懸臂掘進(jìn)機(jī)在淺埋軟弱圍巖隧道施工中的應(yīng)用

魯小龍

(川藏鐵路有限公司，四川 成都 610045)

隨著我國(guó)地下基礎(chǔ)設(shè)施的蓬勃發(fā)展，隧道工程建設(shè)不斷增多，常出現(xiàn)開(kāi)挖后圍巖的失穩(wěn)破壞而發(fā)生塌方事故，特別是深埋條件下具有強(qiáng)度低、大變形特點(diǎn)的圍巖失穩(wěn)問(wèn)題尤為突出[1-2]。盾構(gòu)法、礦山鉆爆法和挖機(jī)帶破碎錘是常見(jiàn)的隧道施工開(kāi)挖方法，眾多學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了大量的研究工作[3-4]，施工工藝的自動(dòng)化、多樣化、效率化、重型化及經(jīng)濟(jì)化是當(dāng)前盾構(gòu)隧道施工的主流發(fā)展方向[5-6]。由于懸臂式掘進(jìn)機(jī)具有以下優(yōu)點(diǎn)：1)集截割、裝載、運(yùn)輸、行走于一體；2)低振動(dòng)、低噪聲，可在限制爆破地段有效的替代爆破施工，也可對(duì)松散圍巖施工，從而減少超挖，避免塌方等情況發(fā)生；3)具備定位與快速掃描功能；4)實(shí)現(xiàn)截割頭的自動(dòng)定位；5)截割完成后可對(duì)截割斷面的實(shí)際成形進(jìn)行三維掃描，進(jìn)行超欠挖分析，指導(dǎo)施工參數(shù)修正[7-8]。因此，以某淺埋軟弱圍巖隧道施工試驗(yàn)段為例，從隧道超欠挖、拱頂沉降、圍巖擾動(dòng)、環(huán)水保參數(shù)、材料消耗以及成本對(duì)比等方面將懸臂掘進(jìn)機(jī)和局部爆破及挖機(jī)帶破碎錘做了研究和對(duì)比。以期對(duì)未來(lái)相似工程提供指導(dǎo)借鑒作用。

1 工程概況

選取某淺埋隧道進(jìn)口Ⅵ級(jí)圍巖段作為試驗(yàn)段。試驗(yàn)段洞身坐落在早期形成的沖溝堆積體內(nèi)，主要地層為第四系全新統(tǒng)坡、洪積物，包含黏性土、粉土、砂類(lèi)土及碎石類(lèi)土，圍巖穩(wěn)定性較差易坍塌，設(shè)計(jì)為Ⅵ級(jí)圍巖。該段為飽和細(xì)砂層，施工過(guò)程中極易發(fā)生涌水涌砂，圍巖穩(wěn)定性極差。試驗(yàn)段下部平臺(tái)處為地下水排泄帶，穩(wěn)定性較差，存在下沉或坍塌風(fēng)險(xiǎn)，試驗(yàn)段地質(zhì)條件如圖1所示。

2 試驗(yàn)段設(shè)計(jì)支護(hù)參數(shù)

1)初期支護(hù)。

試驗(yàn)段采用設(shè)計(jì)Ⅵ級(jí)圍巖支護(hù)參數(shù)(見(jiàn)表1)。

表1 試驗(yàn)段設(shè)計(jì)支護(hù)參數(shù)

2)超前支護(hù)參數(shù)。

試驗(yàn)段由于采用懸臂掘進(jìn)機(jī)，開(kāi)挖擾動(dòng)小，結(jié)合實(shí)際揭示圍巖地質(zhì)情況，原設(shè)計(jì)Ⅵ級(jí)圍巖超前支護(hù)采用φ76 mm中管棚+φ42 mm超前小導(dǎo)管，調(diào)整為φ42 mm超前小導(dǎo)管，間距由80 cm調(diào)整為40 cm，加密超前小導(dǎo)管的施工間距，施工范圍不變。

