銑挖機(jī)在硬質(zhì)泥巖區(qū)間隧道中的應(yīng)用

李占林 劉 瑩 郜 念

中鐵隆工程集團(tuán)有限公司，四川成都 610045

1 工程簡介

1.1 工程概況

成都地鐵某區(qū)間隧道，沿成洛路路中由西向東敷設(shè)，線路從成綿樂鐵路下穿過，需在客運(yùn)專線進(jìn)行精準(zhǔn)調(diào)試前完成該區(qū)間隧道施工，因此利用風(fēng)井作為施工豎井，風(fēng)道作為施工橫通道，提前進(jìn)行該下穿段區(qū)間隧道的施工，后期盾構(gòu)采用空推穿越該段區(qū)間隧道。

1.2 設(shè)計(jì)概況

中間風(fēng)井結(jié)構(gòu)尺寸為矩形結(jié)構(gòu)，其中，風(fēng)井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為地下五層框架結(jié)構(gòu)，風(fēng)亭采用地下一層結(jié)構(gòu)為敞開式低矮風(fēng)亭，均采用明挖法施工，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用樁撐體系，中間風(fēng)井主體部分兼顧施工豎井，風(fēng)井風(fēng)道作為施工區(qū)間正線的橫通道，橫通道斷面為門洞形，總長度43.43m，洞室分A、B兩個(gè)斷面形式，其中，A型號洞室長26.72m、開挖高度12.379m、開挖寬度6.6m，三臺階法施工；B型洞室長16.71m、開挖高度高10.574m、開挖寬度6.6m，兩臺階法施工。

下穿客運(yùn)專線段區(qū)間隧道左、右線長度為51m，隧道斷面近似為圓形結(jié)構(gòu)，內(nèi)凈高為8.1m，內(nèi)凈寬為8m，采用臺階法施工。支護(hù)參數(shù)：間距0.5mⅠ22a鋼拱架，300mm厚C25早強(qiáng)噴射混凝土，二襯采用500mm厚C40/P12鋼筋混凝土，超前支護(hù)采用自進(jìn)式錨桿。

1.3 水文地質(zhì)

根據(jù)區(qū)間地質(zhì)初勘資料顯示，中間風(fēng)井占位地質(zhì)情況分別如下：表層主要為人工填土，由粘性土、磚塊、混凝土碎塊、卵石等建筑垃圾組成。施工現(xiàn)場對圍巖進(jìn)行抗壓試驗(yàn)取樣：（1）基坑內(nèi)原地面下-17m，抗壓強(qiáng)度3.0MPa,主要以泥質(zhì)粉砂巖、泥巖為主，風(fēng)化強(qiáng)烈，裂隙發(fā)育；（2）基坑內(nèi)原地面下-21～-22m，抗壓強(qiáng)度8.8MPa；（3）基坑內(nèi)原地面下-22～-23m，抗壓強(qiáng)度11.8MPa；（4）基坑內(nèi)原地面下-23～-24m，抗壓強(qiáng)度15.3MPa；（2）（3）（4）層都是中等風(fēng)化泥巖, 風(fēng)化裂隙較發(fā)育，隨基坑深度巖層硬度逐漸變大。

該工程范圍內(nèi)地下水主要有三種類型：一是賦存于黏土層之上的上層滯水；二是賦存于黏土、卵石土中的孔隙水，該層卵石主要由黏粒充填，工點(diǎn)范圍內(nèi)卵石土層滲透系數(shù)k取1.5m/d；三是基巖裂隙水。

