繁華城區(qū)淺埋隧道應用單臂掘進機開挖適用性研究
——以新紅巖隧道下穿地下商場工程為例

呂永林，張東杰，唐文喜，楊學中，秦小鋒，任 毅

(1.中鐵十七局集團第四工程有限公司，重慶 401121；2.中鐵二院工程集團有限責任公司，四川 成都 610003；3.重慶市建筑科學研究院有限公司，重慶 400016)

0 引言

近年來重慶市鐵路建設取得突飛猛進的發(fā)展，規(guī)劃建設的鐵路樞紐規(guī)模宏大，有多條鐵路線路穿越繁華城區(qū)。重慶作為著名的山城，地形條件更加特殊。在重慶市城區(qū)修建隧道，上方面臨各種建(構)筑物，下方密布市政管網(wǎng)、地鐵隧道等，左右側毗鄰市政道路、橋梁樁基礎等，環(huán)境十分復雜。

針對淺埋、近接既有建(構)筑物隧道采用非爆破開挖掘進技術，甘雨等[1]通過對比分析，采用高頻振動破碎錘及銑挖機為主的非爆破機械聯(lián)合作業(yè)施工技術，減小了對周邊建筑物的擾動，保證了施工安全，解決了單一機械設備施工速度慢等問題；劉松等[2]研究了一種各向異性圍巖非爆破開挖方法，采用平口鉆頭的手提式風鎬、液壓劈裂開挖新工法在地下工程中進行了應用，提高了開挖工效；程月紅等[3]總結了臨近既有建(構)筑物施工時采用的預裂膨脹巖體非爆破開挖方法，保證了既有結構的安全。在控制既有建(構)筑物沉降變形、結構安全性方面，王建功等[4]通過三維數(shù)值模擬方法研究了新建隧道近距離下穿青龍橋車站施工對既有車站地表變形的影響，并提出相應的控制技術；李豐果等[5]研究了超淺埋特大斷面直墻隧道下穿城市主干道暗挖施工關鍵技術，成功地將地表沉降值、隧道內凈空變化控制在允許范圍內；吳昊[6]研究了復雜地層淺埋暗挖地鐵區(qū)間隧道近距離下穿地下商業(yè)街設計及施工關鍵技術，在控制地下商業(yè)街及其周邊軟弱地層沉降、保障地下商業(yè)街的日常運營和降低隧道施工風險等方面取得了較好的工程效果，這也是目前研究的熱點問題。從以往研究可以看出，在淺埋、近接既有建(構)筑物工況下，相關學者對隧道非爆破開挖技術和控制沉降變形方面進行了深入研究，但在繁華城區(qū)淺埋大斷面隧道中應用單臂掘進機開挖的適用性、安全性、工效和成本等方面尚沒有明確的結論。

本文以成渝客專新紅巖隧道下穿地下商場為工程背景，基于近接既有建筑物大斷面隧道應用單臂掘進機開挖，通過對既有結構的沉降變形、安全性進行論述，并通過現(xiàn)場試驗對隧道非爆法開挖的施工方法、機械選擇與所處環(huán)境的適用性進行分析研究，總結試驗成果，以期為大斷面隧道應用單臂掘進機開挖提供參考。

1 工程概況

成渝鐵路客運專線新紅巖隧道穿越重慶市沙坪壩、渝中核心城區(qū)，多次上跨下穿地鐵、市政道路、商場、高層建筑等建(構)筑物，其中GDK297+450～+485段和GDK297+512～+547段下穿小龍坎廣場地下1層商場(兼作地下通道)為既有小龍坎隧道擴挖，隧道左側為地下二、三層車庫。該段位于繁華商業(yè)區(qū)，每天休閑、購物人員眾多，下穿段影響面積約4 500 m2，施工難度大、風險高。新建隧道下穿地下商場平面位置如圖1所示。

圖1 新建隧道下穿地下商場平面位置示意圖

1.1 既有小龍坎隧道概況

襄渝鐵路小龍坎隧道建于1972—1973年，為單線隧道，隧道縱坡設計為單面下坡，最大坡度為8‰，采用單側設置排水溝、拱形直墻襯砌，拱部襯砌為素混凝土(實測抗壓強度約為12 MPa)，邊墻襯砌為漿砌條石(實測抗壓強度約為8 MPa)。

