上下近接既有構(gòu)筑物隧道懸臂掘進機施工技術(shù)研究

武 華

(中鐵十二局集團第三工程有限公司 山西太原 030024)

1 引言

目前，城市地下空間的開發(fā)可作為緩解城市交通擁擠的有效途徑，由此出現(xiàn)大量地下暗挖隧道工程[1-3]。同時，城市的快速發(fā)展導致新建隧道面臨大量地面和地下既有建構(gòu)筑物的影響[4]。城市交通隧道多處于城市中心區(qū)域，周邊地質(zhì)環(huán)境復雜，穿越施工中需嚴格控制既有建筑物及隧道的變形，保障施工過程安全[5]。

近年來，相關(guān)學者關(guān)于新建隧道近接施工的影響開展了大量研究工作。白海衛(wèi)等[6]針對隧道上穿過程造成既有區(qū)間隧道上浮變形問題，提出了“應力平衡頂推法”，現(xiàn)場應用表明，既有區(qū)間隧道上浮變形僅0.6 mm，變形控制效果良好。王志杰等[7]以淺埋偏壓近接隧道施工為背景，分析得出近接影響分區(qū)，提出具體施工對策，較好地控制了既有隧道的變形。張孟喜等[8]以盾構(gòu)隧道上穿既有地鐵區(qū)間隧道為例，對現(xiàn)場注漿壓力取值及控制既有隧道變形兩方面進行分析研究，提出合理注漿壓力取值為0.5 MPa時，穿越施工中地表及既有隧道變形能有效控制在合理范圍內(nèi)。趙秀紹等[9]以新建隧道上穿既有盾構(gòu)隧道為工程背景，采用數(shù)值計算方法，分析穿越施工中既有隧道的變形，提出既有隧道的加固措施(鋼支撐環(huán)+拱頂注漿)，并在現(xiàn)場實際應用，驗證該方法的有效性。李濤等[10]針對新建隧道下穿建筑物工程，提出雙層介質(zhì)計算模型，計算得出建筑物沉降公式，結(jié)合現(xiàn)場測試情況，表明該方法的應用效果，為類似工程提供思路。謝雄耀等[11]為解決新建盾構(gòu)隧道下穿建筑物沉降控制難題，提出“微沉降”施工技術(shù)，并利用壁后注漿實時監(jiān)測，保證隧道穿越施工中的安全，現(xiàn)場應用效果較好。

綜上，現(xiàn)有研究中大多關(guān)于新建隧道單一下穿建筑物或既有隧道工程施工的[12]，對于新建隧道下穿建筑物同時又上跨既有地鐵車站的工程案例較少，可借鑒的工程經(jīng)驗有限。本文以重慶三縱線紅石路隧道工程為背景，開展新建隧道下穿建筑物且上跨既有地鐵車站隧道的施工技術(shù)研究，為保證隧道施工安全以及減小對周邊結(jié)構(gòu)影響，本工程機械開挖設(shè)備選用懸臂掘進機搭配挖掘機，結(jié)合現(xiàn)場應用情況，總結(jié)出密集城市區(qū)域近接構(gòu)筑物隧道懸臂掘進機施工技術(shù)，可為類似工程提供參考。

2 工程概況及重難點分析

2.1 隧道上下近接情況

重慶市三縱線紅石路隧道為左右雙洞，單洞為單向三車道，凈寬16.1 m，洞高11.85 m。工程施工影響范圍內(nèi)的地表建筑物主要有藍箭賓館(3～8F多層建筑)、紅石路，既有結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)距隧頂最小距離僅8 m，且賓館產(chǎn)權(quán)隸屬武漢空軍，屬管制區(qū)域，下穿施工時無法對建筑物進行監(jiān)測。同時，重慶軌道交通五號線運營大石壩站下穿紅石路隧道，與隧道高程差最小值為1.5 m，最小凈距8 m，并存在并行情況。隧道上下近接位置關(guān)系見圖1。

圖1 隧道上下近接位置關(guān)系(單位:m)

