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銑挖機在引洮供水二期工程四干渠軟巖隧洞掘進中的應用

文檔作者：李東東文檔來源：甘肅省水利水電勘測設計研究院		點擊數：	更新時間： 2025年03月03日
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第53卷第9期甘肅水利水電技術、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
·設計與研究·
銑挖機在引洮供水二期工程
四干渠軟巖隧洞掘進中的應用
李東東
(甘肅省水利水電勘測設計研究院，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，隧洞掘進進度是控制施工工期的瓶頸。隧洞掘進選用何種
施工設備，是控制隧洞成形，節約成本，提高開挖、掘進效率的關鍵所在。銑挖機是公路、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，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。引
洮供水二期工程四干渠軟巖隧洞掘進，采用銑挖機施工取得了成效。
關鍵詞：四干渠；引水隧洞；銑挖機；施工
中圖分類號：7Ⅳ554；7Ⅳ53+4 文獻標志碼：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以城鄉生活、工業供
水為主，兼顧農業灌溉和生態用水的大型跨流域調
水工程，為甘肅中部8個國家扶貧重點縣(即定西市
的安定區、隴西縣、通渭縣，白銀市的會寧縣、平涼市
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)的群眾脫貧致富及改善生態環境創造
條件。設計水平年供水總人口268．57萬人，年供水
量約31 284萬m3。
四干渠起點在隴西縣宏偉鄉吳家河總干渠
xIP9(26+080．88)處，終端位于通渭縣榜羅鎮李家
咀，全長44．723 km。自總干渠分水后進入四干渠1。
隧洞，走向東南，經坷垴灣至2。隧洞出口謝家溝，在
此向錦屏輸水渠分水；分水后渠線轉向正南方向，以
隧洞結合暗渠、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?？刂乒?
溉面積10．85萬畝，自渠首至渠尾設計流量5．0～2．1
m3，s，加大流量6．0～2．7 m3，s。
2施工重點及特點
(1)工程開挖、掘進量大：四千渠有13座隧洞，
隧洞總長39．442 km，隧洞的開挖、掘進及支護是該
工程的關鍵。
(2)工程地質條件：四千渠引水隧洞進出口均
為第四系風積黃土。洞身圍巖主要為新近系砂礫巖、
砂質泥巖、砂質泥巖與砂礫巖互層及古近系砂巖、含
礫砂巖，產狀平緩，雖巖體較完整，但遇水易軟化、崩
解，泥巖失水易干裂、剝落；天然狀態單軸抗壓強度
0．1～6．2 MPa，其中砂質泥巖天然狀態單軸抗壓強度
0．3～4．6 MPa。洞身圍巖主要為極軟巖，巖性軟弱，水
理性質不良。由于泥質膠結物含量不同，膠結程度有
所差異，各巖組強度有差異，水理陛質差異較大。相
對而言，新近系砂質泥巖含有大量的泥質膠結物，且
有較多的粉砂質骨架顆粒，膠結相對較好，強度相對
較高，工程地質性質相對較好；古近系砂巖、含礫砂
巖泥質膠結物含量最少，膠結微弱，成巖程度極低，
強度極低，工程地質性質極差；新近系砂礫巖由于膠
結物含量相對較高，其膠結程度相對好于古近系砂
巖夾砂礫巖，其工程地質性質略好于古近系砂巖夾
砂礫巖?？傮w上，工程區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；
從工程應用來看，巖體強度低，承載力低，變形大。該
類圍巖自穩時間很短，穩定性極差，屬極不穩定的V
類圍巖。應及時進行掛網噴錨、系統錨桿錨固及鋼拱
架支護。
3隧洞施工方案比較
根據“新奧法”施工要求，該類圍巖隧洞施工應
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，主要從事水文地質與工程地質勘察，E—mail：375894955@qq．com。
·63·
萬方數據
2017年第9期甘肅水利水電技術第53卷
始終堅持“短進尺、強支護、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行比較。
3．1 鉆爆法施工的特點
(1)優點：適用于各種地質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
對圍巖勻質性質無要求。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：鉆爆人員較多，進度緩慢，排煙時間過
長。小斷面爆破安全系數較低，施工成本投入過大。
埋深較淺時，爆破會影響地面建筑物、交通和商業活
動。圍巖較軟，一次支護成形輪廓難以控制。
3．2銑挖機施工的特點
