禁爆區(qū)域地鐵隧道懸臂掘進(jìn)機(jī)施工技術(shù)探討

聞民臣

（中鐵十八局集團(tuán)有限公司，天津 300222）

1 引言

盾構(gòu)法隧道施工雖已成為城市軌道交通區(qū)間隧道施工的主要工法，但在多項(xiàng)目交叉施工等特殊工程環(huán)境下，盾構(gòu)施工所必需的場地難以滿足要求，即盾構(gòu)機(jī)進(jìn)出場所必需的道路、場地要求難以保障，而且在區(qū)間地質(zhì)以中風(fēng)化石灰?guī)r為主且無地下水區(qū)段常規(guī)盾構(gòu)法難以實(shí)施，需要采用替代工法施工。

文獻(xiàn)[1-5]研究了懸臂掘進(jìn)機(jī)在鐵路隧道應(yīng)用技術(shù)，文獻(xiàn)[6-9]研究了懸臂掘進(jìn)機(jī)在采礦及水利工程中的應(yīng)用技術(shù)；惠文軍，趙濤等[10]研究了懸臂掘進(jìn)機(jī)在半蓋挖地鐵車站的應(yīng)用技術(shù)；漆泰岳，李斌[11]研究了懸臂掘進(jìn)機(jī)在復(fù)雜斷面隧道中的應(yīng)用技術(shù)；王梯普、李遠(yuǎn)征[12]從施工成本、文明施工方面研究了小斷面隧道采用懸臂掘進(jìn)機(jī)的可行性；文獻(xiàn)[13-15]研究了地鐵隧道應(yīng)用懸臂掘進(jìn)機(jī)的相關(guān)施工技術(shù)；汪超[16]以深圳地鐵工程為例研究了懸臂掘進(jìn)機(jī)近距離下穿既有地鐵線路的施工控制要點(diǎn)并總結(jié)了其優(yōu)缺點(diǎn)；文獻(xiàn)[17-18]以實(shí)際工程為例研究了懸臂掘進(jìn)機(jī)在巖溶隧道中的應(yīng)用技術(shù)；謝達(dá)文[19]研究了控制爆破與懸臂掘進(jìn)機(jī)的組合法施工技術(shù)。綜上，少有文獻(xiàn)研究禁爆區(qū)域采用懸臂掘進(jìn)機(jī)開挖地鐵隧道的相關(guān)技術(shù)，本文研究在狹小地面工程環(huán)境條件下，采用懸臂掘進(jìn)機(jī)開挖地鐵隧道的施工技術(shù)，成功解決了禁爆區(qū)域中風(fēng)化石灰?guī)r地層礦山法開挖地鐵隧道的技術(shù)問題，獲得了良好的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和環(huán)境效益。

2 工程概況

濟(jì)南市中央商務(wù)區(qū)與濟(jì)南市軌道交通合建項(xiàng)目中工業(yè)南路站為盾構(gòu)始發(fā)車站，軌道交通項(xiàng)目開工后，周邊地塊相繼進(jìn)入建設(shè)期，既有場地已不能滿足盾構(gòu)機(jī)吊裝、掘進(jìn)施工條件，施工工藝由盾構(gòu)法施工變更為礦山法施工。工業(yè)南路站—綢帶公園站區(qū)間左線517 m、右線373 m，區(qū)間隧道拱頂埋深13.1～15.2 m，左線和右線間距為17.2～20.2 m，采用單洞單線馬蹄形斷面，工業(yè)南路站臨近居民樓，區(qū)間隧道沿線建（構(gòu)）筑物均處于建設(shè)期，周邊施工人員、車輛多，工程施工風(fēng)險(xiǎn)大。

區(qū)間隧道主要穿越地層為膠結(jié)礫巖、含碎石粉質(zhì)黏土、強(qiáng)風(fēng)化石灰?guī)r、中風(fēng)化石灰?guī)r，圍巖等級(jí)為Ⅳ ～Ⅴ級(jí)。地下水類型為上層滯水，地下水位于隧道底板以下，對隧道施工無影響。隧道穿越膠結(jié)礫巖層單軸抗壓強(qiáng)度11.77 MPa，中風(fēng)化石灰?guī)r層飽和單軸抗壓強(qiáng)度49.20 MPa，強(qiáng)風(fēng)化石灰?guī)r層飽和單軸抗壓強(qiáng)度 15.50 MPa。

