懸臂掘進(jìn)機(jī)在臨近既有線隧道施工中的運用

■潘學(xué)堯

（中鐵十八局集團(tuán)第四工程有限公司，天津 300000）

隨著科學(xué)技術(shù)水平提升，我國工程事業(yè)得到了穩(wěn)定發(fā)展，相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)人員也加強(qiáng)了對懸臂掘進(jìn)施工技術(shù)探究，但是進(jìn)展比較緩慢。為了讓懸臂掘進(jìn)在我國得到廣泛應(yīng)用，在進(jìn)行臨近既有隧道施工過程中，施工企業(yè)把懸臂掘進(jìn)機(jī)引進(jìn)其中，并結(jié)合工程實際情況，涉及了最佳施工方案，獲取理想的施工效果。因為懸臂掘進(jìn)機(jī)對自身應(yīng)用環(huán)境要求比較高，一次挖設(shè)斷面受限，對圍巖的適應(yīng)性差和其他經(jīng)濟(jì)因素影響，阻礙自身功能發(fā)揮，所以在應(yīng)用懸臂掘進(jìn)施工技術(shù)過程中，需要適當(dāng)改革施工工藝和方案，全面采用懸臂掘進(jìn)機(jī)，讓施工更加便利，提升施工效果。

一、工程概況

白山隧道地處安寧鐵路專用線進(jìn)口，里程為LDK0+400-LDK0+750，全長350m。進(jìn)口段200m為上坡，出口段150m為下坡，坡率均為5‰。隧道段均為直線段。由于白山隧道緊靠既有線隧道，線距約為25m～30m，且最大埋深約為17m（位置關(guān)系如圖1所示），圍巖等級為Ⅴ級，禁止采用全爆破施工，為了保證按期完成施工，現(xiàn)采用懸臂式掘進(jìn)機(jī)為主，爆破為輔的方法進(jìn)行開挖作業(yè)。

二、懸臂掘進(jìn)機(jī)基本介紹

（一）工作原理

懸臂掘進(jìn)機(jī)作為一個綜合性的掘進(jìn)設(shè)備，在設(shè)計過程中需要綜合思考掘進(jìn)過程中面臨的各種現(xiàn)象，在懸臂掘進(jìn)機(jī)設(shè)計過程中，包含了切割、裝運等功能，所以具備較強(qiáng)的適用性。在實際中，懸臂掘進(jìn)機(jī)一般是在主機(jī)和配套設(shè)備的作用下進(jìn)行掘進(jìn)操作，在此過程中，主機(jī)功能在于對巖石切割處理，之后運行設(shè)備將碎石運輸?shù)街付ㄎ恢茫y(tǒng)一調(diào)度，利用運輸車裝運[1]。在進(jìn)行掘進(jìn)施工時，懸臂掘進(jìn)機(jī)可以根據(jù)工程實際情況適當(dāng)調(diào)節(jié)切割臂位置，實現(xiàn)對掘進(jìn)隧道斷面質(zhì)量的控制，滿足施工要求。

圖1 新建白山隧道與營業(yè)線武家莊隧道位置關(guān)系示意圖

（二）圍巖適應(yīng)性

在開展圍巖掘進(jìn)施工工作之前，相關(guān)人員應(yīng)對圍巖可掘性綜合分析，在分析過程中需要重點關(guān)注圍巖抗壓強(qiáng)度和節(jié)理縫隙發(fā)展。當(dāng)前大部分懸臂掘進(jìn)機(jī)在應(yīng)用中，可以實現(xiàn)對單軸抗壓強(qiáng)度150MPa壓強(qiáng)巖層的掘進(jìn)。一般來說，在掘進(jìn)施工中，需要確保巖石單軸抗壓強(qiáng)度控制在100MPa左右，這樣可以保證掘進(jìn)施工質(zhì)量。

