徐光泽
中铁开发投资集团有限公司 重庆市 渝北区 401120
摘要：悬臂掘进机作为煤矿采掘设备，在近年交通隧道施工机械化大力发展的背景下，得到了大力发展。本文主要介绍了悬臂掘进机在重庆轨道交通4号线二期鱼嘴站施工中的应用，主要包括非爆开挖方式的选择，以及新型开挖方式在地铁隧道中的应用，并针对施工提出的开挖方案进行阐述，旨在扩大此类开挖方式在隧道施工中的应用。如何进一步提高隧道施工在安全、优质、高效、环保等方面的能力和水平，将是未来隧道设计施工研究的重点。
关键词：隧道；轨道交通；开挖；非爆；悬臂掘进机
1.引言
在修建城市地铁工程中，暗挖隧道很多采用钻爆法施工，但是在城市中，钻爆法施工存在噪音大、振动大的问题，且地铁暗挖隧道普遍埋深较浅，对市民的生活有较大的影响，采用钻爆法难以解决。
2. 工程概况
新建重庆轨道交通四号线二期工程(唐家沱~石船段)线路主要位于江北区和两江新区龙盛片区，串连了唐家沱组团、鱼复工业园和龙兴工业园。4号线二期线路全长约32.8km，地下段长约21.25km，高架段长约11.45km，过渡段105m，全线共设14座车站，平均站间距约2.3km，其中，高架站4座，地下站10座，设石船车辆段一座位于终点站石船站东北侧。
其中鱼嘴站为本线第3座车站，为暗挖12米岛式站台车站，全长215米。车站于西南至东北方向斜穿和熙路及两江大道，布置于和熙路及两江大道十字路口下方。车站采用12m岛式站台，单拱双层结构，采用复合式衬砌结构。车站开挖宽度23.48m，开挖高度19.67m，车站拱顶埋深9.57m~20.56m，车站隧道穿越的岩层主要为中风化砂岩及砂质泥岩，属于浅埋~超浅埋隧道。
隧道支护体系结构均为复合式衬砌，即以锚杆、喷射砼、钢拱架等为初期支护，二次衬砌采用模筑钢筋砼，并在两次衬砌之间敷设土工布及防水板。洞身段围岩主要是Ⅳ、Ⅴ级围岩，车站隧道按新奥法原理设计，V级围岩段采用侧壁导坑三台阶法，采用非爆破开挖；Ⅳ级围岩段采用台阶法施工，均采用非爆破开挖，采用动态设计及信息化施工。
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3. 工程特点
3.1工程地质复杂，安全风险高
鱼嘴站均为浅埋段（埋深9.57m~20.56m），覆土层为杂填土，软弱土层，厚度不均匀，承载力较低，开挖断面尺寸较大，开挖后围岩自稳能力弱，对成洞条件影响较大，安全风险高。
3.2 施工组织困难，工期压力大
隧道均位于城区，周边居民密集，商业繁华，交通流量大，拆迁繁杂，出入口管网密布，前期施工组织复杂，环境保护要求高，工期压力大。
4. 隧道开挖方式对比及选择
目前隧道的主要施工方式可以分为两大类：一是矿山法，另一类是盾构法。盾构法施工主要采用盾构机施工，开挖断面固定且断面较小，适合长距离隧道等大型工程施工。矿山法主要包括钻爆法和非爆法两种开挖方式，钻爆法开挖尺寸超挖不受控，适用于深埋隧道，本工程主要位于城市下方，且埋深较浅，采用爆破施工风险较高；非爆开挖其安全可控、对围岩扰动小、开挖尺寸易控。爆破、盾构、悬臂掘进机隧道施工优劣势对比表如表1所示。
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根据以上所述，结合本工程实际，对隧道开挖方式进行了比选，由于非爆施工仅有悬臂掘进机能满足工期要求。因此本工程开挖从开挖的成本、生产安装、场地、施工条件等方面综合分析，在控制爆破和悬臂掘进机中进一步比选而得：爆破时容易产生较大的震动及冲击波，对附近的建筑造成损坏，周边复杂环境不具备爆破施工条件；而隧道悬臂掘进机是一种集截割、行走、装运、喷雾灭尘等多功能为一体的高效联合作业机械。工作时，安装在悬臂上的截割头上下左右摆动，能截割任意形状的隧道断面，悬臂掘进机具有机械化程度高、对围岩扰动小、超欠挖容易控制等特点，经反复论证，最终方案确定为悬臂掘进机开挖方式。