2 銑挖機(jī)的選型及應(yīng)用

2.1 銑挖機(jī)的選型

區(qū)間隧道需在成綿樂客運(yùn)專線聯(lián)調(diào)聯(lián)試前完成該段二次襯砌結(jié)構(gòu)施工，并且沉降控制在2.5mm以內(nèi)，考慮距離在建成綿樂客運(yùn)專線包括成洛大道下穿隧道等地面沉降控制的特殊性，需采用非爆破開挖方式進(jìn)行施工，結(jié)合本工程工程地質(zhì)以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)情況，對非爆破開挖施工常見的集中開挖方式進(jìn)行對比，橫通道以及區(qū)間隧道總長分別為43m和單線50m，線路較短且考慮施工工期原因不適合采用大型設(shè)備，諸如TBM、盾構(gòu)機(jī)等，而非鉆爆法中又分為TBM法、銑挖法以及單臂掘進(jìn)機(jī)開挖法等,銑挖法是將銑挖機(jī)安裝在液壓挖掘機(jī)上，應(yīng)用于隧道開挖以及修整輪廓、洞室、橫洞開挖等，在不宜爆破施工的地段特別適用，同時(shí)結(jié)合隧道結(jié)構(gòu)尺寸和機(jī)械設(shè)備效率和成本分析，且銑挖機(jī)具有如下顯著特點(diǎn)：

（1）銑挖范圍廣：不同型號的銑挖機(jī)可適應(yīng)不同硬度的地層，無鋼筋或有少量鋼筋的混凝土也可銑挖；

（2）減少振動(dòng)，保護(hù)環(huán)境：可替代爆破施工，低振動(dòng)、低噪音,可較好地保護(hù)環(huán)境；

（3）開挖面控制精確：可較好解決超欠挖問題，準(zhǔn)確地修整開挖輪廓，有利于降低造價(jià)；

（4）安全性好：使用銑挖機(jī)可替代人工在軟巖或破碎巖層中掘進(jìn)，使施工人員離開掌子面，降低了前方施工人員在開挖時(shí)遇到的掉塊、坍塌等危險(xiǎn)，隧道施工的安全性得到提高；

（5）結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、價(jià)格相對低廉：無需特殊的配套設(shè)備，可安裝在任何一臺既有的挖掘機(jī)上，該設(shè)備與隧道掘進(jìn)和盾構(gòu)等機(jī)械相比，價(jià)格低廉。

區(qū)間隧道斷面直徑僅為8m，大型挖掘機(jī)設(shè)備較難進(jìn)行作業(yè)，綜合對比分析該工程可采用銑挖法以及中小型挖掘機(jī)破碎開挖進(jìn)行，通過對市場的調(diào)查和了解，選擇艾卡特銑挖設(shè)備進(jìn)行區(qū)間隧道的開挖。艾卡特銑挖機(jī)有兩種基本類型：橫向銑挖機(jī)和縱向銑挖機(jī)；分別可以裝配在2～350t和3～45t的挖掘機(jī)上。

按照結(jié)構(gòu)尺寸結(jié)合機(jī)械設(shè)備的操作空間要求，隧道內(nèi)使用機(jī)械設(shè)備僅能采用中小型挖掘機(jī)進(jìn)行施工。按照橫通道和正線隧道所處地層為中風(fēng)化泥巖層，該層的巖層裂隙較為發(fā)育，層厚約40cm作業(yè)，呈水平走向分布，天然抗壓強(qiáng)度一般為5.0～15MPa，局部較高達(dá)23.6Mpa，圍巖風(fēng)化裂隙較發(fā)育，且間裂隙水較豐富。結(jié)合艾卡特各個(gè)型號銑挖機(jī)在不同巖層硬度的作業(yè)功效進(jìn)行分析。

結(jié)合隧道作業(yè)環(huán)境，綜合了機(jī)械設(shè)備性能，選擇ER250型標(biāo)準(zhǔn)橫向銑挖機(jī)進(jìn)行隧道施工的開挖作業(yè)，采用的銑挖法是在卡特312D液壓挖掘機(jī)上，液壓破碎錘或液壓鉗的液壓回路用于安裝ER250銑挖機(jī)，利用銑挖機(jī)的銑挖頭高速旋轉(zhuǎn)切削巖石，人工配合修整開挖輪廓線以滿足設(shè)計(jì)要求，可以有效減少開挖對圍巖的擾動(dòng)，控制超欠挖，提高開挖質(zhì)量和安全性，降低操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

