深豎井條件下暗挖隧道施工機械配套分析*

邱居濤 林 銳 江 杰,3,4 崔紅利

(1.廣西大學土木建筑工程學院， 530004， 南寧； 2.中鐵隧道集團四處有限公司, 530003， 南寧； 3.工程防災與結構安全教育部重點實驗室， 530004， 南寧； 4.廣西防災減災與工程安全重點實驗室， 530004， 南寧∥第一作者， 碩士研究生)

科學合理的施工機械配置方案在地鐵施工中有著舉足輕重的作用，相關學者對此已經做了大量研究[1-6]。但是，目前國內針對明暗挖同時施工、工序復雜交錯、周邊建筑物密集、地質條件差的地鐵車站施工方法的研究較少。本文以南寧地鐵3號線青秀山站工程為依托，在非爆破開挖方法的基礎上提出了1套暗挖隧道機械配套方法。本著優化施工效益、減少施工擾動、提高施工效率、確保安全可行的原則，本文著重分析了該方法下的施工機械選型和各作業線交叉配套，并提出配套機械的優化方案。

1 工程概況

青秀山站(見圖1)總長184.7 m，其中明挖站廳結構長度為82.4 m，標準段寬度41.8 m。車站南端結構為地下4層(局部5層):站廳采用明挖法施工;站臺層采用暗挖法施工，分別設置了左右線主隧道、5個橫通道、2個斜扶梯通道和4個豎向通道，結構交錯復雜。車站東端設置了60 m深的活塞風亭，用于承擔相鄰站點4臺盾構機到達后吊出的任務。該風亭的截面尺寸大，底面兩平行短邊的高差達10 m。

該站的地勢起伏較大，總體呈南高北低、東高西低的特征。鳳嶺南路從南到北為下沉式走向，且道路整體呈立體交叉式，車流量大，交通繁忙。車站南側不遠處有1棟2層高的管委會大樓，基礎較差，除此之外，車站毗鄰5A級的青秀山風景區。車站北側分布有低層餐飲商業建筑，西側為秀山花園居民住宅小區(8層)。為緩解工期壓力，施工開始后在車站的北端新增了1座55 m深的豎井。

2 施工方法

2.1 隧道開挖設備的選配

青秀山站暗挖隧道以泥質粉砂巖、粉細砂巖的半成巖地層為主，車站工程影響范圍內的地下水以松散巖類孔隙水、碎屑巖類孔隙裂隙水為主。采用超深管井降水等措施后，用高頻破碎錘對巖層間的裂紋進行高頻振擊，使待開挖巖體與原來的結合體分離而脫落，該施工方法用于泥巖、粉砂巖、泥質粉砂巖等地層開挖時，施工效果明顯。銑挖機適用于質地軟弱、節理裂隙發育、巖體完整性差、抗壓強度小且不宜爆破、難以挖動的軟弱圍巖和土質圍巖[7]。

圖1 青秀山站平面布局示意圖

根據隧道設計開挖斷面的大小，本文對雙牙高效振動破碎錘及銑挖機的參數進行了比對分析，在此基礎上確定開挖設備和及高頻破碎錘的型號配置。設備選配方案如表1所示。

表1 隧道開挖設備參數及選配方案

2.2 開挖施工工藝

本文重點對設備選型配置后的開挖操作進行可行性分析。根據不同的斷面尺寸確定對應的開挖臺階高度，以確保選配后的設備在隧道內能有效開展工作。根據機械對作業空間的要求，本文確定臺階開挖參數的原則如下：上臺階的開挖深度大于等于4.6 m，長度3～5 m；中臺階的開挖深度大于等于2.6 m，長度6～8 m；下臺階的開挖深度大于等于2.9 m，長度2～3 m。

2.2.1 中臺階機械聯合開挖

如圖2所示，采用1臺CAT313挖機搭載高頻振動破碎錘，以及1臺小松200-8機搭載ER-1500型銑挖頭2臺，對中臺階②部進行聯合開挖。

a) 橫斷面

b) 縱斷面

2.2.2 上、下臺階機械同步開挖

②部開挖完成后，因受施工斷面尺寸限制，本項目采用CAT313挖機搭載1臺高頻破碎錘開挖上臺階①部，同時用另1臺CAT313挖機載銑挖頭開挖下臺階③部，如圖3所示。高頻破碎錘的開挖效率為20 m3/h，可靈活轉動大臂，有效控制隧道的開挖成型。銑挖頭的開挖效率為10 m3/h。根據該項目的工程量，基本上可同步完成上、下臺階的土體開挖。隨后高頻破碎錘和銑挖頭互換位置，進行開挖和修邊的工序轉換，以確保開挖成型質量。

a) 橫斷面

b) 縱斷面

開挖過程中，在掌子面后方12～15 m處設置監測點，埋設SW820型高靈敏度振速測試儀，以監測開挖對圍巖的擾動程度。測試結果顯示：圍巖振動平均速率為0.1 cm/s，豎向加速度為0.03 m/s2，圍巖受擾動的程度較小。

