懸臂式掘進機在市政大斷面軟弱圍巖隧道施工中的應用

劉 浪

（中鐵五局集團路橋工程有限責任公司，廣東 廣州 511458）

1 工程概況

八鴿巖隧道是貴陽市人民大道北段道路工程的控制性工程，設計長1200m，隧道單向下坡，坡度為4.8%。據勘察資料，隧道圍巖主要為Ⅳ、Ⅴ級圍巖，圍巖抗壓強度為28～32MPa，開挖斷面Ⅴ級圍巖是173m2，Ⅳ級圍巖是163m2，曲線最小設計半徑為250m。

2 工程設計

該工程隧址區屬低中山溶蝕、剝蝕殘丘地貌類型，地形起伏較大，地質為單斜構造，巖性一致，三疊系松子坎組泥質白云巖。道路等級：城市主干道，雙向6車道，隧道行車道右側設置人行道；道設計行車速度：50km/h；建筑限界：凈寬14.75m，建筑限界高度5m，橫斷面組成為（0.75+0.5+3.50+3.50×2+0.5+2.5）m；人行道凈寬：2.5m，凈高：2.5m；設計荷載：公路Ⅰ級；隧道路面橫坡設計：隧道內路面采用1.5%的單面坡。隧道支護體系結構均為復合式襯砌，即以錨桿、噴射砼、鋼拱架等為初期支護，二次襯砌采用模筑鋼筋砼，并在兩次襯砌之間敷設土工布及防水板。洞身段圍巖主要是Ⅳ、Ⅴ級圍巖，其中Ⅴ級圍巖段采用CRD法開挖，Ⅳ級圍巖段采用環形導坑預留核心土法開挖。原設計擬采用的常規爆破法施工，爆破時容易產生較大的震動及沖擊波，對附近的建筑造成損壞，周邊復雜環境不具備爆破施工條件。而隧道懸臂掘進機是一種集截割、行走、裝運、噴霧滅塵等多功能為一體的高效聯合作業機械。工作時，安裝在懸臂上的截割頭上下左右擺動，能截割任意形狀的隧道斷面，懸臂掘進機具有機械化程度高、對圍巖擾動小、超欠挖容易控制等特點，經反復論證，最終設計調整為懸臂掘進機開挖方式。

3 工程特點

3.1 工程地質復雜，安全風險高

進、出口及下穿黔靈山公園段均為淺埋段（埋深14.9～39m），覆土層為雜填土，軟弱土層，厚度不均勻，結構松散，承載力極低，巖體局部會有巖溶、洞隙，巖溶發育程度為微發育，斷裂構造發育及風化深度大，開挖后圍巖自穩能力弱，對成洞條件影響較大，安全風險高。

3.2 施工組織困難，工期壓力大

隧道洞口均位于市區，周邊居民密集，商業繁華，交通流量大，拆遷繁雜，洞口管網密布，下關黔靈公園、居民區，征拆周期長，協調截面多，前期施工組織復雜，特別是隧道進口毗鄰某高檔小區，緊鄰某加油站，環境保護要求高，工期壓力極大。

4 工程施工

隧道施工開挖是龍頭，從安全有保障、質量有保證、工期可靠、成本可控、環保達標的原則出發，通過對傳統控爆法、液壓破碎錘冷開、懸臂掘進機開挖法3種方案進行比選，采用懸臂式掘進機施工可以加快施工速度。懸臂式掘進機無炮煙污染，無爆破震動，對周邊環境影響小，施工人數少，最終選擇中鐵裝備CTR260懸臂掘進機開挖的施工方法。

4.1 施工流程及施工情況

主要施工流程：（1）開挖。采用中鐵裝備CTR260型掘進機，懸臂式掘進機使用1140V高壓供電，在掌子面進行截割，截割下來的碎石物料通過鏟板、輸機傳送到掘進機后部，配備專用挖掘機裝入渣土車運出洞外；掘進機對掌子面分左、中、右三部分進行截割，每部分從掃底開始截割，再按S型或Z型左右循環向上的截割路線逐級截割以上部分。截割過程中，通過截割部的高壓噴霧器進行噴霧降塵處理。（2）支護。對開挖輪廓復測后，立即進行初期支護結構的施工，采用多功能作業臺架進行人工作業。多功能作業臺架采用I18工字鋼焊接制作，其尺寸大小在滿足人工進行拱架安裝、超前小導管施工、系統錨桿施工等作業內容的需求的同時，還需滿足掘進機能順暢從多功能作業臺架下通過的空間要求。初期支護鋼架安裝、拱架安裝、超前小導管施工、系統錨桿施工等作業內容采用人工作業，配備電焊機、YT-28型風鉆和鋼筋彎曲機等機械設備。噴射砼作業采用砼機械手進行施工；及時進行初期支護及二襯施工，二襯臺車由專業廠家制作并好運至現場拼裝。（3）通風。通風采用軸流通風機，型號DTF-12.5?650mm直徑膠質風筒；選用24m3/min空壓機分別在進出口通過安裝在洞壁右側的110mm直徑鋼管供噴射砼機械手用風。（4）供電。洞口這是配電房，安裝兩臺800kVA變壓器，一臺專供掘進機使用，掘進機用電通過升壓變壓器升至1140V通過專用電纜供電；另外一臺80kVA變壓器供洞內照明、排水通風等其他施工用電。（5）排水。隧道施工過程中采用抽排相結合的方法，即在一側開挖排水溝，隨著仰拱施工進度分段設置集水坑，采用立軸式抽水泵分級排至洞外沉淀池，經沉淀后排放。（6）測量。開挖前由測量員采用徠卡TS06全站儀放出開挖輪廓線，以控制開挖輪廓尺寸，避免超挖過大；配置激光導向儀在開挖過程中定位，控制超欠挖；懸臂式掘進機截割完成后，進行復測，并將復測情況和詳細數據反饋至掘進機操作手和現場技術人員，如有欠挖的，及時進行處理。

