適用于淺埋硬巖地鐵隧道的水磨鉆開挖臺車設計及應用

黃旭 李棟

摘 要：本文研發了一款適用于淺埋硬巖地鐵隧道的水磨鉆開挖臺車，探討其工作原理，分析其技術特點，并將該裝備應用于重慶地鐵六號線。應用結果表明：采用新裝備，鉆進效率提升了60%，鉆進時間節省了30%～50%。本文的研究成果可為類似的淺埋硬巖地鐵隧道施工提供借鑒。

關鍵詞：淺埋硬巖地鐵隧道；水磨鉆開挖臺車；設計

中圖分類號：U231.3；U455.4 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2018）22-0104-02

Design and Application of Water Proof Drilling and Trolley for

Shallow Buried Hard Rock Subway Tunnel

HUANG Xu1 LI Dong2

（1.Chongqing Changbo Parking Industry Development Co.， Ltd.，Chongqing 400000；

2. Chongqing Energy Investment Group Technology Co.，Ltd.， Chongqing 400060）

Abstract： A water grinding drill for shallow buried hard rock subway tunnel was developed， its working principle was discussed， its technical characteristics were analyzed， and the equipment was applied to line six of Chongqing Metro. The application results showed that the drilling efficiency was increased by 60% and the drilling time was saved by 30% to 50% with the new equipment. The research results in this paper can provide reference for similar shallow hard rock subway tunnel construction.

Keywords： shallow buried hard rock subway tunnel；water mill drilling trolley；design

為保證隧道在近距離下穿構筑物和建筑物的安全，必須嚴格控制爆破震動。一般的爆破震動控制技術，也只能是最大限度地降低爆破震動，且振速控制波動性較大[1]。在地表建筑物林立的城市密集居住區、在下穿地表抗震等級低的構筑物困難地段、或不允許產生爆破震動的地段，非爆破開挖往往成為一種不得不選用的手段。在現有技術中，常采用破碎錘挖機進行非爆破開挖。破碎錘挖機作業時，產生的噪聲大、揚塵重，隧道開挖斷面常存在超挖、欠挖，開挖斷面不平整，影響后期拱架及網片安裝，且施工效率非常低，成本高，作業過程中也會對周邊地質產生擾動。本文首先分析淺埋硬巖隧道傳統開挖工藝存在的問題，然后探討新型開挖臺車的工作原理及可行性，研發水磨鉆開挖臺車，優化其結構，分析其技術特點，并在重慶軌道九號線江五區間進行工程應用。

1 傳統開挖工藝

1.1 傳統機械開挖工藝

傳統機械開挖工藝主要是采用破碎錘挖機進行開挖。此方式施工過程中噪聲大，揚塵重，施工效率低，成本高，需采用大型機械設備，對周邊地質有擾動，隧道開挖斷面存在超挖、欠挖等問題，且開挖斷面不平整，影響后期拱架及網片安裝。

1.2 鉆爆開挖工藝

采用鉆爆法進行隧道開挖，人員設備投入大，需要采用的雷管及炸藥保存要求高，超挖和欠挖難以控制，對周邊地質擾動嚴重。此外，開挖后隧道頂部周圍存在零落碎石，造成安全風險，且開挖斷面不平整，影響后期拱架及網片安裝。

2 水磨鉆開挖臺車研發

2.1 水磨鉆開挖臺車的工作原理

水磨鉆開挖臺車的工作原理為：①根據設計隧道斷面大小制作水磨鉆臺車水磨鉆滑軌；②使用水磨鉆沿開挖區域周邊以相割圓方式按水平方向施鉆取芯，在周邊形成連續槽道，成型開挖輪廓；③在隧道斷面按設計要求成排打孔，打孔完成后采用液壓霹裂機進行劈裂；④用液壓劈裂機自上向下進行分裂開挖巖體，人工清除劈裂巖體。

2.2 水磨鉆開挖臺車組成

水磨鉆開挖臺車主要由臺車架、拱門架、支撐架、水磨鉆和驅動系統等組成，如圖1所示。

水磨鉆開挖臺車包括滑動支承于施工區域地面上的臺車架，臺車架上安裝有多臺水磨鉆，多臺水磨鉆沿隧道開挖輪廓線依次間隔布置，水磨鉆鉆頭沿隧道掘進方向延伸。

驅動系統包括動作機構、驅動動作機構和多臺水磨鉆分別動作的控制箱；多臺水磨鉆分別與控制箱相連，以在控制箱的驅動下同時沿隧道掘進方向移動以施鉆取芯；多臺水磨鉆還分別與動作機構相連，以在動作機構的驅動下同時沿開挖輪廓線間歇移動，以在開挖輪廓線的周邊形成連續槽道。

