渣栈桥+有轨运输结合方式。具体方案为：悬臂掘进机将渣土切入出渣栈桥上，通过皮带机装入列车编组。纵坡小于 2% 的工作面，渣土可直接由列车编组运至洞外，再由装载机配合自卸汽车运至弃渣场堆放；纵坡在2%～10%之间的工作面，渣土需由列车编组运至设置在主洞与辅助坑道的交汇处的转渣平台，再由装载机配合自卸汽车运至弃渣场堆放。列车编组参数设计：Ⅳ级围岩、循环进尺3 m，每循环约50 m³ ，虚方75 m³ ，每节渣车可装 16 m³ 渣土，编组列车为45 t机车+5节渣车+1节15 t 平板车。

③ 隧洞支护

（a）围岩情况差、须及时支护段落：利用门架式 支护台车进行立拱、喷混凝土作业。

（b）围岩情况较好、整体较稳定段落：门架式支 护台车负责初喷混凝土，其余支护作业放在悬臂掘进机后方进行，利用出渣栈桥上的支护平台进行施工，从而达到开挖支护平行作业的目的，加快施工进度。

开挖即将结束时，采用起吊装置将本循环所需的拱架、网片等支护材料放置台车的立拱平台上。开挖结束后，通过门架移动油缸向前步履式移动自行至掌子面，利用立拱平台一次顶升2～3榀拱架，并铺设钢筋网片、人工打设锚杆。喷射混凝土通过列车编组运至现场，再由螺旋输送机将混凝土送至输送泵内，湿喷臂和输送泵之间采用软管连接。

（3）理论进度分析

对各施工支洞（平洞），在Ⅲ级围岩条件下掘进效率按15 m³ /h演算，在Ⅳ、Ⅴ级围岩条件下掘进效率按25 m³ /h演算，正常开挖支护进度指标分析如图2、图3所示。

经计算分析，该方案在支洞作业面应用时，理论进度：Ⅲ级围岩每循环12.5 h，月进尺161 m；Ⅳ级围岩每循环11 h，月进尺137 m；Ⅴ级围岩每循环11.5 h，月进尺105 m。对各施工支洞（平洞）控制主洞段按照上述功效下的条件进行演算，正常开挖支护进度指标分析如图4、图5所示。经计算分析，该方案在主洞作业面应用时，理论进度：Ⅲ级围岩每循环10 h，月进尺302 m；Ⅳ级围岩每循环7.5 h，月进尺200 m；Ⅴ级围岩每循环7 h，月进尺115 m。

该方案同方案一类似，仅取消方案一中的门架支护台车，适用于长度1000 m以内、工期不紧张的隧洞。采用悬臂掘进机进行掘进，支护等工序采用原施工组织设计中传统人工方式进行。

（1）施工设备该方案所采用设备主要为 CTR300S 型悬臂掘进机，方案一中已有介绍。

（2）施工方法

① 隧洞开挖

开挖采用同方案一的方式进行，掘进机全断面掘进作业，Ⅴ级围岩循环进尺2 m，Ⅳ级围岩循环进 尺2～3 m，Ⅲ级围岩循环进尺3～5 m。

② 隧道出渣

悬臂掘进机将渣土切入皮带输送机，皮带输送机将渣土运送到自卸汽车，然后直接运至弃渣场堆放。掌子面出渣方式如图6所示。

③ 隧洞支护

支护采用传统人工方式支护，但需借助悬臂掘进机的辅助施工平台，调整好悬臂掘进机截割臂的辅助施工平台后，按照原施工组织设计方案实施作业。作业平台展开示意如图7所示。

（3）理论进度分析

对各施工支洞（平洞），在Ⅲ级围岩下掘进效率按15 m³ /h，Ⅳ、Ⅴ级围岩下掘进效率按25 m³ /h演算， 正常施工进度指标分析如图8、图9所示。

经计算分析，该方案在支洞作业面应用时，理论进度：Ⅲ级围岩每循环10.5 h，月进尺192 m；Ⅳ级围岩每循环12 h，月进尺126 m；Ⅴ级围岩每循环11.5 h，月进尺105 m。

对各施工支洞（平洞）控制主洞段按照上述功效下的条件演算，正常施工进度指标分析如图10、图11 所示。

经计算分析，该方案在主洞作业面应用时，理论进度：Ⅲ级围岩每循环10.5 h，月进尺192 m；Ⅳ级围岩每循环11.5 h，月进尺131 m；Ⅴ级围岩每循环10 h，月进尺81 m。

该方案适用于采用钻爆法施工隧洞，开挖时使用门架式凿岩台车钻孔，拱架安装采用门架凿岩台车集成的拱架安装装置架立，锚杆钻孔采用门架凿岩台车，喷射混凝土采用门架凿岩台车集成的混凝土喷射臂与湿喷台车联合进行混凝土喷射。

（1）施工设备

该方案的主要设备为多功能门架式凿岩台车，该设备主要由凿岩臂、支护门架、拱架起吊装置、拱架安装装置、混凝土喷射臂等部分组成，如图12所 示。

掌子面钻孔作业时，台车通过轮式行走装置移动至距离掌子面适当位置，使用两个钻臂同时两侧打孔。支护作业时，支护门架尾部的拱架起吊装置在人工辅助下将拱架安装于拱架安装装置，拱架安装装置可在门架顶部实现2 m滑行，将钢拱架装到掌子面处，该装置一次可实现3榀钢拱架的安装。混凝土喷射作业时，混凝土喷射臂沿门架向前滑行，通过机械臂的多自由度动作实现受喷面的有效覆盖。