施工情況：掘進機作業時，截割作業和出渣作業同時進行，施工效率高，每開挖1m3綜合耗電量5.9度。圍巖強度≤40MPa時，每開挖1m平均耗時2.3h，平均耗時2.9h，每循環掘進機更換截齒數量為1～3個；圍巖強度＞40MPa時，每開挖1m平均耗時10h（每循環耗時包括懸臂掘進機截割開挖、裝渣外運及收渣平場時間）。隨著圍巖強度的增加，截齒的損耗逐漸增大，在圍巖強度達到60MPa左右，每循環消耗截齒70～120個，損耗很大。施工從2018年2月25日至2018年11月6日，共計耗時254d，平均掘進速度Ⅴ級為66m/月，Ⅳ級為80m/月。

4.2 施工存在的問題及對策

（1）掘進機性能與地質情況不太適應，效率未能得到充分發揮。掘進機設計對于巖石松軟、硬度變化、滲水等未能充分考慮，因此掘進機開挖過程中在截割、行走等方面問題比較突出：一是底板松軟受水浸泡后泥化現象嚴重，掘進機行走十分困難，掘進機機型自身重大，達125t，爬坡能力僅15°，分臺階開挖行走困難，問題突出。針對這一情況，需提前為行走鋪好道路。二是掘進機截割范圍小，在大斷面開挖時需要多次調整機位，耽誤開挖時間。三是圍巖強度等級適用性較差。當圍巖強度大于40MPa時，作業效率大幅降低，對喀斯特地貌中遇到的堅硬圍巖處理能力極為有限，如隧道掘進至K0-030左右，圍巖強度逐漸增大，掘進效率降低，開挖時間增長，每循環2.4m耗時約為24h。故掘進機在遇到強度較大的圍巖時，功效很低。（2）支護時間較長，制約施工進度。局部圍巖穩定性不均勻及滲水影響，機械手噴射砼效率低、回彈大、時間長。對此，改進施工工藝，噴射砼采用商砼，優化配合比，從而提高了效率，減少了回彈，增加了可靠性。（3）輔助工序占循環時間過多。CTR260掘進機機身較大（長22.38m，鏟板寬3.6m，機身寬3.23m，駕駛室高3.728m，除塵器高3.733m），維保耗時較長，洞內空間有限，自卸車、裝載機、挖掘機等協調稍有脫節就嚴重影響進度。為此，采取了盡可能平行作業、專業維護等措施，但仍對進度有不同程度的影響。

4.3 存在的不足及改進思路

（1）懸臂掘進機的高壓噴霧器在實際使用中降塵效果不佳，截割頭后部盡管噴霧系統化，但是遇到軟弱泥質圍巖，加大噴水量則導致圍巖變軟甚至泥質化，為此需根據地質情況調整除塵方案，優化智能電器系統，通過設計粉塵傳感器調整噴霧出水量。（2）懸臂掘進機因設備過熱停機保護情況較多，需增加降溫系統，同時，通過超前地質預報，結合地質情況優化工序，安排好施工間隙。（3）懸臂掘進機需要的作業空間大，以CTR260型為例，作業長度需50～60m，規范要求仰拱開挖與掌子面的距離，Ⅳ級圍巖不得超過50m，Ⅴ級圍巖不超過40m；二次襯砌距離掌子面的距離，Ⅳ級圍巖不得＞90m，Ⅴ級圍巖不得＞70m，對于施工安全步距嚴格要求的項目并不適用，機型設計在體積、靈活性等方面繼續優化將有利于現場生產。（4）隧道單面下坡，坡度4.8%，由于未使用激光定位儀定位，拱部位置易超挖，且由于機械設計原因，拱腳處容易欠挖。在施工過程中收集了原始數據，反饋于中鐵裝備，希望能通過該工程的實際應用能在設備設計中優化解決這個問題。

5 結束語

懸臂掘進機在該工程的成功應用，針對掘進機性能與地質條件不相適應、設計支護與環境條件不實用等情況采取了一系列措施，優化了支護方式，隧道開挖安全、質量、進度受到參建各方及各級政府的充分肯定，對人民大道的建成通車起到了決定性作用，取得了相當的社會效益。隨著城市基礎建設的快速全面發展，特別是喀斯特地貌區域城市的市政、地鐵、地下綜合管廊等地下隧道工程日新月異，保障施工安全，提高工程質量，節約施工時間，降低建設成本，操作便捷高效和利于環境保護成為施工環境的主要因素。該工程懸臂掘進機的成功應用開辟了喀斯特地貌區域市政大斷面軟弱圍巖隧道施工的新天地，克服了傳統鉆爆法安全環境差、勞動強度高、施工效率低、環境污染大、施工條件局限性大的眾多弊端，具有掘進開挖的斷面成型較好，超欠挖易控制，對圍巖擾動小，施工安全風險小，一次性投入成本低，組裝、操作和檢修技術要求低等優點，機械設備性能越來越完善，施工技術越來越成熟，應用范圍也越來越廣泛，施工水平也逐步提高。但是當隧道圍巖強度大于40MPa時，懸臂掘進機的施工優勢已不明顯，開挖作業時間長，效率低，單方耗電量大，且圍巖強度越大，截齒損耗越大，開挖成本越高，由于單次作業時間長造成設備過熱停機保護的情況也增多，影響了整體開挖作業效率。筆者期望與設備制造單位、設計單位、施工單位共同研討探究懸臂掘進機施工技術的創新應用，進一步推進懸臂掘進在市政大斷面隧道各類圍巖施工技術的創新與應用。