掘進機在城市隧道開挖中的應用

王亞林

摘要：城市中的穿山隧道，由于地處市中心或邊緣郊區，建筑物或生活人群較多，采用傳統的鉆爆法施工，安全壓力較大，且受爆破品配送頻次限制，影響了爆破開挖的循環周期；采用挖掘機等直接鑿除方式進行開挖，由于掌子面空間有限，同時圍巖堅硬，穩定性好，受挖掘機自身動力影響，破碎進度緩慢，因此掘進機的出現解決了這一難題。北京市中低速磁浮交通示范線石景山隧道開挖采用EBZ320單臂式掘進機進行開挖，該設備通過自身的強大動力解決了傳統挖掘機開挖的動力不足問題，同時由于開挖過程中振動小，對周圍環境影響大大減少，只需提供水、電即可施工，不受爆破品配送頻次影響。本文通過對掘進機的性能介紹、開挖工藝以及與傳統開挖方式的比較，通過實例總結掘進機開挖施工的特點，為以后施工積累經驗。

關鍵詞：掘進機開挖；施工工藝；開挖方式比選；注意事項；

1 工程概況

石景山隧道工程屬北京市S1線四道橋—金安橋站區間，位于北京市石景山區首鋼廠區內，所處地貌屬低山丘陵地貌。隧道穿越石景山體，進口位于石景山體西側，坡腳即為既有豐沙鐵路，受豐沙鐵路建設影響，該處坡面較陡。北側為石景山區京能熱電廠，南側距離石景山功勛閣約110m。

隧道暗挖段巖體主要為全風化、中風化的石英砂巖，硬度范圍25-62.3MPa。

隧道全長278.4m，最大埋深為38.4m，單洞雙線隧道。

隧道初期支護采用φ42mm超前小導管支護，φ25mm、壁厚7mm中空注漿錨桿環向固結，C25噴射混凝土及格柵鋼架組成支護體系。洞內結構襯砌全部采用復合式防水型襯砌。

進洞前按設計施作φ108大管棚超前支護，管棚環向間距30cm，大管棚采用熱軋無縫鋼管，壁厚6mm。

2 開挖方式比選

2.1 周圍環境對施工的影響因素

（1）隧道入口正下方為豐沙鐵路，每天通行列車較多。

（2）隧道北側為京能熱電冷卻塔，隧道出口附近設有架空供熱管線。

（3）石景山山頂有功勛閣、附近有石景山古井、碧霞元君廟等保護文物。

（4）隧道出口前方有首鋼居民樓，現有首鋼員工居住。

2.2 工藝比選

2.2.1 施工進度

鉆爆法受炸藥配送影響，每天只能爆破一次，但此處圍巖多以V級為主，且受周圍環境影響，需嚴格控制藥量和進尺長度，因此每天預計能進尺1.5米，如遇到元旦、春節、兩會等重要節日需停藥停工。

掘進機開挖法施工，受外界影響較小，只要現場用電、用水供應及時，即可正常施工，每小時開挖按18方考慮（不包括修邊、支護等時間），隧道每延米開挖方量105方，則每延米需要6小時，每天可完成2米。

2.2.2 施工安全

鉆爆法無法較準確的根據圍巖情況進行進尺控制，當遇到圍巖突然發生變化時，會給排險和初期支護帶來風險。

掘進機開挖法可根據圍巖情況控制進尺，當圍巖發生變化時，可隨時調整進尺長度，調整支護距離。

2.2.3 對周圍構筑物的影響

鉆爆法施工震動較大，受隧道周圍鐵路、保護文物、京能冷卻塔、供熱管線影響，隧道開挖尤其是洞口開挖時，安全壓力較大。飛石、滾石會對鐵路營業線、京能冷卻塔、供熱管線等造成危害；爆破震動會對功勛閣、古井、碧霞元君廟造成影響。

