掘進(jìn)機(jī)在城市隧道開挖中的應(yīng)用

王亞林

摘要：城市中的穿山隧道，由于地處市中心或邊緣郊區(qū)，建筑物或生活人群較多，采用傳統(tǒng)的鉆爆法施工，安全壓力較大，且受爆破品配送頻次限制，影響了爆破開挖的循環(huán)周期；采用挖掘機(jī)等直接鑿除方式進(jìn)行開挖，由于掌子面空間有限，同時(shí)圍巖堅(jiān)硬，穩(wěn)定性好，受挖掘機(jī)自身動(dòng)力影響，破碎進(jìn)度緩慢，因此掘進(jìn)機(jī)的出現(xiàn)解決了這一難題。北京市中低速磁浮交通示范線石景山隧道開挖采用EBZ320單臂式掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行開挖，該設(shè)備通過自身的強(qiáng)大動(dòng)力解決了傳統(tǒng)挖掘機(jī)開挖的動(dòng)力不足問題，同時(shí)由于開挖過程中振動(dòng)小，對(duì)周圍環(huán)境影響大大減少，只需提供水、電即可施工，不受爆破品配送頻次影響。本文通過對(duì)掘進(jìn)機(jī)的性能介紹、開挖工藝以及與傳統(tǒng)開挖方式的比較，通過實(shí)例總結(jié)掘進(jìn)機(jī)開挖施工的特點(diǎn)，為以后施工積累經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：掘進(jìn)機(jī)開挖；施工工藝；開挖方式比選；注意事項(xiàng)；

1 工程概況

石景山隧道工程屬北京市S1線四道橋—金安橋站區(qū)間，位于北京市石景山區(qū)首鋼廠區(qū)內(nèi)，所處地貌屬低山丘陵地貌。隧道穿越石景山體，進(jìn)口位于石景山體西側(cè)，坡腳即為既有豐沙鐵路，受豐沙鐵路建設(shè)影響，該處坡面較陡。北側(cè)為石景山區(qū)京能熱電廠，南側(cè)距離石景山功勛閣約110m。

隧道暗挖段巖體主要為全風(fēng)化、中風(fēng)化的石英砂巖，硬度范圍25-62.3MPa。

隧道全長(zhǎng)278.4m，最大埋深為38.4m，單洞雙線隧道。

隧道初期支護(hù)采用φ42mm超前小導(dǎo)管支護(hù)，φ25mm、壁厚7mm中空注漿錨桿環(huán)向固結(jié)，C25噴射混凝土及格柵鋼架組成支護(hù)體系。洞內(nèi)結(jié)構(gòu)襯砌全部采用復(fù)合式防水型襯砌。

進(jìn)洞前按設(shè)計(jì)施作φ108大管棚超前支護(hù)，管棚環(huán)向間距30cm，大管棚采用熱軋無縫鋼管，壁厚6mm。

2 開挖方式比選

2.1 周圍環(huán)境對(duì)施工的影響因素

（1）隧道入口正下方為豐沙鐵路，每天通行列車較多。

（2）隧道北側(cè)為京能熱電冷卻塔，隧道出口附近設(shè)有架空供熱管線。

（3）石景山山頂有功勛閣、附近有石景山古井、碧霞元君廟等保護(hù)文物。

（4）隧道出口前方有首鋼居民樓，現(xiàn)有首鋼員工居住。

2.2 工藝比選

2.2.1 施工進(jìn)度

鉆爆法受炸藥配送影響，每天只能爆破一次，但此處圍巖多以V級(jí)為主，且受周圍環(huán)境影響，需嚴(yán)格控制藥量和進(jìn)尺長(zhǎng)度，因此每天預(yù)計(jì)能進(jìn)尺1.5米，如遇到元旦、春節(jié)、兩會(huì)等重要節(jié)日需停藥停工。

掘進(jìn)機(jī)開挖法施工，受外界影響較小，只要現(xiàn)場(chǎng)用電、用水供應(yīng)及時(shí)，即可正常施工，每小時(shí)開挖按18方考慮（不包括修邊、支護(hù)等時(shí)間），隧道每延米開挖方量105方，則每延米需要6小時(shí)，每天可完成2米。

2.2.2 施工安全

鉆爆法無法較準(zhǔn)確的根據(jù)圍巖情況進(jìn)行進(jìn)尺控制，當(dāng)遇到圍巖突然發(fā)生變化時(shí)，會(huì)給排險(xiǎn)和初期支護(hù)帶來風(fēng)險(xiǎn)。

