適用于淺埋硬巖地鐵隧道的水磨鉆開挖臺(tái)車設(shè)計(jì)及應(yīng)用

黃旭 李棟

摘 要：本文研發(fā)了一款適用于淺埋硬巖地鐵隧道的水磨鉆開挖臺(tái)車，探討其工作原理，分析其技術(shù)特點(diǎn)，并將該裝備應(yīng)用于重慶地鐵六號(hào)線。應(yīng)用結(jié)果表明：采用新裝備，鉆進(jìn)效率提升了60%，鉆進(jìn)時(shí)間節(jié)省了30%～50%。本文的研究成果可為類似的淺埋硬巖地鐵隧道施工提供借鑒。

關(guān)鍵詞：淺埋硬巖地鐵隧道；水磨鉆開挖臺(tái)車；設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：U231.3；U455.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2018）22-0104-02

Design and Application of Water Proof Drilling and Trolley for

Shallow Buried Hard Rock Subway Tunnel

HUANG Xu1 LI Dong2

（1.Chongqing Changbo Parking Industry Development Co.， Ltd.，Chongqing 400000；

2. Chongqing Energy Investment Group Technology Co.，Ltd.， Chongqing 400060）

Abstract： A water grinding drill for shallow buried hard rock subway tunnel was developed， its working principle was discussed， its technical characteristics were analyzed， and the equipment was applied to line six of Chongqing Metro. The application results showed that the drilling efficiency was increased by 60% and the drilling time was saved by 30% to 50% with the new equipment. The research results in this paper can provide reference for similar shallow hard rock subway tunnel construction.

Keywords： shallow buried hard rock subway tunnel；water mill drilling trolley；design

為保證隧道在近距離下穿構(gòu)筑物和建筑物的安全，必須嚴(yán)格控制爆破震動(dòng)。一般的爆破震動(dòng)控制技術(shù)，也只能是最大限度地降低爆破震動(dòng)，且振速控制波動(dòng)性較大[1]。在地表建筑物林立的城市密集居住區(qū)、在下穿地表抗震等級(jí)低的構(gòu)筑物困難地段、或不允許產(chǎn)生爆破震動(dòng)的地段，非爆破開挖往往成為一種不得不選用的手段。在現(xiàn)有技術(shù)中，常采用破碎錘挖機(jī)進(jìn)行非爆破開挖。破碎錘挖機(jī)作業(yè)時(shí)，產(chǎn)生的噪聲大、揚(yáng)塵重，隧道開挖斷面常存在超挖、欠挖，開挖斷面不平整，影響后期拱架及網(wǎng)片安裝，且施工效率非常低，成本高，作業(yè)過程中也會(huì)對(duì)周邊地質(zhì)產(chǎn)生擾動(dòng)。本文首先分析淺埋硬巖隧道傳統(tǒng)開挖工藝存在的問題，然后探討新型開挖臺(tái)車的工作原理及可行性，研發(fā)水磨鉆開挖臺(tái)車，優(yōu)化其結(jié)構(gòu)，分析其技術(shù)特點(diǎn)，并在重慶軌道九號(hào)線江五區(qū)間進(jìn)行工程應(yīng)用。

1 傳統(tǒng)開挖工藝

1.1 傳統(tǒng)機(jī)械開挖工藝

傳統(tǒng)機(jī)械開挖工藝主要是采用破碎錘挖機(jī)進(jìn)行開挖。此方式施工過程中噪聲大，揚(yáng)塵重，施工效率低，成本高，需采用大型機(jī)械設(shè)備，對(duì)周邊地質(zhì)有擾動(dòng)，隧道開挖斷面存在超挖、欠挖等問題，且開挖斷面不平整，影響后期拱架及網(wǎng)片安裝。