1.2 小龍坎廣場地下商場設計概況

小龍坎廣場地下商場已修建完成，抗震等級按三級設計，安全等級按二級設計，耐火等級按一級設計。地下一層商場結構體系采用框架結構，基礎形式為筏板基礎和筏板下獨立柱基礎，筏板厚100 cm，配筋采用雙層雙向φ25@150，筏板下采用C20混凝土回填找平。柱采用80 cm×80 cm鋼筋混凝土，獨立柱基礎下部采用120 cm×120 cm或者240 cm×240 cm擴大基礎，持力層為中風化基巖。

1.3 新建隧道與既有結構物位置關系

新建隧道為既有小龍坎隧道擴挖，為漸變交叉過渡，且下穿地下一層商場，隧道開挖范圍內有24根鋼筋混凝土柱，其中線路右側8根柱下部采用擴大基礎。擴挖隧道頂距離上部商場結構筏板底間距為1.7～3 m，與柱基礎距離最近約0.83 m，橫向距離地下二、三層車庫7～10 m。新建隧道下穿地下商場最不利斷面如圖2所示。

圖2 新建隧道下穿地下商場剖面位置示意圖(單位：cm)

根據(jù)最不利斷面分析可知，新建隧道拱部與地下一層商場筏板底凈距1.72 m，與筏板獨立柱基礎最小凈距僅0.83 m，線路左側與地下二層、三層車庫結構橫向距離9.73 m，屬于近接建筑物施工。

1.4 新紅巖隧道設計概況

該段地質為上覆第四系人工填筑碎石土(Q4ml)，下伏基巖為侏羅系中統(tǒng)上沙溪廟組(J2s)砂巖、泥巖夾砂巖。地下水類型主要為土層內的上層滯水和基巖風化裂隙水，無明顯滲水，V級圍巖。

設計采用非爆破開挖、臺階法施工，采用φ159大管棚超前支護，取消拱部錨桿；全環(huán)I18型鋼鋼架，間距0.6 m；初期支護采用C30纖維噴射混凝土(厚25 cm)，二次襯砌采用C35鋼筋混凝土(厚50 cm)。仰拱初期支護封閉成環(huán)，距離掌子面不得大于20 m，二次襯砌距離掌子面距離不得大于35 m。

為確保地下商場結構安全，施工期間對地下商場結構的沉降、傾斜進行監(jiān)測。監(jiān)控量測控制基準值如表1所示。

表1 監(jiān)控量測控制基準值

1.5 現(xiàn)場情況

小龍坎廣場為小龍坎環(huán)道立交孤島，后改造為周邊居民休閑娛樂活動場所，地下一層商場為華潤萬家超市，地處繁華商業(yè)區(qū)，地下二、三層為車庫。下穿段2處兼作小龍坎環(huán)道立交地下通道，人流量極大。新建隧道右側開挖范圍有商場風機房2處，臨近室內排水溝，開挖影響段內無其他管線、結構物。

華潤萬家超市要求開挖施工時間控制在其超市的非營業(yè)時段(當日22:00至次日7:00)。為保證上部商場內人員及貨物安全，并達到隧道掘進全天連續(xù)施工的目的，經(jīng)協(xié)商將上部影響范圍內貨品清空，設置可移動式的臨時圍擋，預留1.5 m寬的通道保證行人通過，且根據(jù)掌子面的掘進及時調整通道位置。

2 安全性評價

隧道開挖的應力釋放將導致周邊圍巖的位移，進而影響既有商場、車庫的結構變形、結構應力及穩(wěn)定性。

采用巖土通用有限元MIDAS/GTS進行數(shù)值計算分析。根據(jù)新紅巖隧道與上部地下商場基礎的相對位置關系，選取隧道與地下一層商場下部筏板及擴大基礎相對位置最不利橫斷面進行分析，模擬隧道開挖實際施工步驟，分析隧道初期支護和二次襯砌完成后地下一層商場的沉降及位移情況，并綜合評價隧道下穿施工對地下一層商場的影響。

2.1 計算模型

本次計算采用MADIS/GTS建立二維平面計算模型，兩側距離隧道中線為36 m(約3倍洞徑)，底部距離隧道仰拱開挖輪廓外12 m，上部邊界為廣場地表面。新建隧道采用單臂掘進機開挖，上下臺階法施工，分3種工況分別模擬隧道的施工過程。

工況1：初始狀態(tài)下地層應力場計算。

工況2：開挖并施作初期支護。

工況3：隧道施作二次襯砌結構。

2.2 計算結果

隧道開挖后上部既有地下商場及其柱基礎位移分布如圖3—6所示。

圖3 隧道施作初期支護后水平位移云圖(單位：m)

