石榴
中铁二十五局集团有限公司 广西壮族自治区柳州市 545000
摘 要：在国家大力推动城市轨道交通建设大环境下，城市地铁隧道工程建设与日俱增。而对于喀斯特地貌的特殊条件，具有岩溶较发育、围岩强度软弱等特点，采用传统的钻爆施工方法存在施工风险大、成本高、效率低问题，在受条件限制的复杂的城市环境已不能满足隧道施工安全和高效率的需求。随着国产悬臂掘进机的问世，地下隧道软弱围岩施工开挖技术得到进一步升级。本文通过案例实施，将传统钻爆法在特殊复杂环境中无法实施变更为悬臂掘进施工工艺，详细介绍悬臂掘进机在复杂环境城市地铁中暗挖隧道施工工艺及施工控制措施，可为类似工程提供参考。
关键词：悬臂掘进机 复杂环境 城市地铁 施工应用
1 项目背景及工程概况
某G市轨道交通1号线MP站～AY车站区间，间隧道整体埋深较浅，为保护施工周边建筑物、降低爆破震动对周边构建筑物的影响，保证构建筑物以及施工安全，加快施工进度，降低施工成本，经参建各方充分论证后采用悬臂掘进机施工方法。
1.1工程地质及水文地质情况
1.1.1隧道围岩及岩性
根据地质详勘报告及设计图纸资料显示隧道洞身主要位于中风化石灰岩中，本段中风化石灰岩强度、完整性差异较大，构造强烈，产状各异；岩溶发育，溶洞规模差异大，溶洞呈全充填状，充填物为硬塑状黏土夹风化岩碎块，局部石灰岩中夹中风化砂岩。区间隧道洞身和底板下岩溶发育，局部岩石较破碎。场区无河流或水塘，地表水不发育，地下水主要为岩溶水和裂隙水。
施工现场开挖过程中，大部分为较硬质灰岩，完整性一般，局部有软弱夹层。据地勘资料和现场施工揭露的地质，该区段范围地层围岩较差，偶有溶洞溶蚀情况，地下水发育，埋深10-11m，拱顶上覆土层厚7m，岩石层厚4m，设计为Ⅲ级围岩，为进一步掌握岩石强度，在施工现场取样送检进行了试验，试验结果如下。
岩石强度试验记录
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1.1.2周边环境
本区间下穿多处居民住宅，右线里程为K1+683～K1+874范围沿道路边侧10栋建筑物，其中1～4栋为线路下穿，5～10栋建筑物边缘距隧道轮廓线距离为2～8米，12、13栋距离隧道轮廓线分别为9.1米和10.1米，通过现场测量放线和对比设计图纸，此段区间隧道距离周边砖混房屋情况如下图表。
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图5 《爆破安全规程》中关于爆破振动安全允许标准
1.2.3施工工艺改变的必要性
（1）根据地勘资料和实际揭露的地层，该段隧道地层围岩差，溶洞多，地下水发育，埋深10-11m，拱顶上覆土层厚7m，岩石层厚4m，设计为Ⅲ级围岩，从目前施工情况看K1+870往小里程方向围岩与设计出入较大，为了确保施工安全和避免产生不安定因素，需在该区段增加超前支护或采取超前注浆措施加固。
（2）周边建筑及住户对爆破产生的震动极为敏感，即使爆破对房屋未有破坏可能性，住户有拆迁心理，产生无事生非的念头。
（3）DK1+683-860区段位于隧道上方的民房及构筑物未拆迁，依照规范规定，为确保房屋安全，该区段隧道施工时处于建筑房屋内的人员必须异地安置。
（4）周边房屋大多为后期扩建和加修的非规则结构房屋，结构抗震性能差。
（5）周边建筑住户有高龄、妇孺、高血压等重患病人，其极易受惊及其他诱发因素的情况。
（6）施工受民扰事件频发，要求停止爆破作业。
1.2.4掘进机施工工艺特点
（1）掘进机截割岩石属于物理法截割工艺，速度快，可实现掘进和运输同步作业，缩短建设工期，省去了挖机、装载机及爆破作业人员的投入，大大提高生产效率；
（2）开挖、支护的工序转换迅速，开挖后的围岩暴露时间短，降低施工风险；
（3）掘进机开挖掘进无震动，大大减小了对围岩的扰动，避免了对隧道上方及周边构/建筑物的影响，降低施工风险，减少了与当地民众的纠纷；
（4）减少超欠挖，缩短处理时间，节约施工材料，降低施工成本；