1.2 鉆爆開挖工藝

采用鉆爆法進(jìn)行隧道開挖，人員設(shè)備投入大，需要采用的雷管及炸藥保存要求高，超挖和欠挖難以控制，對(duì)周邊地質(zhì)擾動(dòng)嚴(yán)重。此外，開挖后隧道頂部周圍存在零落碎石，造成安全風(fēng)險(xiǎn)，且開挖斷面不平整，影響后期拱架及網(wǎng)片安裝。

2 水磨鉆開挖臺(tái)車研發(fā)

2.1 水磨鉆開挖臺(tái)車的工作原理

水磨鉆開挖臺(tái)車的工作原理為：①根據(jù)設(shè)計(jì)隧道斷面大小制作水磨鉆臺(tái)車水磨鉆滑軌；②使用水磨鉆沿開挖區(qū)域周邊以相割圓方式按水平方向施鉆取芯，在周邊形成連續(xù)槽道，成型開挖輪廓；③在隧道斷面按設(shè)計(jì)要求成排打孔，打孔完成后采用液壓霹裂機(jī)進(jìn)行劈裂；④用液壓劈裂機(jī)自上向下進(jìn)行分裂開挖巖體，人工清除劈裂巖體。

2.2 水磨鉆開挖臺(tái)車組成

水磨鉆開挖臺(tái)車主要由臺(tái)車架、拱門架、支撐架、水磨鉆和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等組成，如圖1所示。

水磨鉆開挖臺(tái)車包括滑動(dòng)支承于施工區(qū)域地面上的臺(tái)車架，臺(tái)車架上安裝有多臺(tái)水磨鉆，多臺(tái)水磨鉆沿隧道開挖輪廓線依次間隔布置，水磨鉆鉆頭沿隧道掘進(jìn)方向延伸。

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括動(dòng)作機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)動(dòng)作機(jī)構(gòu)和多臺(tái)水磨鉆分別動(dòng)作的控制箱；多臺(tái)水磨鉆分別與控制箱相連，以在控制箱的驅(qū)動(dòng)下同時(shí)沿隧道掘進(jìn)方向移動(dòng)以施鉆取芯；多臺(tái)水磨鉆還分別與動(dòng)作機(jī)構(gòu)相連，以在動(dòng)作機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)下同時(shí)沿開挖輪廓線間歇移動(dòng)，以在開挖輪廓線的周邊形成連續(xù)槽道。

臺(tái)車架包括呈拱門狀的拱門架，拱門架的剖面形狀與開挖輪廓線相似，且拱門架寬度方向?yàn)樗淼赖木蜻M(jìn)方向；多臺(tái)水磨鉆沿拱門架的外周緣依次間隔布置于拱門架的外表面，且各水磨鉆鉆頭沿拱門架的寬度方向延伸。

動(dòng)作機(jī)構(gòu)包括用于分別安裝多臺(tái)水磨鉆的多根安裝滑軌，各安裝滑軌沿隧道掘進(jìn)方向延伸，且各安裝滑軌的兩端分別固定在端部對(duì)應(yīng)的拱形門上；各水磨鉆滑動(dòng)連接于對(duì)應(yīng)設(shè)置的安裝滑軌上，且水磨鉆在控制箱的作用下沿對(duì)應(yīng)設(shè)置的安裝滑軌滑動(dòng)。

支撐架包括水平設(shè)置的作業(yè)平臺(tái)，其下方連接有多排豎直設(shè)置的支柱，多排支柱沿開挖臺(tái)車的移動(dòng)方向相對(duì)布置，各排支柱的底端連接有滑條，臺(tái)車架通過兩根滑條滑動(dòng)支撐于施工區(qū)域的地面上。

2.3 水磨鉆開挖臺(tái)車技術(shù)的特點(diǎn)

第一，開挖臺(tái)車的多臺(tái)水磨鉆在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)作用下同時(shí)動(dòng)作，以在開挖輪廓線的周邊形成連續(xù)槽道，不僅可提高施工效率及施工質(zhì)量，而且自動(dòng)化程度高，能減少操作各水磨鉆動(dòng)作所需的操作人員，進(jìn)而降低施工成本。