圖4 隧道建成后水平位移云圖(單位：m)

根據(jù)模擬計算結果得到以下結論：

1)隧道施工完成后，隧道周邊圍巖水平位移位于隧道的兩拱肩區(qū)域，最大位移約5.0 mm；隧道周邊圍巖的豎向位移位于隧道拱頂區(qū)域，最大拱頂位移約8.2 mm。對比初期支護與隧道建成后隧道圍巖變形發(fā)展，在隧道施工過程中圍巖應力釋放基本完成。

2)隧道正上方地下商場結構沉降最大，最大沉降值為7.5 mm，最大沉降差為5.0 mm，水平位移量不足1.0 mm。根據(jù)建筑地基基礎設計規(guī)范，基礎傾斜值控制在2‰，最大位移沉降為1.6 cm[7]，滿足規(guī)范要求。隧道開挖后地下商場結構的沉降值在控制范圍內。

圖5 隧道施作初期支護后豎向位移云圖(單位：m)

圖6 隧道建成后豎向位移云圖(單位：m)

3)隧道開挖對上部商場結構影響最大的是拱頂右側的柱基礎，此柱基為施工薄弱處，需要加強現(xiàn)場監(jiān)測。

隧道開挖施工不可避免地會造成上部地下商場的沉降，但通過設計合理的加強措施，組織嚴密的專項施工方案，加強過程監(jiān)控，既有建(構)筑物的沉降和位移均在安全、可接受范圍內。

3 工法適用性分析

鑒于本項目在近接既有結構的保護、施工安全、環(huán)境噪聲及振動控制等方面有特殊要求，擬采用非爆破法開挖，并對隧道開挖方法、機械選擇的適用性進行分析和研究。

3.1 開挖方法

3.1.1 液壓破碎錘開挖法

該方法以掌子面既有隧道為臨空面，采用液壓破碎錘依次錘擊鑿除開挖隧道，逐層擴張，直至隧道開挖輪廓線。其適用于節(jié)理、裂隙發(fā)育，層理分明以及層理和節(jié)理之間有軟弱夾層的堅硬巖層。

3.1.2 靜態(tài)破碎開挖法

該方法是在爆破孔中灌入靜態(tài)破碎劑，使其經(jīng)水化反應，產(chǎn)生晶體變形；隨著時間的增長，體積膨脹產(chǎn)生徑向壓應力和環(huán)向拉應力，從而緩慢地將壓力施加給孔壁，在孔壁周圍巖體內部產(chǎn)生拉應力，經(jīng)過5～24 h后達到最大值，將巖體脹裂、破碎。其適用于高密度脆性巖石破裂[8]。

3.1.3 液壓劈裂機開挖法

該方法應用斜楔原理，推動劈裂槍楔片向兩邊擴張產(chǎn)生擴張力，可劈裂強度達55～60 MPa，從而使巖體從內部劈裂而分離開。采用取芯鉆機沿隧道開挖輪廓線鉆孔取芯，為劈裂提供臨空面；利用爆破孔作為劈裂孔，自下而上、由外而內分裂巖石。其適用于高密度脆性巖石劈裂。

3.1.4 單臂掘進機開挖法

單臂掘進機開挖法是通過截割頭的高速轉動，利用其攜帶的截齒來削切圍巖，以懸臂的上下左右擺動調整截割頭的削切位置，截割出初步斷面形狀，最高切削圍巖強度可達80 MPa。之后再輔以銑挖機對隧道開挖輪廓線進行修邊。二者均是采用機械硬齒切削巖石而達到開挖目的[9-10]。

3.2 工程環(huán)境分析

3.2.1 外圍環(huán)境特點

施工段下穿繁華商業(yè)區(qū)，休閑、購物人員眾多，且兼作小龍坎環(huán)道立交地下通道，人流量極大，區(qū)域位置十分敏感。施工過程需加強對振動、噪聲等的控制，最大限度地降低對周邊群眾生活環(huán)境的影響。

新建隧道屬于近接既有建筑物施工，隧道開挖的應力釋放將導致圍巖的位移，進而影響既有商場、車庫的結構變形、結構應力及穩(wěn)定性。施工過程需減小對圍巖的擾動，嚴控沉降變形，達到快速通過的目的。