調(diào)整后超前支護(hù)參數(shù)：超前小導(dǎo)管進(jìn)行超前加固，環(huán)向間距40 cm，長(zhǎng)度4 m，搭接1.6 m；掌子面上半斷面采用玻璃纖維錨桿(長(zhǎng)9 m，搭接3 m)及噴混凝土封閉(厚3 cm，每6 m一次循環(huán))。

3 懸臂掘進(jìn)機(jī)施工簡(jiǎn)介

3.1 懸臂掘進(jìn)機(jī)開(kāi)挖順序

1)掘進(jìn)機(jī)就位后，從掌子面底部水平割出一條槽，然后截割頭采取自下而上、左右循環(huán)切削。

2)切削同時(shí)，鏟板耙爪將切下來(lái)的渣裝入懸臂掘進(jìn)機(jī)自帶運(yùn)輸機(jī)，傳送至尾部汽車(chē)運(yùn)出洞外。

3)分兩次開(kāi)挖，第一次為先掘進(jìn)拱部環(huán)形，從掌子面左側(cè)底部開(kāi)挖至拱部成型(然后右側(cè))；第二次修整到準(zhǔn)確設(shè)計(jì)斷面。

3.2 懸臂掘進(jìn)機(jī)施工方案概述

1)左線暗洞懸臂掘進(jìn)機(jī)施工試驗(yàn)段分兩臺(tái)階施工，上臺(tái)階高7 m，開(kāi)挖過(guò)程中視掌子面圍巖穩(wěn)定情況預(yù)留核心土；下臺(tái)階高4.76 m，一次開(kāi)挖成型。采用懸臂掘進(jìn)機(jī)自帶傳輸皮帶+汽車(chē)出渣。

2)上臺(tái)階開(kāi)挖完成47 m(懸臂掘進(jìn)機(jī)作業(yè)空間13 m，考慮土質(zhì)較軟，上下臺(tái)階按8°放坡，爬坡段長(zhǎng)34 m)后懸臂掘進(jìn)機(jī)退出洞外，進(jìn)行下臺(tái)階與仰拱開(kāi)挖。

3)洞口初支封閉成環(huán)5 m后，縱向拉坡，懸臂掘進(jìn)機(jī)爬至上臺(tái)階恢復(fù)開(kāi)挖支護(hù)，上下臺(tái)階按進(jìn)尺5 m循環(huán)轉(zhuǎn)換掘進(jìn)。

4)上下臺(tái)階依次循環(huán)掘進(jìn)。受懸臂掘進(jìn)機(jī)爬坡限制，上下臺(tái)階之間沿隧道中線按8°放坡掏槽修建便道，由掘進(jìn)機(jī)自行修整，地層軟弱地段鋪墊鋼板，以便設(shè)備行走。

5)加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)和超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，必要時(shí)在上臺(tái)階增設(shè)臨時(shí)仰拱。

4 試驗(yàn)段結(jié)果統(tǒng)計(jì)與分析

為準(zhǔn)確掌握懸臂掘進(jìn)機(jī)在某淺埋軟弱圍巖隧道進(jìn)口的試驗(yàn)成果。在試驗(yàn)段施工過(guò)程中，對(duì)試驗(yàn)的隧道超欠挖、拱頂沉降、圍巖擾動(dòng)、環(huán)水保參數(shù)、材料消耗以及成本對(duì)比等方面進(jìn)行了過(guò)程記錄。從而對(duì)爆破開(kāi)挖、挖機(jī)帶破碎錘開(kāi)挖以及懸臂掘進(jìn)開(kāi)挖做了統(tǒng)計(jì)對(duì)比分析。

4.1 隧道超欠挖

懸臂掘進(jìn)機(jī)采用兩臺(tái)階法開(kāi)挖，上臺(tái)階高度7.5 m，下臺(tái)階高度4.26 m，開(kāi)挖斷面輪廓圓順，能有效控制隧道超欠挖。超欠挖測(cè)量數(shù)據(jù)及統(tǒng)計(jì)分析如圖2所示。根據(jù)爆破施工經(jīng)驗(yàn)，局部爆破線性超挖值在25 cm～30 cm；挖機(jī)帶破碎錘開(kāi)挖線性超挖值在20 cm～25 cm；懸臂掘進(jìn)機(jī)開(kāi)挖線性超挖值10 cm～16 cm明顯低于爆破開(kāi)挖和挖機(jī)帶破碎錘開(kāi)挖線性超挖值。

