城市敏感區(qū)域大跨連拱隧道機(jī)械掘進(jìn)施工技術(shù)*

江煥春,劉龍坤,鄢文龍,劉曉鴻,吳誠云

(中建三局集團(tuán)(深圳)有限公司,廣東 深圳 518000)

0 引言

在城市山嶺隧道施工中,由于城市人口稠密、建筑密集,傳統(tǒng)爆破施工所產(chǎn)生的噪聲、振動(dòng)等不利影響難以被接受,若周邊存在地鐵、密集建筑群、重要國防建筑等敏感建筑物,爆破施工需經(jīng)各權(quán)屬單位的方案審批,方案通過的難度大,施工作業(yè)限制多,難以滿足安全、快速施工的要求。

隨著懸臂式掘進(jìn)機(jī)在軟巖隧道工程應(yīng)用的成功,掘進(jìn)機(jī)加工制造能力的日益提升,再加上其機(jī)械掘進(jìn)震動(dòng)小、掘進(jìn)質(zhì)量好、可截割任意形狀隧道斷面的特點(diǎn),使懸臂式掘進(jìn)機(jī)也被應(yīng)用于城市地下隧道掘進(jìn)建設(shè)中,在城市敏感區(qū)域隧道工程中的應(yīng)用成為了一種趨勢。

1 工程概況

深圳市望海路微波山隧道工程位于深圳市南山區(qū),穿越微波山,為連拱隧道,雙向六車道,隧道長度166m,最大開挖寬度30.2m,最大開挖高度10.83m。隧道進(jìn)口洞口位于深圳市南山區(qū)南海希爾頓酒店圍墻位置,隧道上跨地鐵2號線蛇口港站至海上世界站暗挖段區(qū)間,新建隧道平面與地鐵部分重疊,水平投影重疊距離0～13.8m,重疊長度約118m,新建隧道底部距地鐵區(qū)間隧道頂部最近約8m,新建隧道位于地鐵保護(hù)區(qū)范圍內(nèi)。隧道出口洞口上方有132kV高壓電纜線。隧道周邊環(huán)境縱斷面如圖1所示。

圖1 隧道周邊環(huán)境縱斷面

經(jīng)數(shù)值模擬計(jì)算,采用爆破施工,爆破振動(dòng)對地鐵隧道影響難以滿足地鐵運(yùn)營安全指標(biāo)要求,故本隧道需采用非爆破的機(jī)械掘進(jìn)方式進(jìn)行開挖。

2 懸臂式掘進(jìn)機(jī)圍巖適應(yīng)性提升技術(shù)

2.1 技術(shù)背景

新建微波山隧道圍巖為中～微風(fēng)化花崗巖,實(shí)測巖石抗壓強(qiáng)度90～130MPa,圍巖裂隙少,巖石強(qiáng)度高,屬硬質(zhì)巖隧道。根據(jù)以往懸臂式掘進(jìn)機(jī)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn),懸臂式掘進(jìn)機(jī)在硬巖隧道中開挖適應(yīng)性較差,普遍存在開挖掘進(jìn)速度慢、截齒消耗量大等問題,在施工過程中,需通過技術(shù)手段對掘進(jìn)機(jī)截割性能進(jìn)行分析研究、改進(jìn),提高其截割性能。通過應(yīng)用實(shí)踐,結(jié)合理論計(jì)算,研究出適合微波山隧道花崗巖地質(zhì)的掘進(jìn)機(jī)截割頭最佳參數(shù),提高掘進(jìn)機(jī)圍巖適用性,達(dá)到適用、高效、節(jié)能、減耗的效果。

2.2 掘進(jìn)機(jī)硬巖適應(yīng)性提升

2.2.1掘進(jìn)機(jī)截割頭適應(yīng)性提升

截割頭是掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行截割巖石工作的核心部件,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,組成部件較多,由頭體、齒座、截齒、螺旋葉片和噴嘴等組成,截齒以螺旋線形式布置在頭體上,如圖2所示。由于工作環(huán)境惡劣,振動(dòng)產(chǎn)生沖擊荷載,荷載波動(dòng)范圍較大,受力復(fù)雜,截割頭性能的好壞直接影響掘進(jìn)機(jī)施工范圍、效率和成本,是掘進(jìn)機(jī)施工經(jīng)濟(jì)性的關(guān)鍵,是評價(jià)掘進(jìn)機(jī)整機(jī)性能的重要依據(jù)。