3 懸臂掘進(jìn)機(jī)局部改造

懸臂掘進(jìn)機(jī)銑挖不同巖層交界面時(shí)，巖層硬度不同會(huì)出現(xiàn)不易破碎的較大塊狀石塊，懸臂掘進(jìn)機(jī)邊雙鏈刮板式溜槽斷面寬620 mm×高508 mm，但其底部設(shè)計(jì)寬度450 mm、高度400 mm，需在調(diào)整可滿足600 mm×500 mm的塊狀物順利排出的需求，同時(shí)為限制大于最大通過粒徑的石塊卡在第一輸送機(jī)上，在星輪與第一輸送機(jī)增加粒徑控制門型架，有大粒徑擠在門型架處時(shí)，反轉(zhuǎn)星輪將石塊排到鏟板部外側(cè)后單獨(dú)處理。圖1為單軸懸臂式掘進(jìn)機(jī)主機(jī)結(jié)構(gòu)圖，圖2為局部改造后懸臂式掘進(jìn)機(jī)示意圖。

4 懸臂掘進(jìn)機(jī)施工流程

4.1 工藝流程

懸臂掘進(jìn)機(jī)開挖隧道施工工藝流程主要包括，上臺(tái)階開挖和初期支護(hù)，下臺(tái)階開挖和初期支護(hù)，防水層及二襯施工。懸臂掘進(jìn)機(jī)開挖隧道施工工藝流程圖如圖3所示，隧道橫斷面開挖示意如圖4所示，隧道縱斷面開挖示意如圖5所示。

4.2 上臺(tái)階施工

（1）掌子面附近清理整平。掌子面附近場地應(yīng)清渣完畢，地面利用碎渣略做找平，以滿足掘進(jìn)機(jī)及輔助設(shè)備進(jìn)出場地及工作穩(wěn)定性要求為準(zhǔn)。

（2）測量放樣。利用平面及高程控制點(diǎn)，以隧道中線、高程點(diǎn)為基準(zhǔn)，據(jù)此在掌子面上以偏距及高程標(biāo)示隧道開挖輪廓線。開挖過程中由專業(yè)測量人員采用全站儀測量放樣，進(jìn)洞后在已支護(hù)成型洞段埋設(shè)紅外線激光指向儀進(jìn)行測量控制。

（3）掘進(jìn)機(jī)及輔助設(shè)備就位。掘進(jìn)機(jī)移動(dòng)至隧道掌子面前，接通過電源；挖掘機(jī)移動(dòng)至懸臂掘進(jìn)機(jī)的第一運(yùn)輸機(jī)尾部，挖掘機(jī)、運(yùn)輸車輛就位；機(jī)械設(shè)備正式運(yùn)行前，需對其機(jī)械性能和安全設(shè)置進(jìn)行檢查，并確認(rèn)滿足安全施工要求。

（4）掌子面土方開挖及土石外運(yùn)。掘進(jìn)機(jī)啟動(dòng)，用截割部切削掌子面土體，鏟板部收集切削下來的土體并將其送入第一運(yùn)輸機(jī)，第一運(yùn)輸機(jī)將開挖土石輸送到掘進(jìn)機(jī)尾部；挖掘機(jī)與運(yùn)輸車輛配合，將掘進(jìn)機(jī)尾部渣土及時(shí)裝載并清運(yùn)至豎井底部，井口吊車將渣土吊運(yùn)至地表外運(yùn)；掘進(jìn)機(jī)根據(jù)地層圍巖條件和施工控制要求，完成規(guī)定的循環(huán)進(jìn)尺量，停止掘進(jìn)；待本循環(huán)開挖土石全部清運(yùn)出洞后，機(jī)械設(shè)備退出工作面，為初期支護(hù)和超前地層加固讓出工作面。

（5）初期支護(hù)和超前加固。隧道圍巖條件較差，且地面土體沉降變形控制要求嚴(yán)格時(shí)，需施作初期支護(hù)結(jié)構(gòu)、掌子面圍巖超前加固。

