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[摘要]悬臂式隧道掘进机是一种全新的隧道冷开挖专用设备，但其硬岩工况截割效率低的弊端也愈加突出，严重制约着悬臂式隧道掘进机的发展。为提升悬臂式隧道掘进机的硬岩切割效率，介绍了一种GDSC组合掘进工法，结合悬臂式隧道掘进机的破岩切削原理，首先采用人为的方式制造裂隙，释放岩石内部应力，再采用悬臂式隧道掘进机进行切割，实现硬岩的块状切割，达到硬岩工况的高效、低成本切割。
[关键词]悬臂式隧道掘进机；硬岩切割；掘进工法；组合
近年，国内隧道工程快速发展，随着“一带一路”的持续推进，大量国外隧道工程也陆续开工。随着近年的工程建设技术的进步，隧道工程建设规模和效益都将进一步增大,隧道工程设备迎来了发展的黄金阶段。
1悬臂式隧道掘进机弊端
悬臂式隧道掘进机是一种全新的隧道冷开挖专用设备，具有围岩扰动小、开挖断面形状自由、安全环保、机动灵活等特点，较国内隧道工程常用的爆破法及盾构法施工具有一定优势，逐渐被广泛应用于水利、地铁、公路、铁路等隧道施工。在国内，徐工集团率先对悬臂式隧道掘进机进行研发，形成了XTR系列隧道专用掘进机，并起草制订了JB/T13018-2017《悬臂式隧道掘进机》行业标准。产品一经推出，便在国内隧道施工市场得到认可，但随着近年的发展，其硬岩工况截割效率低的弊端也愈加突出，严重制约着悬臂式隧道掘进机的发展，急需突破这一瓶颈。在国外，发达国家已大量使用悬臂式隧道掘进机，但同样存在硬岩工况施工效率低的问题。为此，其硬岩隧道项目周期往往规划完成时间较长。如何提升悬臂式隧道掘进机的破岩能力，提高硬岩切割效率也是其多年不断研究探索的难题。
2悬臂式隧道掘进机切削原理
悬臂式隧道掘进机按破岩切割头型式主要分为纵轴式、横轴式两种，其中国内应用较多的是纵轴式。纵轴式掘进机切割头为菠萝状，表面镶有硬质合金截齿，由电动机、减速器串联传动，绕悬臂中心线旋转，截割头上的截齿循环与岩石直接接触，在悬臂上下或左右运动配合下从工作面以挤压铣削方式进行破岩，落入底板的破碎岩石由铲板星轮机构装到刮板输送机上，转运到后续运输设备内。工作中采用喷水降尘，也可配套除尘风机降尘。设备采用履带车行走。悬臂式隧道掘进机工作时，在中软岩地层施工时由于岩体存在大量的显著或隐形裂隙，因而多呈块状切割，施工效率较高，截齿损耗相对较小。但是在硬岩地层施工时，如图1单截齿截割岩石数值模拟效果所示，多为研磨切割，落料为粉末状，施工效率低，损耗极大，会严重影响施工进度及成本。因此，国内许多厂家对悬臂式隧道掘进机截割头进行了大量的研究，建立了截齿排布参数化模型，并利用编程实现了截齿排布参数化设计。排布截齿时，对切削角及旋转角等进行仿真分析，并将截割头分成球头段、圆锥段、圆柱段等多个分段，根据不同工况进行布齿，从而提升切削性能，减少截齿损耗。但是，针对硬度极高的岩石仍未能实现经济、高效的掘进切割。通过ANSYS/LS-DYNA试验模拟，悬臂式隧道掘进机在切削岩石时，其效率及损耗与岩石硬度、岩体完整性有较大关系，随着岩石硬度、岩体完整性的增加，同等设备情况下的切割能力大幅下降，相应的，截齿损耗量大幅提升。
结合悬臂式隧道掘进机的破岩切削原理，依据现有装备能力，从工艺工法入手，解决超硬岩隧道的掘进难题。首先制造岩体裂隙释放岩石内部应力，制造裂隙的方式可根据现场条件进行确定，比如采用液压劈裂机劈裂、静态二氧化碳爆破等多种方式。然后采用悬臂式隧道掘进机进行切割，此时可实现硬岩的块状切割，达到硬岩工况的高效、低成本掘进。GDSC组合掘进工法的四个主要步骤分别是开槽（Groove）、钻孔（Drill）、涨裂（Split）、掘进（Cut），见图2。GDSC组合掘进工法可推广性强，根据不同隧道工况特点，可进行灵活运用。具体工法方案步骤如下。根据待施工隧道的特点，做好施工前的准备后可编制具体施工方案。首先清理施工现场，并调试悬臂式隧道掘进机、液压凿岩钻机及液压劈裂机等各种施工操作设备。
