銑挖機在硬質泥巖區間隧道中的應用

李占林 劉 瑩 郜 念

中鐵隆工程集團有限公司，四川成都 610045

1 工程簡介

1.1 工程概況

成都地鐵某區間隧道，沿成洛路路中由西向東敷設，線路從成綿樂鐵路下穿過，需在客運專線進行精準調試前完成該區間隧道施工，因此利用風井作為施工豎井，風道作為施工橫通道，提前進行該下穿段區間隧道的施工，后期盾構采用空推穿越該段區間隧道。

1.2 設計概況

中間風井結構尺寸為矩形結構，其中，風井結構設計為地下五層框架結構，風亭采用地下一層結構為敞開式低矮風亭，均采用明挖法施工，圍護結構采用樁撐體系，中間風井主體部分兼顧施工豎井，風井風道作為施工區間正線的橫通道，橫通道斷面為門洞形，總長度43.43m，洞室分A、B兩個斷面形式，其中，A型號洞室長26.72m、開挖高度12.379m、開挖寬度6.6m，三臺階法施工；B型洞室長16.71m、開挖高度高10.574m、開挖寬度6.6m，兩臺階法施工。

下穿客運專線段區間隧道左、右線長度為51m，隧道斷面近似為圓形結構，內凈高為8.1m，內凈寬為8m，采用臺階法施工。支護參數：間距0.5mⅠ22a鋼拱架，300mm厚C25早強噴射混凝土，二襯采用500mm厚C40/P12鋼筋混凝土，超前支護采用自進式錨桿。

1.3 水文地質

根據區間地質初勘資料顯示，中間風井占位地質情況分別如下：表層主要為人工填土，由粘性土、磚塊、混凝土碎塊、卵石等建筑垃圾組成。施工現場對圍巖進行抗壓試驗取樣：（1）基坑內原地面下-17m，抗壓強度3.0MPa,主要以泥質粉砂巖、泥巖為主，風化強烈，裂隙發育；（2）基坑內原地面下-21～-22m，抗壓強度8.8MPa；（3）基坑內原地面下-22～-23m，抗壓強度11.8MPa；（4）基坑內原地面下-23～-24m，抗壓強度15.3MPa；（2）（3）（4）層都是中等風化泥巖, 風化裂隙較發育，隨基坑深度巖層硬度逐漸變大。

該工程范圍內地下水主要有三種類型：一是賦存于黏土層之上的上層滯水；二是賦存于黏土、卵石土中的孔隙水，該層卵石主要由黏粒充填，工點范圍內卵石土層滲透系數k取1.5m/d；三是基巖裂隙水。

2 銑挖機的選型及應用

2.1 銑挖機的選型

區間隧道需在成綿樂客運專線聯調聯試前完成該段二次襯砌結構施工，并且沉降控制在2.5mm以內，考慮距離在建成綿樂客運專線包括成洛大道下穿隧道等地面沉降控制的特殊性，需采用非爆破開挖方式進行施工，結合本工程工程地質以及結構設計情況，對非爆破開挖施工常見的集中開挖方式進行對比，橫通道以及區間隧道總長分別為43m和單線50m，線路較短且考慮施工工期原因不適合采用大型設備，諸如TBM、盾構機等，而非鉆爆法中又分為TBM法、銑挖法以及單臂掘進機開挖法等,銑挖法是將銑挖機安裝在液壓挖掘機上，應用于隧道開挖以及修整輪廓、洞室、橫洞開挖等，在不宜爆破施工的地段特別適用，同時結合隧道結構尺寸和機械設備效率和成本分析，且銑挖機具有如下顯著特點：

（1）銑挖范圍廣：不同型號的銑挖機可適應不同硬度的地層，無鋼筋或有少量鋼筋的混凝土也可銑挖；

（2）減少振動，保護環境：可替代爆破施工，低振動、低噪音,可較好地保護環境；

（3）開挖面控制精確：可較好解決超欠挖問題，準確地修整開挖輪廓，有利于降低造價；

（4）安全性好：使用銑挖機可替代人工在軟巖或破碎巖層中掘進，使施工人員離開掌子面，降低了前方施工人員在開挖時遇到的掉塊、坍塌等危險，隧道施工的安全性得到提高；

（5）結構簡單、使用方便、價格相對低廉：無需特殊的配套設備，可安裝在任何一臺既有的挖掘機上，該設備與隧道掘進和盾構等機械相比，價格低廉。

區間隧道斷面直徑僅為8m，大型挖掘機設備較難進行作業，綜合對比分析該工程可采用銑挖法以及中小型挖掘機破碎開挖進行，通過對市場的調查和了解，選擇艾卡特銑挖設備進行區間隧道的開挖。艾卡特銑挖機有兩種基本類型：橫向銑挖機和縱向銑挖機；分別可以裝配在2～350t和3～45t的挖掘機上。