（三）機(jī)型選擇

我國現(xiàn)有生產(chǎn)懸臂掘進(jìn)機(jī)的廠家數(shù)量比較多，如：佳木斯煤礦機(jī)械廠、大連家瑞集團(tuán)金恒達(dá)機(jī)電科技有限公司等。在西方國家中，如英國、美國等也有一些知名的懸臂掘進(jìn)機(jī)生產(chǎn)廠家。在選擇懸臂掘進(jìn)機(jī)過程中，需要根據(jù)隧道地質(zhì)情況，巖石單軸抗壓強(qiáng)度需要控制在80MPa左右，并選擇重型懸臂掘進(jìn)機(jī)，如切割功率為200kW的懸臂掘進(jìn)機(jī)。在開展懸臂掘進(jìn)施工工作時，綜合思考隧道和煤礦巷道之間的差別，施工人員需要有針對性地選擇對應(yīng)的掘進(jìn)施工方式。在交通隧道工程中，需要選用切割功率為200kW的懸臂掘進(jìn)機(jī)，這樣能夠有效確保掘進(jìn)施工設(shè)備可以更好地滿足工程施工需求[2]。在隧道施工中，綜合思考隧道平行導(dǎo)坑施工要求，所以在選擇掘進(jìn)機(jī)過程中，應(yīng)該選用技術(shù)水平高的掘進(jìn)機(jī)，并且在掘進(jìn)中應(yīng)該一次定位實現(xiàn)對斷面施工。在具體選擇中，需要綜合思考圍巖可掘進(jìn)性，并根據(jù)工程現(xiàn)場具體狀況，選擇最佳的施工設(shè)備，保證施工設(shè)備功率、功能滿足工程要求。

三、懸臂掘進(jìn)機(jī)在臨近既有線隧道施工中的運用

（一）施工測量

在開展施工工作之前，需要對設(shè)計部門交付工程地面控制狀和永久性水準(zhǔn)點，通過復(fù)測，樁位核查沒有錯誤后，結(jié)合設(shè)計部門提供的測量結(jié)果，選擇對應(yīng)測量方式，對各個隧道進(jìn)行測量，同時每個隧道進(jìn)口設(shè)有三個以上的中線控制點及水準(zhǔn)控制點，對隧道中線和標(biāo)高進(jìn)行把控。為了保證隧道精準(zhǔn)貫通，在對隧道測量時，采用的測量技術(shù)有：光電測距導(dǎo)線網(wǎng)以及傳統(tǒng)三角網(wǎng)布設(shè)的方法，實現(xiàn)對洞內(nèi)外平面控制；根據(jù)導(dǎo)線點利用光電測距三角高程方式控制隧道高程；利用概率論等測量方式核算出平差數(shù)據(jù)。在外業(yè)測量過程中，需要采用方向測量方式。觀測過程中各項數(shù)據(jù)都要根據(jù)國家要求進(jìn)行，導(dǎo)線折角觀測都要以半數(shù)測回分別觀測導(dǎo)線前進(jìn)方向的左角和右角。測量完成以后，取最終數(shù)值。Δ=（左角）中+（右角）中-360°，所有測站中Δmax＜±1[3]。

（二）洞身開挖

為了減少震動帶來的影響，避免給正在運行的線路帶來影響，土方和軟巖開挖均采取機(jī)械挖設(shè)方式，硬巖和巖石劈裂機(jī)配合破碎錘開挖，對于部分位置不能應(yīng)用巖石劈裂機(jī)，施工前對周圍線路封死后再進(jìn)行。洞身開挖采用進(jìn)行臺階法+臨時仰拱施工，把隧道劃分為兩部分進(jìn)行掘進(jìn)施工，先挖掘上臺階，同時在施工上臺階做一個初期支護(hù)，在上臺階初期施工結(jié)束以后，同時噴射砼強(qiáng)度滿足設(shè)計要求，才能進(jìn)行隧道下臺階施工。在下臺階施工完成一段距離以后，應(yīng)該立即實現(xiàn)抑拱挖設(shè)和隧道初期支出，及時施做抑拱和矮邊墻混凝土。在二襯混凝土施工之前，應(yīng)按照圍巖測量結(jié)果拆除臨時仰拱，之后進(jìn)行二襯施工。臺階法+臨時橫撐法開挖橫斷面示意見圖2：

圖2 臺階法+臨時橫撐法開挖橫斷面

（三）開挖作業(yè)

