小型挖掘机在隧道大直径竖井开挖中的应用

[摘要]针对隧道竖井施工中传统的装岩机械效率低、维修量大等问题，通过与中心回转式抓岩机进行比较，最终选择小型挖掘机作为装岩设备。结果表明：小型挖掘机能明显缩短装岩时间，并使清底及排险工作变得简易、快捷，经济效益显著。

关键词：竖井；挖掘机；装岩；效率。

【分类号】：U455.3

0、引言

随着竖井施工技术的不断发展与应用，施工速度得到了明显提高.但竖井施工的装岩环节却始终未能取得重大突破，至今仍停留在使用中心回转式抓岩机等传统设备的水平。这些装岩设备除了受自身特点制约外，还存在以下问题：一是装岩效率低；二是故障率高、维修量大；三是配合工人较多，这在很大程度上限制了竖井的施工速度。利用传统的装岩设备施工时，大直径竖井装岩环节耗时为整个循环时间的60%～70%。因此，如何缩短装岩时间已成为大直径竖井快速施工的关键。

1、工程概况

云山隧道位于山西省左权县境内，横穿太行山脉西翼的阳曲山东南延，设计为分离式隧道。右线全长11377m，左线全长11408m，左右线均为特长隧道，间距30～35m。为缓解云山隧道施工及运营通风压力，于右线右侧设置1#竖井。竖井采用厚30cmC30钢筋混凝土中隔板将送、排风道分隔，竖井内径φ=8.2m，最大开挖外径φ=9.78m，井深h=220.4m。

竖井通过的地层主要为石灰岩、白云岩，部分地段夹泥岩。地下水主要为基岩裂隙水。开挖采用由上往下单行作业法，全断面正向爆破掘进，1#竖井复合式衬砌，初支采用锚、网、喷、钢架联合支护形式，随挖随护，紧跟工作面；二次衬砌采用自下而上的施工顺序，井壁二次衬砌与中隔板采用滑模工艺由下而上整体浇筑成井。

2、装岩方案比选及配套设备定型

2.1、装岩方案比选

目前竖井施工中大多采用HJ-6型中心回转式抓岩机装岩。在本竖井前30m的施工过程中，同样采用中心回转式抓岩机进行装岩，发现此种方式无法实现快速施工。考虑到1号竖井工程的特点及工期要求。决定采用小型挖掘机代替中心回转抓岩机进行装岩.并对这2种装岩设备的各项指标进行了比较，见表1。由表l可知：采用挖掘机装岩，无论是装岩效率还是使用成本等都远远优于中心回转式抓岩机。

井筒开挖断面面积为71.48m2，平均每炮进尺2.5m.岩石膨胀系数取1.8。每循环总出岩量为322m3。按8h完成一茬炮的出渣任务考虑，则所需出岩能力为40m3/h。CT45-7A挖掘机（斗容量为0.17m3）的装岩效率可达48m3/h，而主、副提升绞车综合提升能力为45m3/h。采用CT45-7A挖掘机，实现了装岩与提升的最佳匹配。

2.3、锁口盘与吊盘的加工改造

锁口盘及双层吊盘直径为9.1 m.其盘面设置2个提升口，并相对盘中心对称布置。鉴于盘的加工难度、提升稳定性、挖掘机在井底的工作区域及吊桶的提升等要求，所选用的挖掘机长度不可超过6m，挖掘半径不得小于5m。

经综合比较，决定采用CT45-7A挖掘机。挖掘机的外形尺寸参数如表2。

表2 CT45-7A挖掘机外形尺寸参数

3、工程应用

3.1、显著缩短装岩时间

采用挖掘机装岩后.装岩每循环耗时从最初的19h缩短至8h内。将其装岩效率（选取2012年6月1-6日挖掘机装岩速度）与采用中心回转式抓岩机的效率（选取2012年4月25～30日采用HZ-6型中心回转式抓岩机的装岩速度）作了简单的比较，见表3、表4。

通过比较可以看出：采用挖掘机装岩效果远优于采用中心回转式抓岩机等传统的装岩设备。

3.2、清底时间大为减少，可兼危石排险

为了保证爆破钻孔质量，并方便后续初期支护的施工，每一循环后必须将井底及井壁清理干净。竖井施工中，清底工作是一项费时费力的工作。受井底条件限制，一般使用人工配合抓岩机清底，需安排最少6人，最短4 h才能完成。使用挖掘机后，清底工作只需安排2人辅助小型挖掘机装岩，1h即可完成。

挖掘机还能担负清理井壁浮石、危石工作，排除安全隐患，保证井筒施工安全，较人工排险快捷又安全。

3.3、经济效益显著

除去燃油费.使用挖掘机不仅每月可节省近2万元的司机工资，而且减少了人员投入、提高了施工进度、缩短了竖井整套设备租赁时间，每月至少可创20万元的经济效益。随着挖掘机在云山隧道1#竖井施工中的应用日臻成熟。在2012年6～8月中云山隧道1#竖井分别取得了月进尺58m、53 m、61m的好成绩。

4、存在的问题与改进

4.1、通风问题

施工期间利用局扇风机进行压入式通风.若采用中心回转式抓岩机装岩，工作面需用的风量只需考虑井底施工人员之用和爆破后的炮烟排放。通过计算风机的工作风量以及风压，选用2×11kW对旋风机。井筒内悬挂1列φ800 mm强力胶质风筒，风筒出口距工作面不超过20 m。但采用内燃机式挖掘机装岩会产生大量尾气。并且原设计风机无法满足需用风量。为此，采用2×18.5kW对旋风机取代2×11kW对旋风机，基本解决了工作面的通风问题。

4.2、挖掘机的保养与维修

云山隧道1#竖井通过的岩层为石灰岩与白云岩，石质较坚硬，挖掘机在装岩过程中磨损严重，使用频率高、连续工作时间长，因此必须定期检查履带、挖斗并及时做好维修工作，以维持机械的最佳工作状态，尽可能地将挖掘机的故障率降至最低。

4.3、挖掘机的悬吊与提升

CT45-7A型挖掘机的整机质置为3900kg.在地面设2台16t稳车即可完成挖掘机的悬吊工作，悬吊简便、安全性高。在打眼爆破的过程中，不用将挖掘机提升至地面（维修保养除外），可直接将其悬吊在双层吊盘下，与工作面保持一定的安全距离即可。这样有利于爆破结束后挖掘机立即下井进行装岩作业，尽可能地减少作业循环时间。

5、存在的问题与改进

小型挖掘机在大断面竖井施工中得到了成功的运用，在该大断面隧道中成功地使用了挖掘机完成正常段施工的装岩、清底工作.达到了快速掘进的目的。工程实践证明利用小型挖掘机装岩在公路隧道无瓦斯气体、大断面竖井施工中可以被广泛地应用。