懸臂式掘進(jìn)機(jī)在市政大斷面軟弱圍巖隧道施工中的應(yīng)用

劉 浪

（中鐵五局集團(tuán)路橋工程有限責(zé)任公司，廣東 廣州 511458）

1 工程概況

八鴿巖隧道是貴陽市人民大道北段道路工程的控制性工程，設(shè)計(jì)長(zhǎng)1200m，隧道單向下坡，坡度為4.8%。據(jù)勘察資料，隧道圍巖主要為Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖，圍巖抗壓強(qiáng)度為28～32MPa，開挖斷面Ⅴ級(jí)圍巖是173m2，Ⅳ級(jí)圍巖是163m2，曲線最小設(shè)計(jì)半徑為250m。

2 工程設(shè)計(jì)

該工程隧址區(qū)屬低中山溶蝕、剝蝕殘丘地貌類型，地形起伏較大，地質(zhì)為單斜構(gòu)造，巖性一致，三疊系松子坎組泥質(zhì)白云巖。道路等級(jí)：城市主干道，雙向6車道，隧道行車道右側(cè)設(shè)置人行道；道設(shè)計(jì)行車速度：50km/h；建筑限界：凈寬14.75m，建筑限界高度5m，橫斷面組成為（0.75+0.5+3.50+3.50×2+0.5+2.5）m；人行道凈寬：2.5m，凈高：2.5m；設(shè)計(jì)荷載：公路Ⅰ級(jí)；隧道路面橫坡設(shè)計(jì)：隧道內(nèi)路面采用1.5%的單面坡。隧道支護(hù)體系結(jié)構(gòu)均為復(fù)合式襯砌，即以錨桿、噴射砼、鋼拱架等為初期支護(hù)，二次襯砌采用模筑鋼筋砼，并在兩次襯砌之間敷設(shè)土工布及防水板。洞身段圍巖主要是Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖，其中Ⅴ級(jí)圍巖段采用CRD法開挖，Ⅳ級(jí)圍巖段采用環(huán)形導(dǎo)坑預(yù)留核心土法開挖。原設(shè)計(jì)擬采用的常規(guī)爆破法施工，爆破時(shí)容易產(chǎn)生較大的震動(dòng)及沖擊波，對(duì)附近的建筑造成損壞，周邊復(fù)雜環(huán)境不具備爆破施工條件。而隧道懸臂掘進(jìn)機(jī)是一種集截割、行走、裝運(yùn)、噴霧滅塵等多功能為一體的高效聯(lián)合作業(yè)機(jī)械。工作時(shí)，安裝在懸臂上的截割頭上下左右擺動(dòng)，能截割任意形狀的隧道斷面，懸臂掘進(jìn)機(jī)具有機(jī)械化程度高、對(duì)圍巖擾動(dòng)小、超欠挖容易控制等特點(diǎn)，經(jīng)反復(fù)論證，最終設(shè)計(jì)調(diào)整為懸臂掘進(jìn)機(jī)開挖方式。

3 工程特點(diǎn)

3.1 工程地質(zhì)復(fù)雜，安全風(fēng)險(xiǎn)高

進(jìn)、出口及下穿黔靈山公園段均為淺埋段（埋深14.9～39m），覆土層為雜填土，軟弱土層，厚度不均勻，結(jié)構(gòu)松散，承載力極低，巖體局部會(huì)有巖溶、洞隙，巖溶發(fā)育程度為微發(fā)育，斷裂構(gòu)造發(fā)育及風(fēng)化深度大，開挖后圍巖自穩(wěn)能力弱，對(duì)成洞條件影響較大，安全風(fēng)險(xiǎn)高。

3.2 施工組織困難，工期壓力大

隧道洞口均位于市區(qū)，周邊居民密集，商業(yè)繁華，交通流量大，拆遷繁雜，洞口管網(wǎng)密布，下關(guān)黔靈公園、居民區(qū)，征拆周期長(zhǎng)，協(xié)調(diào)截面多，前期施工組織復(fù)雜，特別是隧道進(jìn)口毗鄰某高檔小區(qū)，緊鄰某加油站，環(huán)境保護(hù)要求高，工期壓力極大。