圖2 掘進(jìn)機(jī)截割頭及其組成

截割性能影響因素眾多,包括:①截割頭結(jié)構(gòu)參數(shù) 如幾何尺寸、截齒類型及尺寸、截齒布置參數(shù)等;②巖石特性 如硬度、強(qiáng)度、裂隙、彈塑性等;③截割工藝參數(shù) 如截割頭轉(zhuǎn)速、懸臂擺速、鉆進(jìn)速度、截割厚度等。這些因素之間相互影響、相互制約,截割性能與上述參數(shù)匹配的合理與否息息相關(guān)。

針對硬巖截割的改進(jìn)提升,需研究巖石物理特性、影響截割性能截割頭截齒的各因素。

1)隧道巖石物理特性采集

首先掌握截割對象物理特性,采集花崗巖樣塊進(jìn)行試驗(yàn)(見圖3)。在受到外力作用時(shí),巖石所表現(xiàn)出來的抵抗外部干擾的能力為其力學(xué)性能,決定了巖石截割形式、截割參數(shù)及刀具選擇,巖石力學(xué)性能主要指密度、抗壓強(qiáng)度、彈性模量、泊松比、黏聚力、內(nèi)摩擦角等。

2)截割頭切削角、崩落角、切削角優(yōu)化

針對截割對象,進(jìn)行截割頭切削角、崩落角、切削速度等參數(shù)試驗(yàn)(見圖4)。

圖4 掘進(jìn)機(jī)截割頭參數(shù)試驗(yàn)

以相同截線間距和截深為前提,開展不同切削角(角度工裝)截割試驗(yàn)研究(見圖5),通過對比分析截齒所受截割阻力,確定截齒最優(yōu)切削角,得出圓柱段、圓錐段不同位置最佳切削角。

圖5 掘進(jìn)機(jī)截割頭切削角試驗(yàn)

3)截割頭截線間距、截割頭優(yōu)化

根據(jù)不同巖石崩落角、截齒線速度對截割的影響差異進(jìn)行試驗(yàn),通過理論計(jì)算(見圖6)和試驗(yàn)?zāi)M,最終得出適合截割花崗巖的截線間距(見圖7)和截割頭尺寸、轉(zhuǎn)速。

圖6 最佳截線間距理論計(jì)算

圖7 截線間距試驗(yàn)(單位:cm)

通過理論和試驗(yàn)數(shù)據(jù),最終研究出適合花崗巖截割的截割頭,達(dá)到高效、節(jié)能、減耗效果。

2.2.2掘進(jìn)機(jī)截齒性能優(yōu)化

截齒是掘進(jìn)機(jī)械中的最重要元件,是開挖巖石的主要工具,其性能好壞直接影響單臂式掘進(jìn)機(jī)生產(chǎn)能力的發(fā)揮、功率的消耗、工作平穩(wěn)性和其他相關(guān)零部件使用壽命。掘進(jìn)機(jī)采用的截齒在外形上基本相同,均為鎬形截齒,上部為硬質(zhì)合金刀頭、下部為齒體柄。

根據(jù)微波山隧道地質(zhì)勘察資料和試開挖情況揭示的隧道圍巖情況,包括巖石軸心抗壓強(qiáng)度、巖石完整性、裂隙發(fā)育程度,綜合判定該隧道圍巖為硬質(zhì)巖,需采用適應(yīng)硬質(zhì)巖開挖的配套截齒。進(jìn)場初期選定截齒類型為S135-42型, 截齒柄直徑42mm。經(jīng)過不斷試驗(yàn)研究,不斷優(yōu)化截齒材料、參數(shù),截齒消耗不斷降低。