4.2 拱頂沉降

不同工法拱頂沉降情況對(duì)比如圖3所示，從圖3可看出，與爆破開(kāi)挖相比，相同圍巖條件下，懸臂機(jī)掘進(jìn)施工的拱頂沉降測(cè)點(diǎn)沉降趨勢(shì)比較平緩，周累計(jì)值比較??；與爆破開(kāi)挖、挖機(jī)帶破碎錘開(kāi)挖相比，在較差圍巖條件下，懸臂機(jī)掘進(jìn)機(jī)施工有利于控制隧道的拱頂沉降，能有效保障現(xiàn)場(chǎng)施工安全。

4.3 圍巖擾動(dòng)及環(huán)水保參數(shù)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)分析(如表2所示)。相較于另外兩種施工開(kāi)挖方法，懸臂掘進(jìn)機(jī)開(kāi)挖在巖渣粒徑和飛石距離方面，安全性能較高，圍巖擾動(dòng)較小。此外，懸臂掘進(jìn)機(jī)主動(dòng)力為電動(dòng)，隧道環(huán)境較好；而挖機(jī)帶破碎錘為內(nèi)燃動(dòng)力，爆破鉆眼及起爆產(chǎn)生的粉塵較大，洞內(nèi)空氣質(zhì)量均較差。且懸臂掘進(jìn)機(jī)自帶灑水降塵設(shè)備，在開(kāi)挖過(guò)程中灑水降塵，洞內(nèi)煙塵較少，空氣質(zhì)量良好。

表2 圍巖擾動(dòng)及環(huán)水保參數(shù)對(duì)比表

4.4 每循環(huán)設(shè)備材料及勞動(dòng)力成本

每循環(huán)設(shè)備材料及勞動(dòng)力成本對(duì)比分析如表3所示。由于懸臂掘進(jìn)機(jī)施工比普通鉆爆法施工節(jié)省手風(fēng)鉆施作打鉆耗材，以及炸藥、雷管等火工品，不需進(jìn)行炸藥庫(kù)建設(shè)及相關(guān)手續(xù)審批。此外，較普通鉆爆法施工而言，懸臂掘進(jìn)機(jī)在開(kāi)挖環(huán)節(jié)節(jié)省勞動(dòng)力資源尤為明顯，普通鉆爆開(kāi)挖至少需12人，而懸臂掘進(jìn)機(jī)施工只需4人且不需要持證爆破工和爆破員。

表3 每循環(huán)設(shè)備材料及勞動(dòng)力成本對(duì)比表

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)在某淺埋軟弱圍巖隧道進(jìn)口進(jìn)洞段采用懸臂掘進(jìn)機(jī)開(kāi)挖的試驗(yàn)段，與普通鉆爆法、挖機(jī)帶破碎錘開(kāi)挖法相比各項(xiàng)數(shù)據(jù)表明，適宜采用懸臂掘進(jìn)機(jī)開(kāi)挖，主要優(yōu)勢(shì)在于：

1)懸臂掘進(jìn)機(jī)開(kāi)挖隧道的線性超挖值明顯低于爆破開(kāi)挖和挖機(jī)帶破碎錘開(kāi)挖線性超挖值。

2)相同圍巖條件下，懸臂機(jī)掘進(jìn)施工的拱頂沉降測(cè)點(diǎn)沉降趨勢(shì)比較平緩，有利于控制隧道的拱頂沉降，能有效保障現(xiàn)場(chǎng)施工安全。

3)懸臂掘進(jìn)機(jī)施工不需進(jìn)行炸藥庫(kù)建設(shè)及相關(guān)手續(xù)審批，在開(kāi)挖環(huán)節(jié)節(jié)省勞動(dòng)力資源尤為明顯，此外，其自帶灑水降塵設(shè)備，在開(kāi)挖過(guò)程中灑水降塵，洞內(nèi)煙塵較少，空氣質(zhì)量良好。