（5）掘进机的动力是电力、掘进机施工属于物理方法截割岩石，施工中无有毒有害气体的产生，节能、环保，符合节能环保型社会发展需求。
掘进机设备参数表
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2悬臂掘进机施工工艺及关键控制要点
2.1悬臂掘进机施工总体工艺概述
悬臂掘进机是集切割、装运、辅助支护、喷雾灭尘于一体的非爆破开挖掘进设备，该设备在隧道施工中具有非爆破、扰动小、对围岩损伤小、成形好、超欠挖易控制等特点。为杜绝爆破施工震动对周边构建筑物的影响，保证构建筑物以及施工安全，加快施工进度，采用悬臂掘进机开挖的施工方法。悬臂掘进机在液压、电控系统控制下，精确配合，协调一致，轻松灵活地完成掘进作业。
施工采用悬臂掘进机进行基面以上全断面开挖，设备就位后截割头采取自下而上、左右循环切削，同时掘进机通过传输装置将渣土传输至尾部自卸装渣车，自卸装渣车将岩石运输到竖井渣斗，通过门吊将渣提升至渣仓，之后按设计依次施做初支。掘进基面以上部分初支完成后，由随后跟进的履带式破碎机拦槽、破碎掘进机进行基面以下部分开挖，挖掘机挖装至自卸装渣车，自卸装渣车将岩石运输到竖井渣斗，通过门吊将渣提升至渣仓，之后按设计依次施做基面以下部分的初支。施工步序如下图示：
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图6 掘进机开挖、支护工作示意图
掘进机性能、参数及适用范围：
（1）新型切割机构，切割臂长，在本项目施工过程中，能满足全断面开挖，一次开挖成型。
（2）采用6.4寸彩屏，能够更加方便的实现数据人机交换。
（3）全新独立散热系统，实现掘进机无水工况连续作业。
（4）卷电缆系统，方便电缆放置及收放，节省人力。
（5）装运机构采用高强耐磨板，更好的适应硬岩工况，提高使用寿命。
（6）液压系统采用恒功率、负载敏感控制，节能环保，旁通过滤、高压过滤技术，保障机器运转可靠性，显著提高液压元器件使用寿命。
2.2施工工艺及控制要点
2.2.1施工准备
（1）配套设施准备
掘进机设备使用动力电压为1140V，通过架设特变及高压电800KVA箱变及匹配的防爆电缆作为掘进机的动力源。
（2）掘进施工人员、机械资源配置
掘进工班实行2班倒，掘进机配套操作人员实行每班6h轮班，配备掘进机、挖掘机、渣土运输车及相应操作人员，满足施工需要。
2.2.2施工测量
施工测量工作用以控制、指导后续工作的顺利进行，安装激光导向仪辅以隧道中线位置及开挖边线位置定位，用以控制隧道超欠挖。
激光导向仪安装在已施工完毕隧道初支的边墙上，安装完毕后要方便导向仪的调试和固定，同时导向仪的调试需要全站仪的配合。
2.3.3超前支护
因为悬壁掘进机为全断面开挖，工作进尺工作段为危险区，为确保施工安全，本区段采用超前小导管进行超前加固。超前导管采用Φ42钢管制作，小导管长3.5m，间距0.3m，小导管搭接长度大于1m斜向外侧10-20度外插角。
2.3.4掘进及支护
（1）施工方法
掘进机施工方法一：掏槽Ⅰ→扩挖断面Ⅱ→轮廓线扫边Ⅲ→清底Ⅳ，该方法适用于硬岩掘进中。
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图7 掘进机施工示意图
掘进机施工方法二：下部开挖、轮廓线扫边Ⅰ→中部开挖、轮廓线扫边Ⅱ→上部开挖、轮廓线扫边Ⅲ→清底Ⅳ，该方法适用于软岩掘进中。
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图8 掘进机施工示意图
根据岩石硬度定制合金截齿并使截齿螺旋线状排布，增强截齿的掘削能力，结合实际工况条件选择经济截割头据需更换，合理降低掘进难度和截齿损耗量。
（2）悬臂掘进机施工