對于局部不能采取非爆破施工方式時，則需要采用爆破施工方式。在爆破施工之前，選擇有資歷的施工企業(yè)編制爆破施工方案，并由上級部門審核通過之后，才能進(jìn)行爆破施工。在爆破施工之前，需要和鐵路部門溝通，封鎖天窗點，并嚴(yán)格按照要求操作，做好防護(hù)巡視工作。在進(jìn)行Ⅴ級抗震圍巖施工過程中，需要設(shè)置超前支護(hù)，這樣可以有效確保圍巖穩(wěn)定性，是確保掘進(jìn)施工順利進(jìn)行的重要工序。管棚施工是利用導(dǎo)向架，根據(jù)挖掘路線，以合適的角度，一般約為3°以下，向開挖面前打入鋼管，以此來進(jìn)行開挖面前方土體的預(yù)支護(hù)。早超前注漿時，需要利用小導(dǎo)管進(jìn)行，并在導(dǎo)管孔位位置利用標(biāo)記筆進(jìn)行比較，鉆孔方向垂直于開挖面，仰角需要按照施工要求進(jìn)行。采取液壓鑿巖機(jī)組鉆孔，鉆頭采取梅花性鉆頭，鉆頭直徑需要大于導(dǎo)管直徑，防止在鉆孔過程中出現(xiàn)鉆孔擺動現(xiàn)象，確保孔位順直。超前小導(dǎo)管支護(hù)施工工藝流程包括先進(jìn)行測量定位，做好鉆孔位置標(biāo)記后，開展鉆孔作業(yè)，清理干凈并驗收合格后，將制作好的導(dǎo)管下入暗孔中，并通過噴混凝土進(jìn)行空口封閉。之后進(jìn)行注漿操作，確保注漿效果滿足質(zhì)量要求后，將管尾和剛架焊接處理，完成這一流程的施工操作。

（四）開挖分步

在開展挖設(shè)施工工作過程中，需要采取分步施工方式，這樣可以有效保證工程質(zhì)量。在具體施工時，施工人員需要對隧道實際情況有所了解，并采取兩部臺階法施工。一般來說，在采用臺階法進(jìn)行施工過程中，需要結(jié)合工程所處地質(zhì)情況設(shè)定臺階長度。通常地質(zhì)狀況比較理想地控制臺階長度為80m左右，而地質(zhì)環(huán)境比較差區(qū)域需要適當(dāng)縮減臺階長度，選擇短臺階法進(jìn)行施工[4]。根據(jù)施工設(shè)備外形尺寸和施工要求，采取中長臺階施工方式，臺階長度設(shè)定為35m。

（五）掘進(jìn)機(jī)施工

1.測量定位工序

隧道開挖前，采用全站儀及水準(zhǔn)儀，利用導(dǎo)向線對準(zhǔn)備開挖的掌子面進(jìn)行精準(zhǔn)的測量，從下到上每個開挖面確定不少于7個控制點，并用噴漆畫出開挖輪廓，此過程大約需要0.5個小時。

2.指揮掘進(jìn)機(jī)紅外線操作掘進(jìn)

現(xiàn)場安排專門的指揮人員，根據(jù)所放輪廓線，指揮掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行開挖作業(yè)，保證開挖安全和作業(yè)精度。每個循環(huán)掘進(jìn)10小時，平均掘進(jìn)3米。

3.出碴

掘進(jìn)機(jī)施工的同時，廢碴棄碴自動傳送至后方的運輸車，保證了及時出碴和隧道內(nèi)的施工空間。每個循環(huán)3小時完成出碴，與掘進(jìn)同時進(jìn)行，不耽誤后續(xù)施工。

4.修整輪廓

在一個循環(huán)掘進(jìn)作業(yè)完成后，現(xiàn)場指揮人員、指揮操作員，對已經(jīng)開挖的輪廓進(jìn)行重新測量核定，不準(zhǔn)確的地方進(jìn)行修整，保證誤差在允許范圍之內(nèi)。

5.鋼架測量

在掌子面核定無誤且修整完成之后，再次對掌子面進(jìn)行測量放線，以精確定位鋼（格柵）拱架位置。

6.鋼（格柵）拱架、鋼筋網(wǎng)片安裝

根據(jù)放線位置，施做鋼拱架，并按照圖紙要求的鋼筋規(guī)格及間距施做鋼筋網(wǎng)片，同時進(jìn)行焊接牢固。大約需要1.5個小時。

7.噴錨支護(hù)

上述步驟完成及驗收合格后，進(jìn)行噴射混凝土作業(yè)。噴射混凝土在洞外拌合站拌制完成后運至洞內(nèi)，采用濕噴機(jī)噴射。噴射前應(yīng)對巖面進(jìn)行處理、檢查開挖斷面凈空尺寸，危石、浮渣和巖粉是否清楚干凈。噴射作業(yè)采用分段、分片、分層依次進(jìn)行，自下而上，分段長度不宜大于6m，往復(fù)噴射至設(shè)計厚度。大約需要四個小時。