主要改進(jìn)提升項(xiàng)為:①增大截齒斷面尺寸并進(jìn)行局部加強(qiáng),提高其抗折能力;②增加頭部合金包裹面積和合金使用量,提高其抗磨能力;③采用圓潤刀頭設(shè)計(jì)。截齒優(yōu)化過程如圖8所示。

圖8 截齒優(yōu)化過程

2.3 連拱隧道掘進(jìn)機(jī)開挖施工工藝

按連拱隧道施工工藝,先開挖中導(dǎo)洞,中導(dǎo)洞貫通并施工中隔墻后開挖主洞。

2.3.1中導(dǎo)洞開挖

隧道洞身中導(dǎo)洞全斷面采用掘進(jìn)機(jī)開挖,尺寸為6.0m(寬)×6.8m(高),開挖面積38m2,采用懸臂式掘進(jìn)機(jī)全斷面法開挖,開挖后及時(shí)施工初期支護(hù),每開挖循環(huán)進(jìn)尺根據(jù)圍巖狀況確定,待中導(dǎo)洞貫通后開始澆筑中隔墻。

中導(dǎo)洞開挖時(shí),掘進(jìn)機(jī)在前方施工,機(jī)器后方連接第二運(yùn)輸機(jī)(見圖9a),掘進(jìn)機(jī)后的渣料通過運(yùn)輸機(jī)掉落于卡車中,卡車穿過支護(hù)臺(tái)車將渣料排至隧洞外。當(dāng)掘進(jìn)機(jī)截割完1個(gè)循環(huán)后,機(jī)器后退,支護(hù)臺(tái)車挑到掌子面(見圖9b),開始初期支護(hù)。

圖9 中導(dǎo)洞掘進(jìn)機(jī)開挖流程

2.3.2主洞上臺(tái)階開挖

主洞采用臺(tái)階法施工,上臺(tái)階開挖面積約60m2,下臺(tái)階開挖面積約30m2。臺(tái)階長度30～50m,上臺(tái)階開挖完成后及時(shí)施工初期支護(hù)。

1)左、右主洞上臺(tái)階采用掘進(jìn)機(jī)開挖。主洞超前30m后開始仰拱施工,仰拱開挖面積約30m2,每個(gè)施工段長度為9m,開挖完成后及時(shí)施工初期支護(hù)封閉成環(huán),澆筑仰拱二次襯砌及仰拱填充混凝土。仰拱超前30m后開始拱部二次襯砌施工,使二次襯砌混凝土封閉成環(huán)。

2)雙連拱隧道兩洞平行施工時(shí),先行主洞與后行主洞掌子面錯(cuò)開距離35m,開挖先行主洞前,后行主洞圍巖與中隔墻之間的間隙采用土石方進(jìn)行回填。

3)掘進(jìn)機(jī)在前方開挖施工,挖掘機(jī)和卡車在機(jī)器后方運(yùn)渣出料。當(dāng)掘進(jìn)機(jī)向前推進(jìn)1個(gè)循環(huán)后,掘進(jìn)機(jī)后退至支護(hù)臺(tái)車后方,支護(hù)臺(tái)車進(jìn)到掌子面,開始主洞初期支護(hù)工序施工。

2.4 技術(shù)實(shí)施效果

懸臂式掘進(jìn)機(jī)圍巖適應(yīng)性技術(shù)提升的研究及應(yīng)用,成功解決了微波山隧道硬巖開挖難題。通過對懸臂式掘進(jìn)機(jī)截割頭技術(shù)改進(jìn)與提升、優(yōu)選截齒材料與類型,隧道開挖進(jìn)度不斷加快,截齒消耗不斷降低,中導(dǎo)洞全斷面開挖進(jìn)度達(dá)1.5m/d,主洞上臺(tái)階開挖進(jìn)度達(dá)2m/d,施工進(jìn)度基本與控制爆破法開挖進(jìn)度相當(dāng),同時(shí)隧道上臺(tái)階開挖后,在隧道內(nèi)部形成了水平臨空面,為下臺(tái)階開挖提供了較好作業(yè)條件。