臺車架包括呈拱門狀的拱門架，拱門架的剖面形狀與開挖輪廓線相似，且拱門架寬度方向為隧道的掘進方向；多臺水磨鉆沿拱門架的外周緣依次間隔布置于拱門架的外表面，且各水磨鉆鉆頭沿拱門架的寬度方向延伸。

動作機構包括用于分別安裝多臺水磨鉆的多根安裝滑軌，各安裝滑軌沿隧道掘進方向延伸，且各安裝滑軌的兩端分別固定在端部對應的拱形門上；各水磨鉆滑動連接于對應設置的安裝滑軌上，且水磨鉆在控制箱的作用下沿對應設置的安裝滑軌滑動。

支撐架包括水平設置的作業平臺，其下方連接有多排豎直設置的支柱，多排支柱沿開挖臺車的移動方向相對布置，各排支柱的底端連接有滑條，臺車架通過兩根滑條滑動支撐于施工區域的地面上。

2.3 水磨鉆開挖臺車技術的特點

第一，開挖臺車的多臺水磨鉆在驅動系統作用下同時動作，以在開挖輪廓線的周邊形成連續槽道，不僅可提高施工效率及施工質量，而且自動化程度高，能減少操作各水磨鉆動作所需的操作人員，進而降低施工成本。

第二，多臺水磨鉆首先在開挖輪廓線的周邊形成連續的槽道，然后再采用液壓劈裂機對由水磨鉆剝離出的巖體進行劈裂的施工方式。與利用破碎錘挖機對隧道斷面進行鑿除的施工方式相比，其施工過程中產生的噪聲小、揚塵輕，對周邊地質擾動小，適合距離較短、巖層堅硬、城市密集居住區、爆破震動控制嚴格等小斷面隧道工程的開挖施工，不會產生有毒氣體和其他有害廢棄物，使作業環境明顯改善。

第三，多臺水磨鉆在驅動系統作用下可在開挖輪廓線的周邊形成連續的槽道，以備后續采用液壓劈裂機對剝離出的巖體進行劈裂，且由于多臺水磨鉆沿開挖輪廓線依次間隔布置，故而開挖出的連續槽道不會出現超挖、欠挖等問題，且開挖斷面平整，便于后期拱架及網片的安裝。

第四，臺車架滑動支承于施工區域的地面上，從而通過驅動設備如牽引車、托車或推車等驅動臺車架，即可將開挖臺車托移至所需位置，操作簡單、易于學習、便于推廣。

3 水磨鉆開挖臺車在實際工程中的應用

3.1 施工工藝

采用水磨鉆開挖臺車進行施工的流程為：施工準備→確定機械開挖斷面→測量放線、確定開挖輪廓線→固定水磨鉆開挖臺車→水磨鉆沿滑軌方向以圓相切的方式進行巖層取芯→在隧道斷面水平方向布孔→采用液壓劈裂自上往下分裂開挖巖體→機械配合人工清理劈裂巖層并出渣。

3.2 工程應用

研發的水磨鉆開挖臺車首次應用于重慶軌道九號線江五區間，區間隧道與已運營的軌道線路距離采用非爆施工。據地質調查結果可知，該區間隧道工程地質圍巖主要呈中厚水平層狀結構，以砂巖和泥質砂巖為主，飽和狀態下圍巖單軸抗壓強度均在40MPa以上，工期緊張。

與常規水磨鉆開挖相比，采用水磨鉆臺架開挖，進尺可達0.8m，提升60%。以每循環100個鉆孔為例，在砂質泥巖和砂巖中完成每循環分別用時3h和5h，分別節省50%和30%的時間。

本文主要研發了一款適用于淺埋硬巖地鐵隧道的水磨鉆開挖臺車，探討其工作原理和技術特點，并將該裝備應用于重慶地鐵六號線。應用結果表明：采用新裝備，鉆進效率提升60%，鉆進時間節省30%～50%。

參考文獻：

[1]楊年華，劉慧.近距離爆破引起的隧道周邊振動場[J].工程爆破，2000（2）：6-10.