2.3 施工效果分析

本項目采用機械設備聯合作業，在軟弱圍巖采用非爆破開挖方法進行隧道開挖。該施工方法技術先進，有效控制了地表沉降，避免了因爆破振動對巖層產生過大的擾動，確保了地表建筑物和隧道結構本身的安全。此外，該施工方法的工序循環時間短、開挖斷面封閉成環速度快。與傳統單一的設備施工功效和工期相比，本項目的施工方法在作業效率上可提高39%。

3 機械選型及配套

3.1 挖裝運作業線

1) 挖、裝碴。由于隧道施工場地有限，裝載機的選型配套在不干擾整條施工作業線的前提下，還要考慮定性與定量兩方面的因素。機械設備的安全使用為首要考慮。對于裝載機而言，其定量因素包括能裝運土石方的最大容量、正常工作狀態下每小時的耗油量、發動機的最大轉速以及裝載機的機身大小等。考慮到購置成本和施工作業空間有限，本項目選取柳工ZL50作為整條作業線的裝載機，挖、鏟碴土配套的機械選用卡特履帶式挖掘機。與一般的挖掘機相比，卡特履帶式挖掘機具有尾氣排放量少、挖掘性能強大、底盤穩定性能極佳等優點，且在機器內配制了液壓緩沖器，可極大地降低挖掘機工作時的晃動幅度，有效保證操作人員的安全。此外，卡特履帶式挖掘機內柴油與油缸因晃動產生的摩擦少，可提高燃油利用率，延長設備使用壽命。

2) 運碴。在基坑周邊設置環形通道，方便施工的機械設備、車輛進出，保證交通暢通。基坑西側的場地平整后用于修建渣土場，碴土的堆放采用就近堆放原則。考慮到自卸汽車的購置成本，本項目分配了5輛型號為XC3260的自卸車，依次有秩序地到抵達掌子面，把碴土運送到碴土堆放區。堆放區的碴土送往其它施工場地用于土方回填。

3.2 支護作業線

1) 本項目超前大管棚的施工范圍在正線隧道與橫通道處。正線隧道與橫通道的斷面均較大，三岔口處的開挖暴露后出現了較大的三角形不穩定區域。針對此不穩定區域，本項目采用水循環跟管導向鉆進成管法，將管棚鋼管作為鉆桿，在第1節管棚鋼管前端安裝帶有導向探棒的楔形板鉆頭。其施工步驟如下:① 采用水平定向鉆機將裝有楔形板鉆頭的管棚鋼管打入土中;② 通過絲扣將其它管棚與前一節管棚連接,將管棚依次打入土中，并跟蹤監測管棚鉆進方向，以保證管棚按設計方向打入;③ 進行封孔、注漿。

2) 本項目暗挖隧道區間(Ⅴ級圍巖)的支護難度大、占用時間長，給施工帶來了很大困擾。隧道內空間狹窄，噴錨作業施工頻繁，因此噴射混凝土施工選用Aliva-285混凝土濕噴機，初期支護采用厚35 cm的C25網噴混凝土加格柵鋼架聯合支護。與普通的混凝土濕噴機相比，Aliva混凝土濕噴機的優點在于：① 有效利用率高，混凝土的噴射有效利用率在88%以上；② 完成一道工序耗時短，節約了時間成本；③ 機械化程度高，無需多人操作。

3) 二次襯砌采用復合式襯砌。如圖4所示：D型和B型斷面的襯砌厚度為700 mm；A、C型斷面的襯砌厚度分別為600 mm、800 mm。2、3號橫通道襯砌的設計厚度為900 mm。因站臺隧道斷面類型多、不同斷面間的差別大，臺車不能適用于全部斷面。對應的措施為:① A、C型斷面采用液壓模板臺車，各配備1臺HBT60型混凝土輸送泵,混凝土輸送泵將混凝土泵送入模，再用插入式振搗棒振搗混凝土;② B、D型斷面采用在臺車骨架上改裝的方法;③ E型斷面、橫通道、斜通道及4個小豎井采用支架模板，沿整個圓拱斷面布設工字鋼。

尺寸單位：mm

3.3 通風作業線

本隧道拱頂埋深50 m，通風難度大。此外，考慮到壓入式通風拆裝簡便，且能有效改善工作面空氣質量等特點，故采用壓入式通風方式。在計算出隧道內的需風量、風機的供風量、通風阻力后，根據需要配置一定數量的風機。