为此，标段项目部在隧道不同地质工程施工过程中，根据地质情况及设计情况，对悬臂掘进机大小进行选型，确定了悬臂式掘进机型号CTR300A、CTR323。根据鱼嘴站及前期施工的干鱼区间隧道断面尺寸及机型尺寸，结合工筹安排，选择了2台CTR300A和1台CTR323型共3台悬臂掘进机对鱼嘴站及站前区间进行施工。具体参数如下：
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图4.1 掘进机参数
5.工程施工
5.1施工准备
因掘进机采用1140V高压，一台掘进机需架设一台特变（其输出电压为1140V），准备高压1000KVA箱变及准备相应长度电缆（从箱变至掘进工作处）、风、水管、配套挖掘机及运输车出渣，该准备工作为隧道掘进机施工的前提。
5.2 悬臂掘进机施工人员、机械配置
为保证隧道24小时不间断施工，掘进工班实行两班制，每台板隧道掘进机配套施工人员每班6小时轮流上班，具体人员、机械配置如下：人员配置每班13人，其中包括掘进机操作手1人，配合1人，掌子面观察1人，清理渣土2人，电缆转运2人，维修工人1人，电工1人，焊工1人，挖掘机操作手1人，渣土车司机2人，协调指挥1人；机械配置3台，其中掘进机1台，挖掘机1台，渣土运输车2辆。
5.3悬臂式掘进机切割方式
悬臂掘进机就位后，开始从掌子面底部水平割出一条槽，向前移动掘进机再一次就位，就位后切割头采取自上而下，左右循环切削。在切削同时铲板部耙爪将切削下来的渣装入第一运输机，第一运输机转运至第二运输机，第二运输机直接装入出渣车运出洞外。从底部开挖到拱部完成后，进行第二次修整到准确设计断面。当局部遇有硬岩时（≥100MPa），可先掘进周边软岩，使大块硬岩坠落，采取改炮方式另行处理，以降低掘进难度及截齿消耗量。
悬臂掘进机的切割方式是从扫底开始切割，再按S型或Z型左右循环向上的切割路线逐级切割以上部分。
选用右旋截割头截割硬岩，先由右向左从扫底开始截割，再按从左至右、自下往上的方式或从右往左、自上而下逐步进行切割。如遇节理发育较高岩石，则应选择岩石节理方向逐步切割。如下图所示：
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掘进机切割方式示意图
针对不同硬岩的岩石可制定不同的截齿，科学合理的截齿螺纹线排布，确保机器有更好的掘削能力，并具有自洁功能，可根据实际工况条件选择最佳截割头，提高施工效率。当局部再有硬岩时，可以选用小直径切割头，切割力大，破岩能力强，以降低掘进难度及截齿消耗量。
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5.4悬臂掘进机施工方案
根据车站特大断面开挖尺寸，结合悬臂掘进机工作特性，鱼嘴站先以悬臂掘进机快速进行上断面双侧壁导坑开挖打开临空面，再通过优化开挖步序，创造更多施工工作面，为中下台阶开挖创造条件。仰拱部分采用挖掘机开挖，整个隧道开挖时实现全机械开挖，不仅对围岩扰动小，也避免对周围建筑物的影响。
掘进机施工时掘进机先驶入隧道一头，利用切割部在隧道掌子面进行切削掘进，切削下来的渣土直接由“第一运输机”输送至掘进机后方，再用挖掘机装入运渣车运至临时堆放点，掘进完成后利用掘进机切割头将初支台车运至掌子面进行初期支护（钢拱架架设、喷射砼）施做，掘进机则后退至不影响后续施工的位置等待下一循环掘进工序。施工方式如下图所示：