2.2 銑挖機(jī)的應(yīng)用

按照風(fēng)井基坑以及橫通道和區(qū)間正線施工方案，挖掘機(jī)上將銑挖機(jī)組裝完成后進(jìn)行施工。銑挖機(jī)施工工藝流程如圖1所示。

首先在中間風(fēng)井基坑開挖以及隧道內(nèi)開挖進(jìn)行應(yīng)用，主要的運(yùn)用包括風(fēng)井基坑銑挖、隧道內(nèi)銑挖包括隧道內(nèi)銑削隧道輪廓進(jìn)行欠挖修整、剝離隧道拱部挖掘機(jī)破碎后的突出松動(dòng)的圍巖，基坑開挖階段橫通道馬頭門施工階段。

在中間風(fēng)井開挖階段主要施工功效較低，在中風(fēng)化泥巖層中，巖層抗壓強(qiáng)度局部達(dá)到15.3Mpa的情況下，銑挖機(jī)工作效率約為3～5m3/h，較挖掘機(jī)破碎錘施工功效19m3/h功效降低，在區(qū)間正線施工過程中根據(jù)施工現(xiàn)場地層條件以及設(shè)備作業(yè)空間要求，對隧道開挖方案進(jìn)行調(diào)整；隧道中同樣存在功效降低的情況，較破碎錘施工功效較低，同時(shí)隧道內(nèi)泥巖裂隙水較為發(fā)育，基巖滲水較大，銑挖機(jī)在銑挖過程中將泥巖粉碎，施工過程中產(chǎn)生較多的粉塵，隧道作業(yè)環(huán)境差，同時(shí)銑挖后的泥巖顆粒小遇水后形成泥漿容易黏住銑挖頭，影響后期施工作業(yè)功效；施工過程中需隨時(shí)對銑挖頭進(jìn)行清理，但清理后施工現(xiàn)場開挖完成的泥巖將形成泥漿，進(jìn)一步影響洞內(nèi)文明施工和渣土的外運(yùn)。

圖1 銑挖施工工藝流程

3 應(yīng)用總結(jié)

在圍巖Ⅳ、Ⅴ條件下的隧道開挖中，與鉆爆法相比，使用銑挖機(jī)開挖隧道具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）減少對圍巖的擾動(dòng)，避免由于爆破振動(dòng)而造成的巖石強(qiáng)度降低，巖石結(jié)構(gòu)松動(dòng)，巖石結(jié)構(gòu)局部破裂等不利情況；

（2）有利于保護(hù)巖體原有的自承能力，不易造成大面積變形及局部坍塌；

（3）適應(yīng)性強(qiáng)，任何形狀和尺寸的斷面都可以開挖；

（4）可選擇的銑挖機(jī)快速換裝系統(tǒng)，能在30s之內(nèi)完成挖斗與銑挖機(jī)的更換，突破以鉆孔爆破的循環(huán)施工方式，實(shí)現(xiàn)連續(xù)作業(yè)；

（5）利用銑挖機(jī)開挖隧道便于控制超欠挖，實(shí)現(xiàn)隧道輪廓的精確成型，特別是隧道局部欠挖處理、仰拱施工時(shí)，銑挖機(jī)具有更簡便、經(jīng)濟(jì)、快速、精確的優(yōu)點(diǎn)。

4 結(jié)語

在城市地鐵區(qū)間隧道施工中，銑挖機(jī)能夠適應(yīng)不同強(qiáng)度硬質(zhì)圍巖的切削和開挖；相較于鉆爆法，對圍巖的擾動(dòng)較小，安全性較高，開挖輪廓控制精準(zhǔn)度高，能有效控制超欠挖，特別是下穿既有建構(gòu)筑物和對沉降控制極為嚴(yán)格的區(qū)域，適用于禁爆區(qū)地下隧道的開挖，但針對圍巖裂隙水較為發(fā)育的地層，銑挖機(jī)的運(yùn)用較為受限，因此在該區(qū)域硬質(zhì)泥巖區(qū)間隧道中應(yīng)用效果不理想。