掘進(jìn)機(jī)開挖法可根據(jù)圍巖情況控制進(jìn)尺，當(dāng)圍巖發(fā)生變化時(shí)，可隨時(shí)調(diào)整進(jìn)尺長(zhǎng)度，調(diào)整支護(hù)距離。

2.2.3 對(duì)周圍構(gòu)筑物的影響

鉆爆法施工震動(dòng)較大，受隧道周圍鐵路、保護(hù)文物、京能冷卻塔、供熱管線影響，隧道開挖尤其是洞口開挖時(shí)，安全壓力較大。飛石、滾石會(huì)對(duì)鐵路營(yíng)業(yè)線、京能冷卻塔、供熱管線等造成危害；爆破震動(dòng)會(huì)對(duì)功勛閣、古井、碧霞元君廟造成影響。

掘進(jìn)機(jī)開挖震動(dòng)較小，不會(huì)對(duì)周圍構(gòu)筑物產(chǎn)生影響。

2.2.4 施工中的擾民

鉆爆法震動(dòng)及噪聲較大，影響隧道周邊居民的正常生活。

掘進(jìn)機(jī)開挖法震動(dòng)及噪聲較小，帶來的影響也較小。

2.2.5 超欠挖控制

鉆爆法超欠挖控制受圍巖影響較大，圍巖較差時(shí)，時(shí)常出現(xiàn)超挖嚴(yán)重現(xiàn)象，處理困難，容易出現(xiàn)空洞，對(duì)后期工程使用產(chǎn)生不利影響。

掘進(jìn)機(jī)開挖法則可以根據(jù)圍巖情況、隧道輪廓，隨時(shí)調(diào)整開挖位置，控制超欠挖現(xiàn)象的發(fā)生。

2.2.6 棄渣消納

鉆爆法施工產(chǎn)生的棄渣大小不一，且粒徑較大，不易處理。

掘進(jìn)機(jī)開挖法產(chǎn)生的棄渣大小均勻，且粒徑較小，可用于回填、道路修筑等，后期影響較小。

3 掘進(jìn)機(jī)開挖總體施工工藝

施工前，先接通掘進(jìn)機(jī)施工所需要的動(dòng)力用電和冷卻、降塵所需的施工用水，打通出渣便道，施做洞門邊仰坡，進(jìn)行進(jìn)洞前的管棚施工后，掘進(jìn)機(jī)就位，邊開挖邊支護(hù)。

4 掘進(jìn)機(jī)開挖施工流程

施工準(zhǔn)備→洞門開挖→施工大管棚→掘進(jìn)機(jī)開挖→初期支護(hù)→二襯施工→附屬施工。

4.1 開挖設(shè)備選擇

根據(jù)石景山隧道工程實(shí)際情況，我部擬使用EBZ320型懸臂式掘進(jìn)機(jī)，掘進(jìn)機(jī)由刀頭和機(jī)身組成，施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行組裝，具有自行功能。移動(dòng)和工作均使用自身電機(jī)。

4.2 掘進(jìn)工藝

4.2.1 斷面截割

掘進(jìn)機(jī)利用截割頭上下、左右移動(dòng)截割，可截割出所需斷面形狀，且能夠較好的控制超挖量。

4.2.2 隧道出渣及支護(hù)

隧道出渣利用掘進(jìn)機(jī)、挖掘機(jī)配合自卸汽車施工，前方截割，后方出渣，平行施工無干擾。掘進(jìn)成型后，臺(tái)車前移至掌子面，工人進(jìn)行鋼架支護(hù)。

4.2.3 粉塵控制

掘進(jìn)機(jī)自帶風(fēng)機(jī)并輔助噴霧進(jìn)行除塵，可以對(duì)施工粉塵較好的控制。

4.3 開挖進(jìn)度

掘進(jìn)機(jī)開挖前做好隧道測(cè)量工作，施工準(zhǔn)備期間，隧道洞口高壓電就位、掘進(jìn)機(jī)組裝、空壓機(jī)安裝、水管修建、二襯拱架加工場(chǎng)和噴射混凝土攪拌站等應(yīng)同期完成。