以壓入式通風作為通風方式，需以最小風速計算所需風量Qa、供給隧道內工作的最高人數所需風量Qb、沖淡耗油機械尾氣所需風量Qc。工作面需風量Q取Qa、Qb、Qc的最大值。

3.3.1Qa的計算

Qa=VminTSmax

(1)

式中：

Vmin——隧道內最小風速；

T——通風持續時間；

Smax——隧道最大開挖斷面的面積。

式(1)中，Vmin取0.25 m/s，T取60 s，Smax取93 m3，則可得Qa為1 395 m3/min。

3.3.2Qb的計算

Qb=qmk

(2)

式中：

q——每min內每人呼吸所需的空氣量；

m——洞內工作的最高人數；

k——風量備用系數。

式(2)中，q取3 m3/min，m取94人，k取1.2，則可得Qb為338.4 m3/min。

3.3.3Qc的計算

Qc=k∑N

(3)

式中：

k——耗油機械設備的平均利用率；

∑N——耗油機械設備的總功率。

式(3)中，耗油機械運轉過程中平均每1 kW所需風量取3 m3/min，k取70%，∑N取980 kW，則可得Qc=2 058 m3/min。

3.3.4 風機供應風量的計算

通過上述計算可知，Qa、Qb、Qc中Qc最大，因此洞內所需風量Q為2 058 m3/min。本項目隧道右線的最大供風長度為290 m，隧道左線的最大供風長度為262 m，且考慮風管在輸送空氣的過程存在“漏風”現象，需要分別計算隧道左、右線要求風機供應的風量。

隧道左線、右線掌子面要求風機供應的風量Q左、Q右分別為：

(4)

(5)

式中：

L左、L右——隧道左線、右線的供風長度；

β——風管漏風系數。

式(4)、(5)中，Q取2 058 m3/min，L左取262 m，L右取290 m，β取0.1，則可得Q左為2 113.0m3/min，Q右為2 119 m3/min。

3.3.5 風機供應風壓的計算

暗挖隧道右線風壓P右為：

P右=4.8αL右Q右/(360d5)

(6)

式中：

α——風阻系數；

d——配用風管直徑,m。

式(6)中，α取0.003，L右取290 m，Q右取2 119.0 m3/min，d取1.2 m，則可得P右為2 093.0Pa。

因為豎井與正洞彎道處有風壓損失，所以需要隧道右線提供的風壓為：

H右=ηP右

(7)

式中：

η——彎道處風壓損失。

式(7)中，η取1.2，則可得H右=2 511.6 Pa。

同理可計算出要隧道左線風機的供應風壓為2 256.5 Pa。

3.3.6 通風設備的配置

井口設風機1臺，風管采用PVCφ1200 mm拉鏈式風管，拉鏈式風管百米漏風率為0.01，摩阻系數為0.02，每節長度為10 m。施工開挖至右線隧道時，在北側新增豎井處再添設1臺風機，采用壓入式獨頭送風。隧道施工期間，隧道左右線各配備了1臺SFD-I-NO15軸流風機。

3.4 防排水作業線

暗挖隧道排水分為開挖施工階段排水和二襯施工階段排水。暗挖隧道開挖施工時，在開挖面打設小凹槽用以臨時儲水，然后利用潛水泵將隧洞內積水抽排至新增的北側豎井的集水井中，最后將水抽至洞口經凈化處理后排放。

襯砌段的積水主要為襯砌施工時施工用水。在二襯仰拱施工段前方挖1個臨時集水坑，同樣通過潛水泵將洞內水泵送到新增北側豎井的集水井，集水井的水經凈化后再從洞口排出。開挖線路為坡率2%下坡，在隧道左線和右線的中間分別設置1個斷面尺寸為250 mm×150 mm的排水溝，用以排除隧道內積水。各橫通道內皆設有2 m×2 m集水井，再由隧洞內集水井集中將積水抽排到新增的北側豎井的集水井內。

4 結語

本項目結合壓入式通風的特點計算出洞內所需風量，并根據計算結果，在隧道左、右線各配置了1臺型號為SFD-I-NO15的軸流式風機。施工期間隧道內的通風效果良好。

本項目的設計沉降量為150 mm，經監控實測數據反饋，拱頂最終下沉量為14.6 mm，很好地控制了施工沉降。本項目暗挖隧道采用非爆破開挖法施工，減少了對周邊圍巖的擾動，降低了隧道施工安全隱患。隧道開挖施工全過程從未發生任何安全事故，也未發出變形預警。本項目的成功實施，促進了軟弱圍巖隧道非爆破開挖施工技術的發展，可為復雜環境條件下軟弱圍巖隧道快速安全施工提供參考。