3 懸臂式掘進(jìn)機(jī)與其他機(jī)械開挖方法組合開挖技術(shù)

3.1 技術(shù)背景

大斷面隧道一般采用分部開挖,包括臺(tái)階法、單側(cè)壁導(dǎo)坑法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、三導(dǎo)洞法等,微波山隧道左、右主洞采用上、下臺(tái)階法施工。上、下臺(tái)階可同時(shí)展開施工,若上、下臺(tái)階均采用懸臂式掘進(jìn)機(jī)開挖,則掘進(jìn)機(jī)數(shù)量需加倍投入。由于掘進(jìn)機(jī)屬于專用設(shè)備,一次性投入較大,上、下臺(tái)階同時(shí)采用掘進(jìn)機(jī)施工不經(jīng)濟(jì),因此,需利用上臺(tái)階開挖后形成的有利條件,在下臺(tái)階開挖過程中采用其他低成本的非爆破開挖施工技術(shù),保證上、下臺(tái)階同步施工,提高整體施工效率,降低施工成本。最常用的非爆破開挖方法為挖掘機(jī)帶破碎錘施工。

3.2 液壓破碎錘開挖施工原理

液壓挖掘機(jī)帶破碎錘施工方法主要由挖掘機(jī)增加液壓破碎錘頭,依靠液壓破碎錘液壓能轉(zhuǎn)化為機(jī)械沖擊能從而對巖石進(jìn)行破碎。目前,在土石方工程中應(yīng)用較多,施工周邊居民對爆破施工比較抵制的情況下,采用液壓破碎錘進(jìn)行軟巖甚至硬巖破碎開挖的應(yīng)用越來越廣泛。

隧道開挖直接應(yīng)用液壓破碎錘施工的情況較少,且主要應(yīng)用在軟弱圍巖中,在硬質(zhì)圍巖中使用破碎錘直接開挖困難。主要原因是液壓破碎錘施工時(shí)主要利用釬桿進(jìn)行破碎施工,釬桿在進(jìn)行豎直方向作業(yè)時(shí),作業(yè)效果好,但隧道開挖(上臺(tái)階開挖)主要是進(jìn)行水平開挖,液壓破碎錘作業(yè)時(shí),釬桿需垂直作業(yè)面,但受挖掘機(jī)結(jié)構(gòu)限制,釬桿水平方向作用力較小,在隧道軟弱圍巖地段尚可進(jìn)行破碎開挖,但在硬質(zhì)圍巖地段,尤其是圍巖完整性好、裂隙少、強(qiáng)度高時(shí),掌子面圍巖整體受力,圍巖作為一個(gè)整體無隧道徑向臨空面,破碎錘破碎巖石困難,即使勉強(qiáng)進(jìn)行水平破碎開挖,作業(yè)效率也很低。

隧道下臺(tái)階施工時(shí),由于上臺(tái)階已開挖完成,液壓破碎錘釬桿可在上臺(tái)階形成的空間內(nèi)對下臺(tái)階、仰拱進(jìn)行豎直方向破碎開挖作業(yè),此時(shí),下臺(tái)階巖石有豎向和水平2個(gè)方向臨空面,作業(yè)工況與普通石方破碎基本一致,作業(yè)效率成倍提高。

3.3 液壓破碎錘開挖施工技術(shù)

主洞下臺(tái)階、仰拱采用大功率SY475H挖掘機(jī)配液壓破碎錘進(jìn)行破碎,由于有上臺(tái)階臨空面,破碎錘可對下臺(tái)階、仰拱進(jìn)行豎向破碎(見圖10)。隧道下臺(tái)階及仰拱開挖深度4.2m,先開挖下臺(tái)階,再開挖仰拱,下臺(tái)階開挖高度2.2m,仰拱開挖高度2.0m。