隧道一旦開始掘進(jìn)，由于掘進(jìn)機(jī)生產(chǎn)效率較高，與之匹配的裝運(yùn)作業(yè)線、支護(hù)作業(yè)線、襯砌砼作業(yè)線，超前地質(zhì)預(yù)報(bào)作業(yè)線、輔助作業(yè)線（包括通風(fēng)、注漿、洞內(nèi)排水）應(yīng)滿足要求。掘進(jìn)機(jī)調(diào)試正常，其它匹配工序能滿足掘進(jìn)機(jī)進(jìn)度以后，按照以下開挖循環(huán)安排組織施工。下表為估算時(shí)間表。

以100平米開挖斷面，巖層20-60MPa為例。

4.4 掘進(jìn)作業(yè)

4.4.1 設(shè)備操作順序

油泵電機(jī)→開動(dòng)第一運(yùn)輸機(jī)→開動(dòng)星輪→開動(dòng)截割頭，以此作為開動(dòng)順序。當(dāng)沒有必要開動(dòng)裝載時(shí)，也可以在開動(dòng)油泵電機(jī)后，起動(dòng)截割電機(jī)。當(dāng)啟動(dòng)油泵電機(jī)時(shí)，與其直接相連的油泵隨之啟動(dòng)，供給液壓油。

4.4.2 掘進(jìn)注意事項(xiàng)

當(dāng)遇有硬巖時(shí)，不應(yīng)勉強(qiáng)截割，對(duì)有部分露頭硬石時(shí)，應(yīng)首先截割其周圍部分，使其墜落。對(duì)大塊墜落體，采用適當(dāng)辦法處理后再進(jìn)行裝載。操作者既要熟練掌握操作技術(shù)，又要了解工作面的具體情況。

4.4.3 噴霧

在掘進(jìn)時(shí)如何控制粉塵是非常重要的?；覊m的控制影響到開挖過程中的視線。

4.5 錨噴支護(hù)

通風(fēng)后及時(shí)初噴，出碴后及時(shí)安裝鋼架、錨桿和鋼筋網(wǎng)，復(fù)噴至設(shè)計(jì)厚度。噴、錨、網(wǎng)、噴的施工嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)和規(guī)范進(jìn)行。

4.5.1 噴射混凝土

噴射混凝土按照設(shè)計(jì)配合比拌制，采用濕噴機(jī)作業(yè)，由洞外拌和站集中拌料，混凝土運(yùn)輸車運(yùn)到工作面。

噴射前處理危石，檢查開挖斷面凈空尺寸，將巖面粉塵和雜物清理干凈。噴射作業(yè)從拱腳或墻腳自下而上、分段、分片、分層噴射至設(shè)計(jì)厚度，并按規(guī)范進(jìn)行相關(guān)檢測(cè)。

4.5.2 鋼筋網(wǎng)施工

鋼筋網(wǎng)在洞外加工成片，生銹的鋼筋按要求進(jìn)行除銹。鋼筋網(wǎng)緊貼初噴面，安裝牢固，控制好焊接質(zhì)量及網(wǎng)片搭接長(zhǎng)度，噴砼時(shí)不產(chǎn)生松動(dòng)。

4.5.3 錨桿施工

按設(shè)計(jì)要求在初噴面上準(zhǔn)確畫出錨桿孔位，按孔位鉆孔，錨桿規(guī)格符合設(shè)計(jì)要求，桿體除銹除油。錨桿布置形式及誤差符合設(shè)計(jì)和規(guī)范要求，錨桿與巖面垂直或與組合狀巖層節(jié)理面垂直。

4.5.4 鋼架施工

鋼架在洞外加工廠按設(shè)計(jì)加工，每節(jié)兩端焊連接板，用螺栓連接。

安裝好的拱架用縱向連接筋連成一體，鋼架安裝誤差在規(guī)范允許范圍內(nèi)，鋼架與初噴砼之間盡量貼緊，如因開挖造成凹凸不平，并有較大間隙時(shí)，設(shè)置砼墊塊。

4.6 超前支護(hù)措施

除洞口超前大管棚外，洞內(nèi)用到的超前支護(hù)措施還有超前小導(dǎo)管和超前錨桿。

4.6.1 超前注漿小導(dǎo)管

施工順序：測(cè)量放樣→鉆孔→清孔→鋼管插入→封口→注漿→與鋼架或錨桿焊接。采用風(fēng)鉆鉆眼，并將鋼管頂入孔內(nèi)，鋼管尾端與鋼架或系統(tǒng)錨桿焊接在一起，必要時(shí)加環(huán)向鋼筋。注漿根據(jù)壓力狀況和跑漿情況確定終止時(shí)間，確保注漿效果。