2.2 工程及水文地質(zhì)情況

紅石路隧道位于城區(qū)，大部分人工改造強烈，原始地貌屬構(gòu)造剝蝕淺丘地貌。隧道下穿既有建筑物段無斷裂構(gòu)造通過，構(gòu)造裂隙不發(fā)育，圍巖以砂質(zhì)泥巖為主，圍巖級別Ⅳ級。地下水受降雨入滲補給，沿線降水豐沛，現(xiàn)場試驗表明砂質(zhì)泥巖透水性為微透水～弱透水。

2.3 施工重難點

(1)紅石路隧道屬淺埋大跨暗挖隧道，且需下穿既有藍箭賓館建筑物同時上跨既有地鐵車站，上下近接施工工況復雜，隧道施工需盡量減小對地表建筑物及下方地鐵車站的擾動，同時要保證新建隧道的結(jié)構(gòu)安全，工程難度較大。

(2)隧道位于重慶市城區(qū)，為保證上下近接施工安全及減少對周圍居民生活影響，現(xiàn)場情況不具備控制爆破施工條件，因此如何確定合適的施工方法對本工程尤為重要。

(3)隧道淺埋下穿既有藍箭賓館建筑物，施工過程需嚴格控制建筑物沉降，保證建筑安全，設(shè)計要求隧道施工中各項控制標準為:既有藍箭賓館段建筑物沉降值≤8 mm，既有地鐵車站拱頂豎向位移值≤5 mm，隧道拱頂沉降值≤15 mm。

3 懸臂掘進機施工適用性分析

3.1 適用性分析

鑒于新建隧道位于城區(qū)，且上下近接既有構(gòu)筑物施工，控制爆破開挖不適用于本工程，因此考慮采用非爆破法開挖?；趹冶劬蜻M機機械化高、適應性強、對周邊環(huán)境擾動小的特點，現(xiàn)場施工時考慮選用該機械設(shè)備進行開挖。采用懸臂掘進機開挖時需考慮的因素見表1、表2。

表1 單軸抗壓強度影響因素

表2 圍巖級別影響因素

據(jù)工程勘察資料顯示，新建隧道施工范圍內(nèi)圍巖以泥質(zhì)砂巖為主，巖體較完整，現(xiàn)場圍巖強度回彈結(jié)果表明，圍巖強度處于25～45 MPa。結(jié)合表1可知，當圍巖強度小于40 MPa時，采用懸臂掘進機掘進容易、機械損耗小、適用性強，符合本工程隧道開挖相關(guān)指標要求。

3.2 機械設(shè)備選定

根據(jù)類似工程懸臂掘進機市場調(diào)查及現(xiàn)場觀摩，結(jié)合本工程圍巖地質(zhì)情況，通過施工機械相關(guān)比選后，紅石路隧道機械開挖設(shè)備選用懸臂掘進機搭配挖掘機。上臺階、中臺階采用懸臂掘進機開挖；仰拱采用大型挖掘機開挖，施工工序與上臺階同步進行；后行導洞掌子面距拱墻襯砌距離不大于90 m。本項目擬采用STR260、CTR300型懸臂式隧道掘進機，CTR300型掘進機在圍巖強度偏高時適用性更強，開挖效率高，因此在下穿藍箭賓館段(圍巖強度40～45 MPa)采用該種掘進機，如圖2所示，其為整體式銑挖機，整機參數(shù)尺寸(長×寬×高)為:17.15 m×3.8 m×3.8 m，切割范圍7.43 m×6.8 m，整機功率505 kW，切割功率300 kW，輸入電壓1 140 V，整機質(zhì)量99 t。

圖2 CTR300懸臂式隧道掘進機

施工機械進場后，按照S或Z型路線從下到上、左右交替掘進大致開挖輪廓，再精確修整至設(shè)計輪廓線，防止超欠挖產(chǎn)生。當現(xiàn)場圍巖條件多變時，可靈活選用適宜的截割頭，保障開挖進度，減少機械消耗量。

4 懸臂掘進機施工關(guān)鍵技術(shù)

4.1 懸臂掘進機就位

測量放樣及施工準備工作完成后，懸臂掘進機從下臺階行走至上臺階，行走過程中必須有專人負責移動高壓電纜，切割頭擺至最低角度后緊貼一側(cè)拱腳位置，然后支撐后支腿，落實在基巖上。