（2）施工方法

① 隧洞开挖

（a）全断面法：适用于Ⅲ级、Ⅳ级围岩段。开挖循环进尺控制：Ⅲ级围岩每循环2～2.5 m，Ⅳ级围岩 每循环1.5～2 m。

（b）微台阶开挖法：适用于Ⅴ级围岩及特殊地质段。其中上台阶长度3～5.0 m，钻孔时上下台阶同时施工，同时装药爆破。

② 隧洞出渣

隧洞长度小于 2 km 的工作面直接采用无轨出渣；大于2 km且纵坡小于2%的工作面，渣土采用扒渣机梭式矿车运至洞外，再由装载机装至自卸汽车运至弃渣场堆放；大于 2 km 且纵坡在 2%～10% 之间的工作面，渣土采用扒渣机装搭接梭式矿车运至主支洞交汇处的转渣平台，再由侧卸式装载机装自卸汽车运至弃渣场堆放。

③ 隧洞支护

（a）拱架安装

拱架安装采用门架凿岩台车集成的拱架安装装 置架立，人工挂网。

（b）锚杆施工

采用门架凿岩台车的钻臂进行钻孔，人工安装锚杆。有特殊要求时亦可采用钻注一体锚杆台车钻孔、插打锚杆、注浆。

（c）喷射混凝土施工喷射混凝土采用门架凿岩台车集成的喷射臂与湿喷台车联合进行混凝土喷射。

（3）理论进度分析

根据主要设备施工能力及以往工程的施工经验，隧洞开挖支护进度指标分析时折合系数采用 0.8。支洞（平洞）进度分析如图13、图14所示

经计算分析，该方案在支洞作业面应用时，理论进度：Ⅲ级围岩每循环10 h，月进尺144 m；Ⅳ级围岩每循环11 h，月进尺105 m；Ⅴ级围岩每循环9 h，月进尺80 m。

对各施工支洞（平洞）控制主洞段按照上述功效下的条件演算，正常开挖支护进度指标分析如图 15、图16所示。

经计算分析，该方案在主洞作业面应用时，理论进度：Ⅲ级围岩每循环7.5 h，月进尺154 m；Ⅳ级围岩每循环8 h，月进尺108 m；Ⅴ级围岩每循环7.25 h，月进尺64 m。

综合对比三种施工方案理论进度指标如图 17 所示。可以看出：采用方案一施工理论进度最快，但该方案前期投入的设备成本较大，不利于施工综合成本的控制。此外，机械设备存在性能不稳定的风险，在小断面施工时，如果机械出现故障，导致隧洞施工窝工，难以达到预期设定目标；方案三虽然前期投入成本较低，但施工机械化程度较低，人工成本和工期成本较大，这种问题随着施工进行越显突出；综上所述，选用方案二进行先行先试，后期根据试验情况可不断优化。

现场收集得到的施工数据如图18所示，由图分析可知，采用方案二掘进17次，渣土总方量为 1289.2 m³ ，开挖累计进尺 70.5 m，有效截割时间累计为48.34 h，掘进效率为26.67 m³ /h，高于方案分析中假定的Ⅳ、Ⅴ级围岩掘进效率25 m³ /h，能够保证达到方案中预期的施工月进尺，从而验证了方案的可行性。

（1）龙树山隧洞Ⅳ～Ⅴ级围岩稳定性差，以板岩、粉细砂岩、灰岩岩性为主，地下水较丰富的试验工况 下，CTR300S悬臂掘进机工作效率可达20～40 m³ /h，月 开挖进尺预估可超过150 m，达到了预期进度效果。

（2）滇中引水工程龙树山隧洞工程地质条件复杂，施工条件差，围岩自稳能力差，容易产生掌子面垮塌，机械开挖施工（非爆法悬臂掘进机施工）成本比人工钻爆法略有增加，施工安全却得到了大大保障。试验过程中，掌子面发生过两次塌方，悬臂掘进 机开挖过程中操作手距掌子面至少 5 m，避免了人员伤亡事故的发生。因此非爆法悬臂掘进机施工，能有效保证施工安全质量，改善作业条件，降低劳动 强度，提高隧洞施工工效。

（3）采用悬臂掘进机在小断面引水隧洞中施工，在悬臂掘进机截割处为立拱、喷浆等工序提供作业平台是可行的。由于施工空间有限，也存在相应问题，需要合理、有序、衔接紧密的施工组织来弥补 在开挖中出现的问题。

（4）针对悬臂掘进机在小断面隧洞的应用研究，目前有一定研究成果，后续还需进行的研究工作包括合理高效的工序组织制定与实施、将超前地质预报和掌子面临时加固工序融入整体方案工序管理、解决人员材料快速转移、拱脚处残渣清理等问题。

本文摘编自《现代隧道技术》第60卷第3期 (总第410期), 2023年6月出版。参考文献略。

作者简介：刘万林（1985-），男，高级工程师，主要从事隧道工程方面的研究及管理工作，E-mail: yydzxwlqx@163.com.

通讯作者：尚明明（1985-），男，工程师，主要从事隧道及地下工程施工管理方面的工作，E-mail: 546590312@qq.com.

本文来源：施工装备与技术