第二，多臺(tái)水磨鉆首先在開挖輪廓線的周邊形成連續(xù)的槽道，然后再采用液壓劈裂機(jī)對(duì)由水磨鉆剝離出的巖體進(jìn)行劈裂的施工方式。與利用破碎錘挖機(jī)對(duì)隧道斷面進(jìn)行鑿除的施工方式相比，其施工過程中產(chǎn)生的噪聲小、揚(yáng)塵輕，對(duì)周邊地質(zhì)擾動(dòng)小，適合距離較短、巖層堅(jiān)硬、城市密集居住區(qū)、爆破震動(dòng)控制嚴(yán)格等小斷面隧道工程的開挖施工，不會(huì)產(chǎn)生有毒氣體和其他有害廢棄物，使作業(yè)環(huán)境明顯改善。

第三，多臺(tái)水磨鉆在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)作用下可在開挖輪廓線的周邊形成連續(xù)的槽道，以備后續(xù)采用液壓劈裂機(jī)對(duì)剝離出的巖體進(jìn)行劈裂，且由于多臺(tái)水磨鉆沿開挖輪廓線依次間隔布置，故而開挖出的連續(xù)槽道不會(huì)出現(xiàn)超挖、欠挖等問題，且開挖斷面平整，便于后期拱架及網(wǎng)片的安裝。

第四，臺(tái)車架滑動(dòng)支承于施工區(qū)域的地面上，從而通過驅(qū)動(dòng)設(shè)備如牽引車、托車或推車等驅(qū)動(dòng)臺(tái)車架，即可將開挖臺(tái)車托移至所需位置，操作簡(jiǎn)單、易于學(xué)習(xí)、便于推廣。

3 水磨鉆開挖臺(tái)車在實(shí)際工程中的應(yīng)用

3.1 施工工藝

采用水磨鉆開挖臺(tái)車進(jìn)行施工的流程為：施工準(zhǔn)備→確定機(jī)械開挖斷面→測(cè)量放線、確定開挖輪廓線→固定水磨鉆開挖臺(tái)車→水磨鉆沿滑軌方向以圓相切的方式進(jìn)行巖層取芯→在隧道斷面水平方向布孔→采用液壓劈裂自上往下分裂開挖巖體→機(jī)械配合人工清理劈裂巖層并出渣。

3.2 工程應(yīng)用

研發(fā)的水磨鉆開挖臺(tái)車首次應(yīng)用于重慶軌道九號(hào)線江五區(qū)間，區(qū)間隧道與已運(yùn)營的軌道線路距離采用非爆施工。據(jù)地質(zhì)調(diào)查結(jié)果可知，該區(qū)間隧道工程地質(zhì)圍巖主要呈中厚水平層狀結(jié)構(gòu)，以砂巖和泥質(zhì)砂巖為主，飽和狀態(tài)下圍巖單軸抗壓強(qiáng)度均在40MPa以上，工期緊張。

與常規(guī)水磨鉆開挖相比，采用水磨鉆臺(tái)架開挖，進(jìn)尺可達(dá)0.8m，提升60%。以每循環(huán)100個(gè)鉆孔為例，在砂質(zhì)泥巖和砂巖中完成每循環(huán)分別用時(shí)3h和5h，分別節(jié)省50%和30%的時(shí)間。

本文主要研發(fā)了一款適用于淺埋硬巖地鐵隧道的水磨鉆開挖臺(tái)車，探討其工作原理和技術(shù)特點(diǎn)，并將該裝備應(yīng)用于重慶地鐵六號(hào)線。應(yīng)用結(jié)果表明：采用新裝備，鉆進(jìn)效率提升60%，鉆進(jìn)時(shí)間節(jié)省30%～50%。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊年華，劉慧.近距離爆破引起的隧道周邊振動(dòng)場(chǎng)[J].工程爆破，2000（2）：6-10.