4.3 下臺(tái)階施工

待上臺(tái)階開挖進(jìn)尺達(dá)到一定長度后，再進(jìn)行下臺(tái)階開挖。下臺(tái)階工作面的開挖按照場地清理→開挖輪廓放樣→掘進(jìn)及出渣機(jī)械準(zhǔn)備→開挖出渣→初期支護(hù)的順序進(jìn)行，與上臺(tái)階掘進(jìn)施工流程類似。

4.4 防水層及二次襯砌施工

因隧道洞徑較小，為滿足隧道開挖期間施工機(jī)械進(jìn)出，防水層及二次襯砌結(jié)構(gòu)須待隧道貫通后施工，施工條件及工藝流程與傳統(tǒng)礦山法隧道相應(yīng)部位的施工相同。

4.5 臺(tái)階長度確定條件

臺(tái)階長度根據(jù)懸臂掘進(jìn)機(jī)、挖掘機(jī)、出渣車輛協(xié)同工作所需的工作空間及圍巖情況確定，臺(tái)階軟弱圍巖，應(yīng)采用較短臺(tái)階開挖，初期支護(hù)在較短時(shí)間內(nèi)閉合，確保開挖安全。穩(wěn)定性較好的圍巖，宜采用較長臺(tái)階開挖，以利于提高機(jī)械設(shè)備的效率。區(qū)間隧道穿越Ⅳ～Ⅴ級(jí)圍巖，臺(tái)階長度按20～25 m施工，在局部圍巖穩(wěn)定性較差時(shí)，采取網(wǎng)噴混凝土輔以錨桿加固的方法以提高局部圍巖穩(wěn)定性。

5 懸臂掘進(jìn)機(jī)控制要點(diǎn)

5.1 開挖模式選擇

（1）掘進(jìn)機(jī)開挖效率受地層圍巖條件影響較大，需根據(jù)巖層硬度采取相應(yīng)的截割模式，當(dāng)圍巖硬度較低、破巖容易時(shí)，采用大半徑鉆頭、高轉(zhuǎn)速的截割模式，以提高開挖效率為主；當(dāng)圍巖硬度較高、破巖較困難時(shí)，采用小半徑鉆頭、低轉(zhuǎn)速大扭矩的截割模式，以提高破巖能力為主。

（2）當(dāng)圍巖硬度較低時(shí)，掘進(jìn)機(jī)先在掌子面左下角掏槽，然后通過左右循環(huán)向上的順序進(jìn)行切割，如圖6所示；當(dāng)圍巖硬度不同時(shí)，掘進(jìn)機(jī)先在下部較軟圍巖區(qū)掏槽，然后通過左右循環(huán)向上的方式進(jìn)行切割，如圖7所示；當(dāng)圍巖硬度較高時(shí)，掘進(jìn)機(jī)懸臂保持水平，且垂直于掌子面掏槽，然后通過左右循環(huán)向上（向下）的方式進(jìn)行切割，如圖8所示。

（3）截割頭一次掏槽深度不應(yīng)超過截割部的1/3，如需加大切割深度，須待截割部擴(kuò)窩后，再加深掏槽，掘進(jìn)機(jī)一次截割深度不應(yīng)超過截割部有效長度的3/4。

（4）在洞徑較小的條件下，隧道內(nèi)施工機(jī)械調(diào)頭、錯(cuò)車?yán)щy，達(dá)到理想的“上、下臺(tái)階獨(dú)立的流水施工”模式比較困難，使用2組掘進(jìn)系統(tǒng)并不經(jīng)濟(jì)，一般只選用一套掘進(jìn)系統(tǒng)。因此優(yōu)化施工組織，提升設(shè)備使用效率，是確保施工進(jìn)度的關(guān)鍵因素之一。

5.2 隧道開挖施工

（1）地質(zhì)確認(rèn)。區(qū)間隧道局部地層穩(wěn)定性較差，隧道開挖前進(jìn)行詳細(xì)的地質(zhì)補(bǔ)勘，根據(jù)補(bǔ)勘結(jié)果，對特殊地層采取超前注漿加固等必要的預(yù)處理措施。