圖10 隧道下臺(tái)階、仰拱開挖示意

液壓破碎錘機(jī)械相比懸臂式掘進(jìn)機(jī)小,屬通用機(jī)械,可采取增加破碎錘方式在下臺(tái)階布置多臺(tái)破碎錘同時(shí)作業(yè),提高破碎進(jìn)度。下臺(tái)階開挖高度2.0m,開挖寬度14.1m,開挖進(jìn)尺與上臺(tái)階保持一致(1.2m/1.6m)。開挖完成后立即進(jìn)行拱墻部位拱架接長。根據(jù)左洞下臺(tái)階液壓破碎錘開挖進(jìn)度統(tǒng)計(jì),在連續(xù)作業(yè)情況下,每循環(huán)開挖用時(shí)在12h左右,開挖進(jìn)度與掘進(jìn)機(jī)施工上臺(tái)階進(jìn)度相當(dāng)。

3.4 技術(shù)實(shí)施效果

懸臂式掘進(jìn)機(jī)與其他機(jī)械開挖方法組合開挖技術(shù)的研究及應(yīng)用,成功解決了隧道上、下臺(tái)階同時(shí)施工的難題,減少了專用設(shè)備及配套電力設(shè)施的投入,加快了隧道整體開挖進(jìn)度,采用此技術(shù),隧道主洞整體開挖進(jìn)度可達(dá)2m/d,施工效率滿足工程整體進(jìn)度要求。

4 結(jié)語

1)在中微風(fēng)化花崗巖地質(zhì)、隧道圍巖強(qiáng)度90～130MPa、最大圍巖強(qiáng)度140MPa情況下,通過對懸臂式掘進(jìn)機(jī)的技術(shù)提升與改造,大規(guī)模采用懸臂式掘進(jìn)機(jī)施工技術(shù),快速高效進(jìn)行硬巖隧道開挖,施工進(jìn)度指標(biāo)與控制爆破施工相當(dāng),有效解決了在環(huán)境敏感地區(qū)無法進(jìn)行爆破開挖的難題。

2)創(chuàng)新隧道開挖作業(yè)工藝,簡化開挖作業(yè)流程,開挖與出渣可同時(shí)進(jìn)行,開挖作業(yè)全部采用大型機(jī)械,作業(yè)效率高。

3)采用懸臂式掘進(jìn)機(jī)與液壓破碎錘組合隧道開挖技術(shù),隧道分部開挖時(shí),上臺(tái)階采用懸臂式掘進(jìn)機(jī)水平開挖掘進(jìn),下臺(tái)階采用液壓破碎錘利用上臺(tái)階形成的臨空面進(jìn)行豎向開挖破碎,2個(gè)甚至多個(gè)工作面平行作業(yè),加快了施工進(jìn)度,減少了大型設(shè)備投入,降低了施工成本。

4)機(jī)械開挖對圍巖擾動(dòng)小,有利于隧道圍巖穩(wěn)定及隧道施工安全和運(yùn)營安全;隧道開挖全部采用機(jī)械化作業(yè),施工作業(yè)人員大幅度減少,施工安全性大大提高,從根本上避免了隧道群傷事故的發(fā)生。

5 結(jié)語

通過在微波山隧道項(xiàng)目城市大斷面硬巖隧道中整隧采用懸臂式掘進(jìn)機(jī)開挖,起到了良好的示范效果,拓展了掘進(jìn)機(jī)適用場景,促進(jìn)了山嶺隧道施工機(jī)械化水平和技術(shù)的進(jìn)步,同時(shí)機(jī)械開挖綜合施工技術(shù)安全性好,質(zhì)量優(yōu),符合工程行業(yè)發(fā)展趨勢,可應(yīng)用在各類敏感區(qū)域(周邊環(huán)境復(fù)雜,對爆破振動(dòng)敏感區(qū)域)建設(shè)的隧道工程施工中,如城市內(nèi)鄰近、跨越、下穿既有地鐵隧道工程,鄰近既有管道、高壓線塔、敏感建筑物(古建筑、名勝古跡、軍事設(shè)施等)的各類隧道、管廊工程施工,推廣應(yīng)用前景廣闊。