按照結構尺寸結合機械設備的操作空間要求，隧道內使用機械設備僅能采用中小型挖掘機進行施工。按照橫通道和正線隧道所處地層為中風化泥巖層，該層的巖層裂隙較為發育，層厚約40cm作業，呈水平走向分布，天然抗壓強度一般為5.0～15MPa，局部較高達23.6Mpa，圍巖風化裂隙較發育，且間裂隙水較豐富。結合艾卡特各個型號銑挖機在不同巖層硬度的作業功效進行分析。

結合隧道作業環境，綜合了機械設備性能，選擇ER250型標準橫向銑挖機進行隧道施工的開挖作業，采用的銑挖法是在卡特312D液壓挖掘機上，液壓破碎錘或液壓鉗的液壓回路用于安裝ER250銑挖機，利用銑挖機的銑挖頭高速旋轉切削巖石，人工配合修整開挖輪廓線以滿足設計要求，可以有效減少開挖對圍巖的擾動，控制超欠挖，提高開挖質量和安全性，降低操作人員的勞動強度。

2.2 銑挖機的應用

按照風井基坑以及橫通道和區間正線施工方案，挖掘機上將銑挖機組裝完成后進行施工。銑挖機施工工藝流程如圖1所示。

首先在中間風井基坑開挖以及隧道內開挖進行應用，主要的運用包括風井基坑銑挖、隧道內銑挖包括隧道內銑削隧道輪廓進行欠挖修整、剝離隧道拱部挖掘機破碎后的突出松動的圍巖，基坑開挖階段橫通道馬頭門施工階段。

在中間風井開挖階段主要施工功效較低，在中風化泥巖層中，巖層抗壓強度局部達到15.3Mpa的情況下，銑挖機工作效率約為3～5m3/h，較挖掘機破碎錘施工功效19m3/h功效降低，在區間正線施工過程中根據施工現場地層條件以及設備作業空間要求，對隧道開挖方案進行調整；隧道中同樣存在功效降低的情況，較破碎錘施工功效較低，同時隧道內泥巖裂隙水較為發育，基巖滲水較大，銑挖機在銑挖過程中將泥巖粉碎，施工過程中產生較多的粉塵，隧道作業環境差，同時銑挖后的泥巖顆粒小遇水后形成泥漿容易黏住銑挖頭，影響后期施工作業功效；施工過程中需隨時對銑挖頭進行清理，但清理后施工現場開挖完成的泥巖將形成泥漿，進一步影響洞內文明施工和渣土的外運。

圖1 銑挖施工工藝流程

3 應用總結

在圍巖Ⅳ、Ⅴ條件下的隧道開挖中，與鉆爆法相比，使用銑挖機開挖隧道具有以下優點：

（1）減少對圍巖的擾動，避免由于爆破振動而造成的巖石強度降低，巖石結構松動，巖石結構局部破裂等不利情況；

（2）有利于保護巖體原有的自承能力，不易造成大面積變形及局部坍塌；

（3）適應性強，任何形狀和尺寸的斷面都可以開挖；

（4）可選擇的銑挖機快速換裝系統，能在30s之內完成挖斗與銑挖機的更換，突破以鉆孔爆破的循環施工方式，實現連續作業；

（5）利用銑挖機開挖隧道便于控制超欠挖，實現隧道輪廓的精確成型，特別是隧道局部欠挖處理、仰拱施工時，銑挖機具有更簡便、經濟、快速、精確的優點。

4 結語

在城市地鐵區間隧道施工中，銑挖機能夠適應不同強度硬質圍巖的切削和開挖；相較于鉆爆法，對圍巖的擾動較小，安全性較高，開挖輪廓控制精準度高，能有效控制超欠挖，特別是下穿既有建構筑物和對沉降控制極為嚴格的區域，適用于禁爆區地下隧道的開挖，但針對圍巖裂隙水較為發育的地層，銑挖機的運用較為受限，因此在該區域硬質泥巖區間隧道中應用效果不理想。