4.2 除塵風機就位調(diào)試

除塵風機及時跟進，緊貼下臺階掌子面，盡量縮短抽風骨架風袋長度，減少風阻損失；根據(jù)實際開挖情況，開挖過程中產(chǎn)生灰塵基本均在鏟板位置開始上揚，上揚約3～4 m位置開始向拱頂及洞外飄散，現(xiàn)場將骨架風帶抽風口固定在掘進機鏟板位置約3～4 m高位置，能夠達到最佳除塵效果。

4.3 臺階法開挖

根據(jù)隧道開挖尺寸、現(xiàn)場機械設(shè)備作業(yè)范圍及挖掘機配合安裝HW250H型鋼拱架需求，上臺階5.5 m，下臺階4.9 m，仰拱開挖深1.45 m；懸臂掘進機切割頭距后支腿11.5 m，上臺階作業(yè)平臺最小保證12 m，下臺階需考慮單邊擺放除塵風機、懸臂掘進機以及下臺階至上臺階坡道，平臺最小長度36 m。

不同圍巖情況下，懸臂掘進機掘進效率不同；初期支護參數(shù)不同，支護作業(yè)時間也不盡相同，因此在保證施工安全的前提下需進行試驗比選，以便合理選擇最優(yōu)循環(huán)進尺，提高施工效率。紅石路隧道上臺階為砂巖，圍巖強度45 MPa；下臺階主要為泥質(zhì)砂巖，圍巖強度30 MPa。經(jīng)現(xiàn)場實際比選，確定最優(yōu)開挖循環(huán)進尺為:上臺階2 m，下臺階3 m，開挖完成后立即進行初期支護施工，隧道開挖步序見圖3?，F(xiàn)場襯砌臺車選用9.1 m，每循環(huán)搭接0.1 m，每循環(huán)作業(yè)時長7 d；經(jīng)試驗比選后，上臺階短臺階進尺9 m，約4.5 d，下臺階短臺階進尺9 m約3 d，仰拱與上臺階同步實施，掌子面開挖進度與襯砌施工進度基本匹配，現(xiàn)場能有效控制掌子面至襯砌安全步距，確保施工安全。

圖3 臺階法開挖步序

4.4 除塵

新建隧道采用懸臂掘進機開挖時，在掌子面區(qū)域內(nèi)會產(chǎn)生大量的粉塵，若不進行針對性處理，難以滿足現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境要求，危害施工人員安全。鑒于此，本工程利用排抽結(jié)合的原理，采用組合的送風、除塵設(shè)備進行降塵處理，除塵系統(tǒng)布置如圖4所示。其中江蘇西德力風機有限公司生產(chǎn)的除塵機為懸臂掘進機開挖降塵處理關(guān)鍵設(shè)備，相比以往降塵設(shè)備具有以下特點:

圖4 除塵系統(tǒng)布置

(1)整體化減少軟性連接，增加了設(shè)備穩(wěn)定性，移動方便。

(2)采用多組濾芯過濾，避免了大量用水降塵，既減少了施工用水，更進一步減少降塵污水對初支未成環(huán)段造成的浸泡。

4.5 初期支護

紅石路隧道為淺埋，地表為藍箭賓館8層主結(jié)構(gòu)及繁忙主干道紅石路，易導致隧道變形，引發(fā)地表沉降或地表房屋開裂。掌子面開挖完成后，及時施作初期支護，抑制圍巖變形，初期支護預留5 cm沉降量。鋼架、鋼筋網(wǎng)片、超前錨桿、系統(tǒng)錨桿、鎖腳錨桿統(tǒng)一在鋼筋加工場集中加工，檢驗合格后運入施工場地。人工安裝鋼拱架，掛設(shè)鋼筋網(wǎng)片，風動鑿巖機施作系統(tǒng)錨桿、鎖腳錨管、超前錨管，施作C30噴射砼。

4.6 仰拱開挖

掘進最大下挖深度為35 cm，紅石路隧道仰拱初支拱架封閉成環(huán)，采用懸臂掘進直接開挖仰拱將對初支造成二次破壞；隧道仰拱底部距軌道五號線大石壩車站高差僅1.5 m，采用炮機開挖會對運營車站產(chǎn)生較大噪聲干擾。經(jīng)比選，仰拱采用挖掘機開挖及配合扒渣，每層厚度不大于50 cm。仰拱開挖前，首先用挖掘機將既有端頭回填土清理干凈，在成環(huán)仰拱拱架上安裝紅外激光裝置控制仰拱開挖深度，開挖至仰拱初支表面深度后，人工配合挖掘機進行清底，保證基底密實，控制超挖。