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掘进机掘进施工示意图
开挖断面尺寸确定：工程实施前，需根据不同断面尺寸对设备进行选型，以便最大限度利用设备一次成型断面。但由于地铁施工距离短、断面形式多样，需在不同断面采用不同开挖工法，例如，通过实践总结CTR300型悬臂掘进机最高效最大截割高度为6.5m，如设计断面大于该高度过多（0.5m以上），需分台阶开挖，如大于高度在0.5m以内，可在开挖仰拱前进行欠挖处理。开挖宽度需在保证设备能进出宽度上适当放大，一般需大于设备宽度0.5～1.0m。
悬臂式掘进机在隧道施工中围岩扰动小，适应能力强，开挖质量高，洞室开挖断面圆顺度高，便于喷砼支护，缩短工期，安全有保障。
5.5特殊地段施工方案
（1）鱼嘴站施工支通道线路调整及主通道加宽段设置：鱼嘴站施工通道支通道原设计为与施工主通道和2号出入口垂直相交，为满足悬臂掘进机在开挖支通道与主通道及出入口接口处施工（机身工作长度）的需求，对设计图纸优化缓和线路，并在施工主通道接支通道部位前设置一段25m加宽段，其作用除了满足悬臂掘进机进退会车，还可有效减少接口处因机械转弯而不可避免造成的扩挖超挖，减少喷射砼消耗。
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优化施工通道设置前后对比
（2）鱼嘴站施工通道挑顶段转车站多导洞开挖方案优化：鱼嘴站施工主通道设计与车站垂直相接，在挑顶段施工完成后，转入车站多导洞开挖，尤其是开挖首个导洞时，无法满足悬臂掘进机转弯需求，在考虑到接车站接口段为重要施工节点，不得对接口随意扩挖超挖及线路调整的情况下，通过开展分析会，采用实体建模模拟掘进路线等作出了一套优化掘进方案，未对设计以外的地质岩层做任何的扩挖且满足悬臂掘进机对各个导洞的掘进需求，达到上台阶导洞快速掘进的施工条件，有效减少超挖超耗。
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（3）鱼嘴站小里程97m段设计采用侧壁导坑台阶法开挖，根据开挖步序，将两侧导坑初支落底后进行上部核心土开挖。面临上台阶中部核心土施工高度过高、施工困难，且采用悬臂掘进机进行非爆施工，设备出入困难、边坡易失稳及容易陷机等风险。
为保证现场施工安全及满足施工掘进需求，进行了优化方案如下，满足了施工需求。
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5.6悬臂掘进机施工特点及优缺点
5.6.1 悬臂掘进机铣挖法施工特点
（1）悬臂掘进机的型号不同可以适用于不同硬度的地层。
（2）减少震动，保护环境：震动小、噪声低，对保护环境影响较小。
（3）控制精确的开挖面：对于构造物的轮廓，可以快速而准确的修整完毕，超欠挖问题可以完美的解决，造价也随之降低。
（4）铣挖下来的石块均匀，可以直接用做回填料。
（5）结构简单，使用方便：无需额外购买挖掘机。
5.6.2 悬臂式掘进机施工优点
（1）安全性方面：当使用悬臂掘进机进行施工时，一方面隧道施工的机械化程度及配套施工技术有所提高，另一方面，能够降低隧道内的施工风险。在悬臂掘进机进行截割的过程中，采用切削方式进行掘进，震动较小，对围岩的扰动极小，保持围岩的稳定。悬臂掘进机的开挖效率高，能够及时的施做支护，这样开挖面的临空时间会大大的减小；采用机械开挖代替人工凿岩或破碎，施工人员距离掌子面较远，施工人员可以避免施工过程中掉落的块石、塌方等安全风险，隧道施工的安全性会有所提高。