4.6.2 超前錨桿

超前錨桿施工方法和系統(tǒng)錨桿一樣，施工時(shí)根據(jù)巖體節(jié)理產(chǎn)狀確定錨桿的最佳方向，并保持不小于1m的搭接長(zhǎng)度，尾部焊接在鋼架。

4.7 二次襯砌

施工順序：仰拱超前→邊墻基礎(chǔ)→拱墻襯砌。

4.7.1 超前錨桿仰拱、隧底填充及邊墻基礎(chǔ)施工

仰拱、隧底填充及邊墻基礎(chǔ)依次先于襯砌澆注，以利于支護(hù)結(jié)構(gòu)整體受力。仰拱、隧底填充澆注時(shí)全幅施工，利用仰拱棧橋作為防干擾作業(yè)平臺(tái)，保證隧道內(nèi)施工車輛的正常通行，減少對(duì)掌子面施工的影響。

4.7.2 拱墻襯砌施工

洞口淺埋段拱墻襯砌適時(shí)緊跟開挖面進(jìn)行，并采取加強(qiáng)措施，保證洞口安全；其它地段，在圍巖和初期支護(hù)變形基本穩(wěn)定后進(jìn)行。

砼澆注過程中利用插入式振搗器和附著振搗器及輸送泵壓力使砼密實(shí)。

4.7.3 預(yù)留洞室、預(yù)埋件施工

各種洞室根據(jù)圖紙布置位置與洞身同時(shí)開挖。隧道邊墻內(nèi)的洞室，在澆筑邊墻混凝土前，安設(shè)鋼筋及預(yù)埋件后，一次澆筑完成。

5 洞內(nèi)地質(zhì)超前預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)

地質(zhì)超前預(yù)報(bào)是控制坍塌的有效辦法，在提前預(yù)知圍巖狀況的情況下，可以及時(shí)調(diào)整開挖進(jìn)度和初支形式，防止坍塌。

5.1 洞內(nèi)地質(zhì)超前預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)程序

5.2 地質(zhì)和支護(hù)狀態(tài)觀察

每次開挖后，由地質(zhì)工程師對(duì)開挖工作面進(jìn)行觀察調(diào)查并作地質(zhì)素描記錄。調(diào)查項(xiàng)目包括掌子面正面及側(cè)面穩(wěn)定狀態(tài)、巖性風(fēng)化程度、裂隙間距、形狀、涌水情況、水的影響等等。素描記錄工作面的巖層產(chǎn)狀、構(gòu)造及特殊地質(zhì)現(xiàn)象，同時(shí)對(duì)靠近工作面的初期支護(hù)進(jìn)行觀察，噴射砼是否開裂、是否有掉塊現(xiàn)象等。

6 監(jiān)控量測(cè)

6.1 監(jiān)控量測(cè)的目的

監(jiān)控量測(cè)作為施工程序中不可缺少的內(nèi)容，不僅監(jiān)測(cè)各施工階段圍巖和支護(hù)動(dòng)態(tài)，確保施工安全，而且可為調(diào)整初期支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)，提供反饋信息，作為變更設(shè)計(jì)的依據(jù)。

6.2 監(jiān)控量測(cè)項(xiàng)目

按照監(jiān)測(cè)項(xiàng)目?jī)?nèi)容的不同，本隧選擇量測(cè)項(xiàng)目、方法和儀器如下

7 結(jié)束語

隧道開挖施工安全風(fēng)險(xiǎn)高、質(zhì)量控制難、施工進(jìn)度影響因素多，本工程通過前期調(diào)查、比選，確定了掘進(jìn)機(jī)開挖的方法，充分利用掘進(jìn)機(jī)的振動(dòng)小、噪音小、開挖進(jìn)尺可隨時(shí)調(diào)整等優(yōu)點(diǎn)，大大降低了施工風(fēng)險(xiǎn)，提高了施工進(jìn)度，保證了開挖質(zhì)量，減少了因處理超欠挖造成的經(jīng)濟(jì)損失，使石景山隧道得以順利貫通。本文通過總結(jié)掘進(jìn)機(jī)開挖的工藝特點(diǎn)，讓我們了解了掘進(jìn)機(jī)開挖法在城市隧道施工和對(duì)振動(dòng)有特殊要求的地段隧道施工的優(yōu)越性，可作為后續(xù)類似工程施工參考依據(jù)。

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（作者單位：中鐵六局集團(tuán)有限公司）