掘進機開挖震動較小，不會對周圍構筑物產生影響。

2.2.4 施工中的擾民

鉆爆法震動及噪聲較大，影響隧道周邊居民的正常生活。

掘進機開挖法震動及噪聲較小，帶來的影響也較小。

2.2.5 超欠挖控制

鉆爆法超欠挖控制受圍巖影響較大，圍巖較差時，時常出現超挖嚴重現象，處理困難，容易出現空洞，對后期工程使用產生不利影響。

掘進機開挖法則可以根據圍巖情況、隧道輪廓，隨時調整開挖位置，控制超欠挖現象的發生。

2.2.6 棄渣消納

鉆爆法施工產生的棄渣大小不一，且粒徑較大，不易處理。

掘進機開挖法產生的棄渣大小均勻，且粒徑較小，可用于回填、道路修筑等，后期影響較小。

3 掘進機開挖總體施工工藝

施工前，先接通掘進機施工所需要的動力用電和冷卻、降塵所需的施工用水，打通出渣便道，施做洞門邊仰坡，進行進洞前的管棚施工后，掘進機就位，邊開挖邊支護。

4 掘進機開挖施工流程

施工準備→洞門開挖→施工大管棚→掘進機開挖→初期支護→二襯施工→附屬施工。

4.1 開挖設備選擇

根據石景山隧道工程實際情況，我部擬使用EBZ320型懸臂式掘進機，掘進機由刀頭和機身組成，施工現場進行組裝，具有自行功能。移動和工作均使用自身電機。

4.2 掘進工藝

4.2.1 斷面截割

掘進機利用截割頭上下、左右移動截割，可截割出所需斷面形狀，且能夠較好的控制超挖量。

4.2.2 隧道出渣及支護

隧道出渣利用掘進機、挖掘機配合自卸汽車施工，前方截割，后方出渣，平行施工無干擾。掘進成型后，臺車前移至掌子面，工人進行鋼架支護。

4.2.3 粉塵控制

掘進機自帶風機并輔助噴霧進行除塵，可以對施工粉塵較好的控制。

4.3 開挖進度

掘進機開挖前做好隧道測量工作，施工準備期間，隧道洞口高壓電就位、掘進機組裝、空壓機安裝、水管修建、二襯拱架加工場和噴射混凝土攪拌站等應同期完成。

隧道一旦開始掘進，由于掘進機生產效率較高，與之匹配的裝運作業線、支護作業線、襯砌砼作業線，超前地質預報作業線、輔助作業線（包括通風、注漿、洞內排水）應滿足要求。掘進機調試正常，其它匹配工序能滿足掘進機進度以后，按照以下開挖循環安排組織施工。下表為估算時間表。

以100平米開挖斷面，巖層20-60MPa為例。

4.4 掘進作業

4.4.1 設備操作順序

油泵電機→開動第一運輸機→開動星輪→開動截割頭，以此作為開動順序。當沒有必要開動裝載時，也可以在開動油泵電機后，起動截割電機。當啟動油泵電機時，與其直接相連的油泵隨之啟動，供給液壓油。

4.4.2 掘進注意事項

當遇有硬巖時，不應勉強截割，對有部分露頭硬石時，應首先截割其周圍部分，使其墜落。對大塊墜落體，采用適當辦法處理后再進行裝載。操作者既要熟練掌握操作技術，又要了解工作面的具體情況。

4.4.3 噴霧

在掘進時如何控制粉塵是非常重要的。灰塵的控制影響到開挖過程中的視線。

4.5 錨噴支護

通風后及時初噴，出碴后及時安裝鋼架、錨桿和鋼筋網，復噴至設計厚度。噴、錨、網、噴的施工嚴格按照設計和規范進行。

4.5.1 噴射混凝土

噴射混凝土按照設計配合比拌制，采用濕噴機作業，由洞外拌和站集中拌料，混凝土運輸車運到工作面。

噴射前處理危石，檢查開挖斷面凈空尺寸，將巖面粉塵和雜物清理干凈。噴射作業從拱腳或墻腳自下而上、分段、分片、分層噴射至設計厚度，并按規范進行相關檢測。

4.5.2 鋼筋網施工

鋼筋網在洞外加工成片，生銹的鋼筋按要求進行除銹。鋼筋網緊貼初噴面，安裝牢固，控制好焊接質量及網片搭接長度，噴砼時不產生松動。

4.5.3 錨桿施工

按設計要求在初噴面上準確畫出錨桿孔位，按孔位鉆孔，錨桿規格符合設計要求，桿體除銹除油。錨桿布置形式及誤差符合設計和規范要求，錨桿與巖面垂直或與組合狀巖層節理面垂直。