4.7 施工監(jiān)測

紅石路隧道地表為藍箭賓館建筑群，隸屬武漢空軍駐重慶軍代室，隧道洞頂距地表建筑物條石基礎(chǔ)最小距離為11 m，下穿開挖過程中不允許施工方進場進行施工監(jiān)測。為保證隧道下穿開挖過程中能夠最大限度了解地表結(jié)構(gòu)物沉降及變形情況，本工程在隧道開挖過程中通過在藍箭賓館周邊埋設(shè)測點，采用儀器在外圍進行監(jiān)測。以藍箭賓館主體8F為例，測點布置及沉降時程曲線如圖5所示。

圖5 藍箭賓館主體8F測點布置及沉降時程曲線

由圖5可知，新建紅石路隧道下穿既有藍箭賓館建筑物同時上跨既有地鐵車站過程中，藍箭賓館主體8F監(jiān)測結(jié)果顯示，隧道開挖后，會對藍箭賓館范圍內(nèi)建筑物產(chǎn)生不均勻沉降，超前支護措施可能對未開挖處地表造成輕微隆起的影響。其中，建筑物最大沉降位于JZ3-1處，量值1.20 mm，最大隆起位于JZ3-4處，量值1.90 mm，各測點沉降量均小于控制值8 mm，保證了藍箭賓館范圍內(nèi)建筑物的安全。

5 現(xiàn)場應用效果

5.1 經(jīng)濟效益

表3為紅石路隧道炮機開挖與懸臂掘進機開挖經(jīng)濟分析表。由表3可知，采用懸臂掘進機開挖，綜合成本單價較普通炮機開挖每方增加約133元，但月度綜合開挖進度增加70%，項目綜合管理成本減少。人員需求方面，采用懸臂掘進機開挖工法，每班組只需2～3人，一次性投入較少。

表3 紅石路隧道炮機開挖與懸臂掘進機開挖經(jīng)濟分析

5.2 環(huán)保節(jié)能效益

相比普通炮機進行機械開挖，采用懸臂掘進機施工，效率較高，工期縮短，節(jié)省了燃油和電力等能量的消耗，節(jié)能效益顯著；作業(yè)環(huán)境方面，現(xiàn)場采用組合的送風、除塵設(shè)備進行降塵處理，有效降低懸臂掘進機切割巖面產(chǎn)生的大量粉塵，良好凈化了掘進操作現(xiàn)場環(huán)境。

5.3 社會效益

懸臂掘進機施工有效解決了在密集城市區(qū)內(nèi)大斷面隧道暗挖對周邊建筑物擾動的難題。懸臂掘進機整機采用電力液壓驅(qū)動，施工過程中噪聲小，對周邊地表房屋、居民及軌道車站噪聲影響較小，可滿足夜間作業(yè)需求。開挖過程中洞內(nèi)、洞外監(jiān)測數(shù)據(jù)穩(wěn)定，變形量較小，對藍箭賓館、大石壩車站均未產(chǎn)生明顯干擾，得到重慶軌道集團、重慶市安監(jiān)總站、重慶市質(zhì)監(jiān)總站、監(jiān)理單位的一致好評。

6 結(jié)束語

在密集城市區(qū)內(nèi)的大斷面暗挖隧道近接建(構(gòu))筑物施工，采用懸臂掘進機施工技術(shù)能有效解決隧道開挖過程對周邊建(構(gòu))筑物的擾動控制難題，并可根據(jù)現(xiàn)場圍巖條件靈活擇用單側(cè)壁、雙側(cè)壁等開挖方法，加快施工進度，有效控制隧道超欠挖，節(jié)約施工成本，施工噪聲小，對周邊居民正常生活影響小，滿足夜間作業(yè)需求。目前該技術(shù)已在重慶甘悅大道渝北段隧道工程、貴陽軌道交通1號線10標區(qū)間隧道等工程成功應用。工程實踐充分證明，其在城市密集區(qū)、地下管線復雜、近接穿越構(gòu)筑物等復雜情況下具有較高推廣應用價值和廣泛應用前景。