4 工程施工

隧道施工開挖是龍頭，從安全有保障、質(zhì)量有保證、工期可靠、成本可控、環(huán)保達(dá)標(biāo)的原則出發(fā)，通過對(duì)傳統(tǒng)控爆法、液壓破碎錘冷開、懸臂掘進(jìn)機(jī)開挖法3種方案進(jìn)行比選，采用懸臂式掘進(jìn)機(jī)施工可以加快施工速度。懸臂式掘進(jìn)機(jī)無炮煙污染，無爆破震動(dòng)，對(duì)周邊環(huán)境影響小，施工人數(shù)少，最終選擇中鐵裝備CTR260懸臂掘進(jìn)機(jī)開挖的施工方法。

4.1 施工流程及施工情況

主要施工流程：（1）開挖。采用中鐵裝備CTR260型掘進(jìn)機(jī)，懸臂式掘進(jìn)機(jī)使用1140V高壓供電，在掌子面進(jìn)行截割，截割下來的碎石物料通過鏟板、輸機(jī)傳送到掘進(jìn)機(jī)后部，配備專用挖掘機(jī)裝入渣土車運(yùn)出洞外；掘進(jìn)機(jī)對(duì)掌子面分左、中、右三部分進(jìn)行截割，每部分從掃底開始截割，再按S型或Z型左右循環(huán)向上的截割路線逐級(jí)截割以上部分。截割過程中，通過截割部的高壓噴霧器進(jìn)行噴霧降塵處理。（2）支護(hù)。對(duì)開挖輪廓復(fù)測(cè)后，立即進(jìn)行初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的施工，采用多功能作業(yè)臺(tái)架進(jìn)行人工作業(yè)。多功能作業(yè)臺(tái)架采用I18工字鋼焊接制作，其尺寸大小在滿足人工進(jìn)行拱架安裝、超前小導(dǎo)管施工、系統(tǒng)錨桿施工等作業(yè)內(nèi)容的需求的同時(shí)，還需滿足掘進(jìn)機(jī)能順暢從多功能作業(yè)臺(tái)架下通過的空間要求。初期支護(hù)鋼架安裝、拱架安裝、超前小導(dǎo)管施工、系統(tǒng)錨桿施工等作業(yè)內(nèi)容采用人工作業(yè)，配備電焊機(jī)、YT-28型風(fēng)鉆和鋼筋彎曲機(jī)等機(jī)械設(shè)備。噴射砼作業(yè)采用砼機(jī)械手進(jìn)行施工；及時(shí)進(jìn)行初期支護(hù)及二襯施工，二襯臺(tái)車由專業(yè)廠家制作并好運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)拼裝。（3）通風(fēng)。通風(fēng)采用軸流通風(fēng)機(jī)，型號(hào)DTF-12.5?650mm直徑膠質(zhì)風(fēng)筒；選用24m3/min空壓機(jī)分別在進(jìn)出口通過安裝在洞壁右側(cè)的110mm直徑鋼管供噴射砼機(jī)械手用風(fēng)。（4）供電。洞口這是配電房，安裝兩臺(tái)800kVA變壓器，一臺(tái)專供掘進(jìn)機(jī)使用，掘進(jìn)機(jī)用電通過升壓變壓器升至1140V通過專用電纜供電；另外一臺(tái)80kVA變壓器供洞內(nèi)照明、排水通風(fēng)等其他施工用電。（5）排水。隧道施工過程中采用抽排相結(jié)合的方法，即在一側(cè)開挖排水溝，隨著仰拱施工進(jìn)度分段設(shè)置集水坑，采用立軸式抽水泵分級(jí)排至洞外沉淀池，經(jīng)沉淀后排放。（6）測(cè)量。開挖前由測(cè)量員采用徠卡TS06全站儀放出開挖輪廓線，以控制開挖輪廓尺寸，避免超挖過大；配置激光導(dǎo)向儀在開挖過程中定位，控制超欠挖；懸臂式掘進(jìn)機(jī)截割完成后，進(jìn)行復(fù)測(cè)，并將復(fù)測(cè)情況和詳細(xì)數(shù)據(jù)反饋至掘進(jìn)機(jī)操作手和現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員，如有欠挖的，及時(shí)進(jìn)行處理。