3.2.2 巖性分析

不同圍巖巖性對隧道開挖方法及機械設備的選擇至關重要，需科學判定圍巖巖性，制定與其相匹配的開挖方案。經(jīng)現(xiàn)場開挖揭示掌子面巖層完整，為整體性較好的泥巖夾砂巖。泥巖呈紫紅色，中厚層—厚層狀，巖質較軟。砂巖呈黃灰色，中—細粒結構，質稍硬。現(xiàn)場錘擊聲悶、無回彈、有凹痕，部分較難擊碎。取樣5組30件巖塊試樣分別進行天然及飽和單軸抗壓強度試驗，對巖石的堅硬程度進行判定。試驗結果如表2所示。

表2 巖石強度試驗結果

根據(jù)巖石單軸抗壓試驗結果，天然單軸抗壓強度為7.09～22.17 MPa，飽和單軸抗壓強度為4.68～15.78 MPa，判定該段中等風化泥巖夾砂巖為較完整的軟巖[11]。

3.3 開挖方法比選

綜合上述對比分析，液壓破碎錘法強振、強噪聲，對周邊環(huán)境和圍巖擾動大，故不選用。靜態(tài)破碎法和取芯鉆配合劈裂法雖對周邊環(huán)境影響小，但施工效率不高、進度較慢，尤其是對軟巖劈裂，巖體會產(chǎn)生塑性變形使其失去作用。經(jīng)試驗，該段泥巖夾砂巖強度在30 MPa以下，屬中低硬度巖層，在單臂掘進機的切削強度范圍內；同時考慮新建隧道是既有隧道擴挖工程，需要破除既有隧道襯砌和底板混凝土，單臂掘進機亦可切削既有隧道襯砌，故采用單臂掘進機開挖法施工。

4 單臂掘進機開挖方案

開挖機械采用三一重工生產(chǎn)的EBZ260H型單臂掘進機，輔助設備主要有1 140 V專用電源、高壓水降塵系統(tǒng)、干式除塵系統(tǒng)、自動隔塵系統(tǒng)、污水抽排系統(tǒng)。單臂掘進機設備參數(shù)如表3所示。

表3 單臂掘進機設備參數(shù)

結合掘進機的外形尺寸及定位有效截割范圍等特點，隧道開挖采用上下臺階法施工，上臺階高度為6 m、下臺階高度為4 m，采用單臂掘進機開挖(見圖7)，銑挖機輔助開挖。將上臺階斷面分成上下左右4個分部進行截割，開挖順序如圖8所示。按照先行開挖掌子面圍巖Ⅰ部，然后依次截割Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ部，再拆除既有隧道襯砌Ⅴ部、Ⅵ部順序進行。下臺階斷面按照左右部依次開挖。截割切削采用從下至上、環(huán)形順序開挖，逐層擴大開挖面，以盡可能減輕對圍巖的擾動，維護圍巖的整體穩(wěn)定性[12-13]。

圖7 單臂掘進機

圖8 開挖順序示意圖

既有隧道采用鋼架臨時支護，拆除按照先拱中位置，然后依次向左右拱肩切削，最后破除直墻襯砌的順序自上而下進行[14-15]。

5 適用性實測分析

現(xiàn)場采用單臂掘進機于2017年2月10日至7月13日完成GDK297+440～+580段140 m的開挖作業(yè)，共耗時153 d。

5.1 現(xiàn)場使用情況

單臂掘進機體長近12 m，尾部運輸機長17 m，定位截割最大高度4.8 m，寬度6 m，面積28 m2。隧道上臺階斷面寬12 m，高6 m，結合掘進機的截割特點，現(xiàn)場將上臺階斷面分成上下左右4個分部進行截割。

由于掘進機體長及安全步距的限制,無法實現(xiàn)邊開挖邊出渣。截割開挖約2 h后，因掘進機前洞渣堆積較多需暫停掘進，將掘進機移至另一側，利用挖機將洞渣扒至掘進機后方，待扒渣完成后，再回到該側繼續(xù)截割(約耗時1 h)。掘進機在截割拱部巖體時需利用渣土墊高臺階，才能達到開挖目的。截割完成后的初步斷面拱腳、拱頂?shù)冗吔遣课恍璨捎勉娡跈C二次修整。1次作業(yè)循環(huán)，需移動單臂掘進機5次，中間移機、墊渣累計耗時約5 h，完成機械開挖作業(yè)環(huán)節(jié)累計耗時14.5 h。