（2）保证质量方面：悬臂掘进机开挖隧道时，遇到下穿建筑物、桥梁等工程的时候，对其扰动小，可以顺利的穿过，提高安全指数，保证隧道的开挖质量，并且断面较为平滑，便于喷砼支护，同时初期支护的质量也会大大提高。
（3）施工进度方面：悬臂掘进机施工过程中，截割、装碴、转运和自行于一身，这些过程同步进行，大大提高施工进度；在部分地层，采用其他冷开挖方式与悬臂式掘进机开挖进行进度对比，可以得到悬臂掘进机的施工进度明显优于其他冷开挖方式。悬臂式掘进机在施工过程中，一旦遇到不利情况，可以随时调整施工方案，对施工进度没有很大的影响。由于经过悬臂式掘进机开挖的隧道断面比较平整，喷射砼可节省大量时间，施工进度也会随之提高。
5.6.3 悬臂式掘进机施工缺点
（1）由于悬臂掘进机的切割头较长，在每次掘进施工的过程中，掌子面前方需要预留约 0.8m 的开挖面，这样可以防止损坏已做好的初支，现已与生产商联系改进悬臂掘进机的设备，通过设计尺寸较小的掘进机切割头以减少临空面尺寸，在不适合悬臂掘进机施工的部分采用挖掘机来进行施工以减少临空面。
（2）由于地铁隧道区间断面面积较小，而悬臂掘进机的尺寸相对较大，开挖过后，台车没有办法正常通过，如果开始施做衬砌支护的话，悬臂掘进机将只能单方向施工。
（3）悬臂掘进机施工过程中，会产生大量的粉尘，虽然通过采取措施通风除尘效果有很大改善，但对于特大断面隧道除尘效果不明显。
6.取得的成效
6.1安全方面
由于悬臂掘进机施工是铣挖法的主要方式，通过前端可摆动的悬臂式旋转钻头将围岩切割破碎, 其截割臂可以上下、左右自由摆动，能切割任意形状的隧道断面，再由下部扒碴铲板和机身中部的传输链将破碎岩石和碴土传输至机身尾部来实现向前掘进。悬臂式掘进机集开挖、装碴和自动行走于一身，进退自如，操作灵活，对复杂地质适应性强，便于支护，可以适应中、软岩隧道不同的施工方法。
目前鱼嘴站主体开挖支护已进入收尾，车站主体结构施工已陆续开展，基本已渡过了开挖阶段风险。根据目前监测情况及实施情况反映，采用悬臂掘进机施工，开挖成型好，对围岩扰动小，后期变形小，施工安全性高。在开挖支护阶段实现了“零投诉”。
6.2工效方面
通过统计分析，悬臂掘进机开挖掘进40㎡断面面积，Ⅳ级~Ⅴ级围岩的隧道进尺可达59.6m/月。对比传统非爆开挖，如履带式破碎机或水磨钻，根据经验所得，开挖同等面积、同类岩层的单导洞，平均每天进尺约0.5m，月进尺为13m，不及悬臂掘进机工效的1/4。
6.3成本方面
对近几年所施工的隧道进行超欠挖的统计，施工单位往往对超欠挖重视不够，很容易超出了标准要求，结果给隧道施工的综合效益带来很大的影响。采用悬臂掘进机进行隧道开挖，其开挖轮廓面圆顺，线性顺直，满足设计开挖轮廓断面要求，同时土石方超挖及喷射混凝土的超挖消耗得到了有效控制。
6.4社会效益
在提高隧道开挖安全，保证断面成型质量，工期可控等方面，悬臂掘进机成功运用于鱼嘴站的非爆开挖，外部单位多次组织到现场观摩学习，获得了市建委、地方政府的一致好评，赢得了政府的信任，展现了企业良好形象。
7.结束语
通过重庆轨道交通4号线二期鱼嘴站工程开挖施工中不断探索实践，选用合适型号的掘进机，采取对开挖断面、台阶高度、台阶步距、开挖顺序、拱架节点划分等进行合理优化等措施，在控制超欠挖、提高开挖安全质量和开挖效率方面取得了良好的效果。在城市地铁隧道施工中，悬臂式掘进机以其技术先进、效率较高、适用性广等优点，将会在越来越多的城市得到推广和应用。
参考文献
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