4.5.4 鋼架施工

鋼架在洞外加工廠按設計加工，每節兩端焊連接板，用螺栓連接。

安裝好的拱架用縱向連接筋連成一體，鋼架安裝誤差在規范允許范圍內，鋼架與初噴砼之間盡量貼緊，如因開挖造成凹凸不平，并有較大間隙時，設置砼墊塊。

4.6 超前支護措施

除洞口超前大管棚外，洞內用到的超前支護措施還有超前小導管和超前錨桿。

4.6.1 超前注漿小導管

施工順序：測量放樣→鉆孔→清孔→鋼管插入→封口→注漿→與鋼架或錨桿焊接。采用風鉆鉆眼，并將鋼管頂入孔內，鋼管尾端與鋼架或系統錨桿焊接在一起，必要時加環向鋼筋。注漿根據壓力狀況和跑漿情況確定終止時間，確保注漿效果。

4.6.2 超前錨桿

超前錨桿施工方法和系統錨桿一樣，施工時根據巖體節理產狀確定錨桿的最佳方向，并保持不小于1m的搭接長度，尾部焊接在鋼架。

4.7 二次襯砌

施工順序：仰拱超前→邊墻基礎→拱墻襯砌。

4.7.1 超前錨桿仰拱、隧底填充及邊墻基礎施工

仰拱、隧底填充及邊墻基礎依次先于襯砌澆注，以利于支護結構整體受力。仰拱、隧底填充澆注時全幅施工，利用仰拱棧橋作為防干擾作業平臺，保證隧道內施工車輛的正常通行，減少對掌子面施工的影響。

4.7.2 拱墻襯砌施工

洞口淺埋段拱墻襯砌適時緊跟開挖面進行，并采取加強措施，保證洞口安全；其它地段，在圍巖和初期支護變形基本穩定后進行。

砼澆注過程中利用插入式振搗器和附著振搗器及輸送泵壓力使砼密實。

4.7.3 預留洞室、預埋件施工

各種洞室根據圖紙布置位置與洞身同時開挖。隧道邊墻內的洞室，在澆筑邊墻混凝土前，安設鋼筋及預埋件后，一次澆筑完成。

5 洞內地質超前預測預報

地質超前預報是控制坍塌的有效辦法，在提前預知圍巖狀況的情況下，可以及時調整開挖進度和初支形式，防止坍塌。

5.1 洞內地質超前預測預報程序

5.2 地質和支護狀態觀察

每次開挖后，由地質工程師對開挖工作面進行觀察調查并作地質素描記錄。調查項目包括掌子面正面及側面穩定狀態、巖性風化程度、裂隙間距、形狀、涌水情況、水的影響等等。素描記錄工作面的巖層產狀、構造及特殊地質現象，同時對靠近工作面的初期支護進行觀察，噴射砼是否開裂、是否有掉塊現象等。

6 監控量測

6.1 監控量測的目的

監控量測作為施工程序中不可缺少的內容，不僅監測各施工階段圍巖和支護動態，確保施工安全，而且可為調整初期支護設計參數，提供反饋信息，作為變更設計的依據。

6.2 監控量測項目

按照監測項目內容的不同，本隧選擇量測項目、方法和儀器如下

7 結束語

隧道開挖施工安全風險高、質量控制難、施工進度影響因素多，本工程通過前期調查、比選，確定了掘進機開挖的方法，充分利用掘進機的振動小、噪音小、開挖進尺可隨時調整等優點，大大降低了施工風險，提高了施工進度，保證了開挖質量，減少了因處理超欠挖造成的經濟損失，使石景山隧道得以順利貫通。本文通過總結掘進機開挖的工藝特點，讓我們了解了掘進機開挖法在城市隧道施工和對振動有特殊要求的地段隧道施工的優越性，可作為后續類似工程施工參考依據。

參考文獻

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（作者單位：中鐵六局集團有限公司）