在完成组装后，掘进机由隧道一头驶入，在掌子面进行切削掘进，由掘进机配套的传输系统将切割渣料装入运渣车，使隧道掘进过程实现机械化，施工时对围岩扰动小，避免对周围建、构筑物的振动。对于长大、控制性工程隧道，采用以悬臂掘进机连续开挖、门架式支护台车快速支护、皮带机连续出碴的较强配套模式。集成了超前钻机、拱架安装装置以及挂网作业平台等设备，具备超前小导管钻设、锁脚锚杆钻设、拱架安装、网片挂设功能，可减少现场作业人员人数和支护设备转换时间，可实现开挖、支护及出碴的连续作业，达到快速开挖和支护的目的。
（3）施工要求
循环之间不允许出现深坑或错台，要求接茬平顺、光滑；利用安装激光导向仪实现掘进机的落刀位置,先切槽后采垛，按照自下而上的顺序进行开挖切削；利用耙渣爪清理碴石，确保隧道学子面整洁畅通。
（4）掘进机开挖进度指标分析
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2.3.5初期支护背后注浆
初支施工时在拱墙范围内预埋Φ42mm的注浆管，间距1m×1m呈梅花型布置，采用水泥浆浆液注浆。为避免初支背出现空腔，初期支护闭合成环后，对初支背后进行压注水泥浆。
2.3.6掘进机出料及区间运输方式
悬臂掘进机通过切割头旋转切削，采用加高一运或二运的方式转载，把物料直接装入运渣车运出洞外。
区间隧道仅能满足单车道运输，根据以往区间施工经验，按照以下方法来组织无轨运输，降低运输的风险，确保施工进度及安全。
根据现场情况及施工特点，配备单洞2台自卸式出渣车，在洞身一侧设置人行通道；出渣运输车辆在装渣时必须控制装渣高度，车辆必须加设挡板，渣量禁止超出车厢顶面高度，避免在运输过程中出现散落、掉石现象。
2.3.7进洞管线布置与照明
洞内管线严格按照技术规范和安全规程要求布设。输电干线和动力线路与照明线路分开架设。电线的架设分两次进行，在进洞初期，先用橡套电缆设临时性电路，在成洞地段用橡皮绝缘线架设固定线路，换下来的电缆继续供工作面使用。施工电压1140V，常用工业电压不能满足要求，需要安装新变压器，工作面距离高压端近600m，高压电缆采用100mm2防爆高压电缆。
2.3.8掘进机组装进洞方案
由车站下井组装完成后由小里程端往大里程端掘进，在完成掘进67米后在K1+750由左线往右线增设宽6.5m，高5m联系通道，以便掘进机由左线至右线行进，提高效率。
2.3.9下穿构/建筑物处理措施
（1）依据周边环境，当区间隧道需要下穿构/建筑物时，需要提前加强监控量测，利用数据指导施工。
（2）做好超前支护，加强初期支护，仰拱及二次衬砌依据监控数据及时施做；
（3）隧道下穿构/建筑物前，要提前对周边构/建筑物进行调查、取证，施工期间定期对周边构/建筑物进行复查，对出现问题的地段，要及时调整支护参数，加强构/建筑物的加固；
（4）隧道下穿构/建筑物期间，出现监控数据或构/建筑物出现倾斜、裂缝、变形时，要及时通知建设、监理、设计、地勘等单位，召开现场会议，研究决定措施。
3结语
某G市轨道交通1号线第四工作段采用掘进机开挖施工，安全、优质、快速、有序地完成了区间下穿某小区的掘进施工，取得了良好的经济效益、社会效益及技术效益，获得了业主及监理单位多次好评。
采用悬臂掘进机施工具有施工进度快、安全系数大特点，并且此施工工艺不受施工时间的限制，施工噪音小，减少了对周边居民正常生活的侵扰。同时掘进机经改进后集成立拱架及挂网支护平台，优化喷雾除尘效果，洞内空气环境更好，增设辅助除尘设备，增加作业高度可实现全断面开挖，改进刮板设计可实现捡底作业一次成型，增大功率及加强重型、特重型设备研制提高施工功效等。可为类似隧道施工提供可借鉴的思路和经验，表现出了较好的参考性及良好的推广应用前景，可以直接推广应用于城市地铁的施工之中；同时可扩大试验领域和范围，结合项目实际情况，合理选用。
参考文献
《建筑基坑支护技术规程》（JGJ120-2012）
《地下铁道工程施工质量验收标准》（GB/T50299-2018）
《爆破安全规程》(GB 6722-2014)
《起重机械安全规程》（GB 6067.1-2015）