(1)優點：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
類別為極不穩定的V類，若采用裝載能方180 m％，
挖掘裝料、雙液壓驅動，電機功率75 kW的銑挖機
(sTB一120，75M2Y)掘進，工作效率高，掌子面作業人
員投入相對較少；洞內污染程度低，特別是對環境要
求較高的引水工程，適用性強；洞內成形輪廓控制效
果良好，開挖過程中可減少超挖、欠挖，減少支護、回
填工程量；操作簡單、方便、通用性好。
(2)缺點：隨隧洞深度增加，線路功率損耗增大，
啟動困難，容易出現較高溫度的施工環境。
3．3銑挖機施工的選用
銑挖機施工工作效率高，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，圍巖受力狀態合理，對地層及領進結構物
變形控制好，超欠挖控制好；微擾動、震動小、噪音
低；精準控制施工；銑挖后的渣土粒徑小且均勻，需
要時便于二次利用；安全性好等特點。故選用
srI'B一120銑挖機進行施工。
4銑挖法施工工藝簡介
銑挖機由煤礦采煤機改進而成，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，現正在逐步向全國推廣。其施
工快速、簡便，對于整體性較好、強度較低的圍巖適
用性強，開挖斷面成形好，便于后續支護、二襯。銑挖
機由刀頭和機身組成，具有自行功能。移動和工作均
使用自身電機。
施工采用山特重工STB一120銑挖機，主要技術
參數見表1所列。利用銑挖機的銑挖頭高速旋轉切
削巖石，人工配合修整開挖輪廓線達到設計要求，可
以有效地減少開挖對圍巖的擾動，控制超欠挖，提高
掘進質量和安全度，降低作業人員的勞動強度。
表1山特重工STB一1 20銑挖機主要技術參數
5施工措施
5．1 開挖原則
隨著銑挖機在四干渠軟巖隧洞掘進中的應用，
施工技術漸趨成熟，施工進度逐步加快。施工中采用
自上而下正臺階式施工，臺階寬度≤1．5 m時掘進效
率最佳，如圍巖較硬，掘進時為潤滑和降塵，需使用
高壓水，供水壓不小于3 MPa。運輸采用3 t自卸車。
施工工序循環較快時應及時封閉開挖面并進行
·64·
初期支護，做好斷面監控量測，以便依據監測結果及
時調整支護參數。當穿越隧洞進出口、淺埋洞段、斷
層破碎帶時，應遵循“短進尺、弱爆破(雖采用掘進機
開挖，局部仍不可避免會使用爆破方式)、強支護、早
封閉、勤量測、襯砌緊跟”的原則。
5．2開挖方法
銑挖機宜采用臺階法開挖，上臺階首先采用銑
挖機進行環形開挖，考慮到作業空間要求，開挖寬度
萬方數據
第9期李東東：銑挖機在引洮供水二期工程四干渠軟巖隧洞掘進中的應用第53卷
1．0～1．2 m；施工拱部初期支護，然后以破碎錘清除
核心土；中、下臺階采用銑挖機開中槽挖馬口，再采
用破碎錘清除核心土的方法施工。
施工工藝流程為：上臺環形開挖-+上臺階初期
支護_核心土開挖(必要時上臺階施作臨時仰拱)_÷
中臺階左側開挖一中臺階左側初期支護_÷中臺階右
側開挖_中臺階右側初期支護_÷開挖中臺階核心
土-÷開挖下臺階左側-÷下臺階左側初期支護_開挖
下臺階右側-÷下臺階右側初期支護_÷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；④中臺階
右側；⑤中臺階核心土；⑥下臺階左側；⑦下臺階右側；⑧下
臺階核心土；I上臺階初支；Ⅱ中臺階左側初支；Ⅲ中臺階
右側初支；Ⅳ下臺階左側初支；V下臺階右側初支；Ⅵ上臺
階臨時仰拱；Ⅶ中臺階臨時仰拱；Ⅷ隧洞底部仰拱。
圖1銑挖法三臺階掘進施工步驟示意圖
6施工過程注意事項
由于缺乏銑挖機在軟巖和極軟巖地層進行隧洞
開挖、掘進的經驗，在施工過程中遇到了以下主要問
題：
(1)銑挖機挖掘軟巖和極軟巖也就是無側限抗
壓強度小于15 MPa巖工體的效率較高，在15～30
MPa的較軟巖中開挖既耗時又費力，當隧洞有些部
位的砂巖較完整，強度在25 MPa左右時，開挖更緩
慢，1．5 m長的掘進段挖掘了24 h，對銑齒磨損也比
較快，因此，開挖過程中應及時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)銑挖機是連續開挖，會連續產生粉塵，掌子
面能見度很差，操作手不易看清目標，經常不得不短
暫停機；同時，反鏟吸人大量的粉塵，使發動機的負
載過大，經常出現高溫報警而停止掘進的現象。
(3)銑挖機液壓系統為風冷式，連續工作時，油
溫容易上升，可能造成銑挖頭旋轉力矩下降、液壓管
爆管、液壓泵損壞。掘進時，應時刻關注液壓油溫度，
防止液壓系統的相關部件因高油溫而損壞。
7結語
引洮供水二期工程四干渠于2016年1月起各
標段隧洞開挖陸續開工，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，不僅節約了施工成本，而且縮短了施工工
期，為城鄉生活、工業、農業及生態早日用水提供有
力保障，為甘肅中部8個國家扶貧重點縣群眾脫貧
致富及改善生態環境創造了有利條件。
參考文獻：
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