（2）超前小導(dǎo)管施工。隧道拱部150°范圍布設(shè)超前小導(dǎo)管，小導(dǎo)管長度為3.5 m，環(huán)向間距0.4 m，縱向間距2 m，外插角15°，所注水泥漿水灰比1 : 1，注漿壓力0.5～1 MPa。超前小導(dǎo)管施工工藝主要包括施工準(zhǔn)備、鉆孔、安設(shè)小導(dǎo)管、掌子面封閉、注漿、效果檢驗(yàn)等，其工藝流程圖如圖9所示。

（3）區(qū)間隧道開挖方法。根據(jù)區(qū)間隧道的圍巖情況，調(diào)整上、下臺(tái)階開挖長度。上臺(tái)階開挖時(shí)切割方式由下往上左右循環(huán)切割，在兩側(cè)拱腳處切割時(shí)，控制刀頭切割深度，防止超挖過多后影響上臺(tái)階拱腳穩(wěn)定。每個(gè)循環(huán)施工完成后為便于下個(gè)循環(huán)的切割開挖，最里面一榀拱架距離掌子面留出50～70 cm的作業(yè)空間，防止下個(gè)循環(huán)施工時(shí)掘進(jìn)機(jī)對上一循環(huán)的拱架造成破壞，保證格柵安裝的空間。下臺(tái)階開挖時(shí)，切割方式由上往下左右循環(huán)切割。掘進(jìn)機(jī)開挖切割順序示意圖如圖 10所示。

（4）開挖注意事項(xiàng)。區(qū)間隧道開挖過程中必須嚴(yán)格遵循“管超前、嚴(yán)注漿、短進(jìn)尺、強(qiáng)支護(hù)、早封閉、勤量測”施工原則，根據(jù)測量監(jiān)控反饋的數(shù)據(jù)信息，優(yōu)化實(shí)際相關(guān)參數(shù)，以確保施工安全；采用上、下臺(tái)階法開挖施工，應(yīng)根據(jù)地質(zhì)情況及時(shí)調(diào)整臺(tái)階長度，嚴(yán)格控制超欠挖，對施工過程中出現(xiàn)的超挖或塌方現(xiàn)象，應(yīng)采用噴混凝土回填密實(shí)，并及時(shí)進(jìn)行回填注漿；區(qū)間隧道開挖前應(yīng)備好搶險(xiǎn)物資，并在現(xiàn)場堆碼整齊，距離掌子面不宜超過20 m。

5.3 初期支護(hù)

初期支護(hù)的施做主要包括格柵拱架、縱向連接筋、鋼筋網(wǎng)的安裝和噴射混凝土作業(yè)。格柵拱架安裝前應(yīng)對開挖巖面進(jìn)行初噴防護(hù)，檢測斷面尺寸，及時(shí)處理欠挖侵入凈空部分，以確保安裝質(zhì)量符合設(shè)計(jì)要求。格柵拱架安裝完成后，鎖腳節(jié)點(diǎn)處各打設(shè)鎖腳錨管（桿）2根，鎖腳錨管打設(shè)角度為30°，每根長3 m。

5.4 噴射混凝土

噴射混凝土采用早強(qiáng)混凝土。掌子面開挖至設(shè)計(jì)尺寸后，及時(shí)封閉支護(hù)，確保掌子面的安全和穩(wěn)定，先初噴35 mm厚混凝土封閉巖面，架設(shè)格柵拱架、打錨桿，再補(bǔ)噴混凝土至設(shè)計(jì)厚度，將鋼格柵噴滿。

6 結(jié)論

（1）懸臂掘進(jìn)機(jī)可較好地適用于城市禁爆區(qū)域礦山法開挖地鐵單洞單線隧道，在單軸抗壓強(qiáng)度50 MPa以下的無水穩(wěn)定地層具有較高施工效率；既解決了施工場地受限，人工配合常規(guī)機(jī)械開挖施工速度慢、成本高等問題，又規(guī)避了禁爆區(qū)域申請爆破施工難的系列弊端，經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和環(huán)境效益顯著。

（2）懸臂掘進(jìn)機(jī)截割頭旋轉(zhuǎn)形成隧道輪廓線，能夠較好地控制隧道的超欠挖，可適用于不同洞徑、不同斷面形式的隧道開挖；懸臂掘進(jìn)機(jī)開挖隧道對圍巖的損傷小，開挖面巖石松弛、掉塊、崩塌風(fēng)險(xiǎn)極小，施工安全性高，對周邊建筑物的振動(dòng)影響小。