施工情況：掘進(jìn)機(jī)作業(yè)時(shí)，截割作業(yè)和出渣作業(yè)同時(shí)進(jìn)行，施工效率高，每開挖1m3綜合耗電量5.9度。圍巖強(qiáng)度≤40MPa時(shí)，每開挖1m平均耗時(shí)2.3h，平均耗時(shí)2.9h，每循環(huán)掘進(jìn)機(jī)更換截齒數(shù)量為1～3個(gè)；圍巖強(qiáng)度＞40MPa時(shí)，每開挖1m平均耗時(shí)10h（每循環(huán)耗時(shí)包括懸臂掘進(jìn)機(jī)截割開挖、裝渣外運(yùn)及收渣平場(chǎng)時(shí)間）。隨著圍巖強(qiáng)度的增加，截齒的損耗逐漸增大，在圍巖強(qiáng)度達(dá)到60MPa左右，每循環(huán)消耗截齒70～120個(gè)，損耗很大。施工從2018年2月25日至2018年11月6日，共計(jì)耗時(shí)254d，平均掘進(jìn)速度Ⅴ級(jí)為66m/月，Ⅳ級(jí)為80m/月。

4.2 施工存在的問題及對(duì)策

（1）掘進(jìn)機(jī)性能與地質(zhì)情況不太適應(yīng)，效率未能得到充分發(fā)揮。掘進(jìn)機(jī)設(shè)計(jì)對(duì)于巖石松軟、硬度變化、滲水等未能充分考慮，因此掘進(jìn)機(jī)開挖過程中在截割、行走等方面問題比較突出：一是底板松軟受水浸泡后泥化現(xiàn)象嚴(yán)重，掘進(jìn)機(jī)行走十分困難，掘進(jìn)機(jī)機(jī)型自身重大，達(dá)125t，爬坡能力僅15°，分臺(tái)階開挖行走困難，問題突出。針對(duì)這一情況，需提前為行走鋪好道路。二是掘進(jìn)機(jī)截割范圍小，在大斷面開挖時(shí)需要多次調(diào)整機(jī)位，耽誤開挖時(shí)間。三是圍巖強(qiáng)度等級(jí)適用性較差。當(dāng)圍巖強(qiáng)度大于40MPa時(shí)，作業(yè)效率大幅降低，對(duì)喀斯特地貌中遇到的堅(jiān)硬圍巖處理能力極為有限，如隧道掘進(jìn)至K0-030左右，圍巖強(qiáng)度逐漸增大，掘進(jìn)效率降低，開挖時(shí)間增長(zhǎng)，每循環(huán)2.4m耗時(shí)約為24h。故掘進(jìn)機(jī)在遇到強(qiáng)度較大的圍巖時(shí)，功效很低。（2）支護(hù)時(shí)間較長(zhǎng)，制約施工進(jìn)度。局部圍巖穩(wěn)定性不均勻及滲水影響，機(jī)械手噴射砼效率低、回彈大、時(shí)間長(zhǎng)。對(duì)此，改進(jìn)施工工藝，噴射砼采用商砼，優(yōu)化配合比，從而提高了效率，減少了回彈，增加了可靠性。（3）輔助工序占循環(huán)時(shí)間過多。CTR260掘進(jìn)機(jī)機(jī)身較大（長(zhǎng)22.38m，鏟板寬3.6m，機(jī)身寬3.23m，駕駛室高3.728m，除塵器高3.733m），維保耗時(shí)較長(zhǎng)，洞內(nèi)空間有限，自卸車、裝載機(jī)、挖掘機(jī)等協(xié)調(diào)稍有脫節(jié)就嚴(yán)重影響進(jìn)度。為此，采取了盡可能平行作業(yè)、專業(yè)維護(hù)等措施，但仍對(duì)進(jìn)度有不同程度的影響。