1）开槽（Groove）
采用悬臂式隧道掘进机在将要施工的隧道掌子面的中部或软岩部位开槽，形成涨裂用的临空槽。开槽的深度一般不应小于预期涨裂的深度。当然，临空槽的施工也可以采用其他凿槽设备进行，如采用潜孔钻机或凿岩机钻咬合孔形成临空槽、岩石锯片切割裂隙形成临空槽等，不局限于采用悬臂式隧道掘进机进行掘进开挖。
2）钻孔（Drill）
在隧道除临空槽以外的掌子面待切割部分垂直于掌子面钻分裂孔，由于存在岩石分裂间距，越靠近临空槽的位置分裂效果越好，越靠近分裂孔的位置分裂效果也越好。相应的，越远离临空槽和分裂孔，分裂效果越差，如图3所示。因此，可采用平行交错布孔的方法，见图4，根据岩石性质确定钻孔的间距，岩石脆性越大，所钻分裂孔的间距也越大。一般相邻分裂孔之间的间隔为0.4～1m,钻孔直径的大小尺寸（一般45～90mm)根据涨裂设备的要求，如采用液压劈裂机涨裂，钻孔深度一般不低于1m。采用平行交错布孔的方法，可以消除前排孔间距中心位置的涨裂残余，优化涨裂效果。前排涨裂后产生的裂隙可起到下一排涨裂所需的临空槽效果。
3）涨裂(Split)
使用液压劈裂机进行隧道掌子面岩石的涨裂，为了提高液压劈裂机的涨裂效率，可使分裂楔形块朝向临空槽进行涨裂。当然，涨裂岩石的方式多种多样，也可采用二氧化碳静态爆破、少量炸药等代替液压劈裂机进行岩石涨裂。
4）掘进(Cut)
岩石涨裂完成后，因其根部仍与基岩连接在一起，故此难以脱落，但外部岩石已存在大量的裂缝。用悬臂式隧道掘进机进一步对已涨裂岩石部分进行掘进切割,对切割落下的渣料进行清理，将渣料装运至工程运渣车，从而运至隧道之外的指定位置。致此，采用GDSC组合掘进工法完成了一个循环的隧道掘进作业，紧接着完成其他锚固、喷浆等工序后，可进入下一个循环的开槽-钻孔-涨裂-掘进作业，从而完成整条隧道的掘进成型。
4灵活应用
采用GDSC组合掘进工法进行施工作业时，应依据不同隧道工况特点可灵活运用。比如针对掌子面上部为软岩、下部为硬岩的工况，可考虑采用悬臂式隧道掘进机进行分台阶掘进。上台阶采用悬臂式隧道掘进机掘进施工，下台阶进行垂直向下钻孔，利用下台阶已掘进开挖的部分作为临空槽，向隧道后方进行涨裂，从而实现隧道上下台阶的同步作业施工，提升隧道整体的掘进成型效率，降低截齿损耗。又比如针对掌子面下部为软岩、掌子面上部为硬岩的工况，可先进行下部软岩的截割，从而将已截割的部分作为上部涨裂用的临空槽，再依次钻孔、涨裂、掘进。再比如进行钻孔时可一次性钻进多个涨裂、掘进循环所需的深度，从而简化工法的步骤，实现一次钻孔、多次掘进，提升综合进尺效率。
5GDSC工法施工机械
徐州徐工基础工程机械有限公司针对GDSC工法，研发了一款冲击凿岩钻掘一体机，可实现开槽、冲击凿岩成孔、掘进一机多用，该设备已在西藏某水利隧道工程进行了应用，如图5所示。也有部分厂家已经研究出钻劈一体机，可用于GDSC组合掘进工法的第二和第三步骤作业施工，提升作业效率。
6结论
GDSC组合掘进工法操作简单、效率高、成本低，安全环保。经宁波某隧道工程施工验证，应用该工法进行硬岩隧道掘进开挖，较原悬臂式隧道掘进机研磨截割施工效率提高1倍以上，截齿损耗降低80%以上。
[参考文献]
[1]李玲玉，吕金明．悬臂式掘进机在公路隧道工程中的应用[J]．山西建筑，2018，36(15）：167-168.
[2]朝霞，饶军应，崔会超，等．悬臂掘进机在岩溶隧道暗挖施工中的应用研究[J]．施工技术，2018，47(14）：15-19．
[3]张楠．悬臂掘进机隧道施工研究与应用[J]．机械工程师，2020，350(8）：115-117.
作者：韩振 李跟跟 汤镇 单位：徐州徐工基础工程机械有限公司