4.3 存在的不足及改進(jìn)思路

（1）懸臂掘進(jìn)機(jī)的高壓噴霧器在實(shí)際使用中降塵效果不佳，截割頭后部盡管噴霧系統(tǒng)化，但是遇到軟弱泥質(zhì)圍巖，加大噴水量則導(dǎo)致圍巖變軟甚至泥質(zhì)化，為此需根據(jù)地質(zhì)情況調(diào)整除塵方案，優(yōu)化智能電器系統(tǒng)，通過設(shè)計(jì)粉塵傳感器調(diào)整噴霧出水量。（2）懸臂掘進(jìn)機(jī)因設(shè)備過熱停機(jī)保護(hù)情況較多，需增加降溫系統(tǒng)，同時(shí)，通過超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，結(jié)合地質(zhì)情況優(yōu)化工序，安排好施工間隙。（3）懸臂掘進(jìn)機(jī)需要的作業(yè)空間大，以CTR260型為例，作業(yè)長(zhǎng)度需50～60m，規(guī)范要求仰拱開挖與掌子面的距離，Ⅳ級(jí)圍巖不得超過50m，Ⅴ級(jí)圍巖不超過40m；二次襯砌距離掌子面的距離，Ⅳ級(jí)圍巖不得＞90m，Ⅴ級(jí)圍巖不得＞70m，對(duì)于施工安全步距嚴(yán)格要求的項(xiàng)目并不適用，機(jī)型設(shè)計(jì)在體積、靈活性等方面繼續(xù)優(yōu)化將有利于現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)。（4）隧道單面下坡，坡度4.8%，由于未使用激光定位儀定位，拱部位置易超挖，且由于機(jī)械設(shè)計(jì)原因，拱腳處容易欠挖。在施工過程中收集了原始數(shù)據(jù)，反饋于中鐵裝備，希望能通過該工程的實(shí)際應(yīng)用能在設(shè)備設(shè)計(jì)中優(yōu)化解決這個(gè)問題。

5 結(jié)束語

懸臂掘進(jìn)機(jī)在該工程的成功應(yīng)用，針對(duì)掘進(jìn)機(jī)性能與地質(zhì)條件不相適應(yīng)、設(shè)計(jì)支護(hù)與環(huán)境條件不實(shí)用等情況采取了一系列措施，優(yōu)化了支護(hù)方式，隧道開挖安全、質(zhì)量、進(jìn)度受到參建各方及各級(jí)政府的充分肯定，對(duì)人民大道的建成通車起到了決定性作用，取得了相當(dāng)?shù)纳鐣?huì)效益。隨著城市基礎(chǔ)建設(shè)的快速全面發(fā)展，特別是喀斯特地貌區(qū)域城市的市政、地鐵、地下綜合管廊等地下隧道工程日新月異，保障施工安全，提高工程質(zhì)量，節(jié)約施工時(shí)間，降低建設(shè)成本，操作便捷高效和利于環(huán)境保護(hù)成為施工環(huán)境的主要因素。該工程懸臂掘進(jìn)機(jī)的成功應(yīng)用開辟了喀斯特地貌區(qū)域市政大斷面軟弱圍巖隧道施工的新天地，克服了傳統(tǒng)鉆爆法安全環(huán)境差、勞動(dòng)強(qiáng)度高、施工效率低、環(huán)境污染大、施工條件局限性大的眾多弊端，具有掘進(jìn)開挖的斷面成型較好，超欠挖易控制，對(duì)圍巖擾動(dòng)小，施工安全風(fēng)險(xiǎn)小，一次性投入成本低，組裝、操作和檢修技術(shù)要求低等優(yōu)點(diǎn)，機(jī)械設(shè)備性能越來越完善，施工技術(shù)越來越成熟，應(yīng)用范圍也越來越廣泛，施工水平也逐步提高。但是當(dāng)隧道圍巖強(qiáng)度大于40MPa時(shí)，懸臂掘進(jìn)機(jī)的施工優(yōu)勢(shì)已不明顯，開挖作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)，效率低，單方耗電量大，且圍巖強(qiáng)度越大，截齒損耗越大，開挖成本越高，由于單次作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)造成設(shè)備過熱停機(jī)保護(hù)的情況也增多，影響了整體開挖作業(yè)效率。筆者期望與設(shè)備制造單位、設(shè)計(jì)單位、施工單位共同研討探究懸臂掘進(jìn)機(jī)施工技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用，進(jìn)一步推進(jìn)懸臂掘進(jìn)在市政大斷面隧道各類圍巖施工技術(shù)的創(chuàng)新與應(yīng)用。