為達到快速掘進及功效的最大化，在上臺階采用單臂掘進機開挖的同時，下臺階一側或仰拱采用銑挖機開挖。仰拱及二次襯砌一次施工長度為6 m，二次襯砌施工摒棄原有的防水板臺車，并在二次襯砌臺車沿掘進方向的端頭增設懸臂式臺架進行防水板的掛設。擴挖段臺階法施工縱斷面如圖9所示。

圖9 擴挖段臺階法施工縱斷面(單位：cm)

在砂巖、泥巖夾砂巖圍巖環(huán)境中，截割后渣土呈粉末狀，開挖過程中產(chǎn)生大量煙塵，極大地影響了洞內的作業(yè)環(huán)境。在洞內配套110 kW壓入式通風機、高壓水降塵系統(tǒng)、干式除塵系統(tǒng)(見圖10)和自動隔塵系統(tǒng)(見圖11)等組合降塵設備時，環(huán)境雖有一定的改善，但效果仍不理想。

圖10 干式除塵系統(tǒng)

圖11 自動隔塵系統(tǒng)

此外，現(xiàn)場采用單臂掘進機開挖施工未造成地下商場底板、柱開裂以及結構防排水設施的損壞。

5.2 安全性監(jiān)測

隧道上臺階單臂掘進機開挖時，在正上部商場內安裝振速監(jiān)測儀進行監(jiān)測，振動測試結果顯示，開挖過程中無法觸發(fā)振速監(jiān)測儀，說明振速小于0.1 cm/s，表明對上部建筑結構基本無影響。

施工期間為確保地下商場結構安全，對地下商場結構的沉降、傾斜進行監(jiān)測。根據(jù)《建筑地基基礎設計規(guī)范》[7]和《鐵路隧道監(jiān)控量測技術規(guī)程》[16]要求，測點布置如下：

1)以商場底板為沉降影響范圍，并在底板前后端增設1處沉降測點，主要量測底板的沉降；

2)柱沉降及傾斜測點布置于柱底端及頂端，主要量測隧道影響范圍內柱體；

3)車庫墻體水平位移測點布置于墻體中部，主要量測隧道影響范圍內墻體；

4)隧道內量測點與商場內測點布設在同一斷面，即縱向間距3.2 m。

下穿段施工商場內測點布置如圖12所示。

圖12 商場內測點布置圖

地下商場沉降位移監(jiān)測結果顯示，各測點累計最大沉降量為1.79 mm，地下車庫各監(jiān)測點累計最大位移量為0.87 mm。隧道內拱頂累計最大沉降量為12.78 mm。各監(jiān)測點未發(fā)現(xiàn)較大突然變形等異常現(xiàn)象，變形趨勢平緩，各監(jiān)測點累計沉降變形值未超過預警值，說明施工措施安全可靠，既有建筑物結構安全。

5.3 工效分析

5.3.1 切削施工效率

期間單臂掘進機開挖約28.5 h完成1循環(huán)，進尺1.2 m，月均掘進30 m。單臂掘進機開挖作業(yè)環(huán)節(jié)累計耗時1 754 h，累計截割開挖方量約9 100 m3。在巖層強度30 MPa左右時，切削效率約為5 m3/h，而在切削混凝土時效率較低。

5.3.2 隧道循環(huán)施工效率

試驗1：取單臂掘進機機械開挖施工1個循環(huán)進行分析，進尺1.2 m。試驗2：取液壓破碎錘機械開挖1個循環(huán)進行分析，進尺1.2 m。對比上述2種方案施工效率如表4所示。

表4 施工效率對比

通過對比可知，單臂掘進機機械開挖整體施工工效比液壓破碎錘機械開挖要高。

5.4 經(jīng)濟成本分析

該開挖方式除配備常規(guī)隧道開挖設備外，增加了1 140 V專用電源、干式除塵系統(tǒng)2臺、銑挖機1臺、增壓泵2臺及專用高壓電纜(線長根據(jù)隧道掘進長度確定)等。

供電：掘進機耗電量為452 kW·h(設備總功率為403 kW)。

配件消耗：主要為截齒消耗，經(jīng)統(tǒng)計每開挖100 m3平均消耗掘進機截齒15個，包括磨耗、斷齒、脫落等消耗。

設備維修：單臂掘進機投入現(xiàn)場施工近4個月，機器的液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)和噴淋系統(tǒng)等累計出現(xiàn)故障19次，需廠家維修，電器系統(tǒng)的小型變壓器需直接寄回廠家維修或更換。

施工人員：機械操作人員2名，日常保養(yǎng)維護人員1名，施工輔助人員5名。較常規(guī)鉆爆施工人員少15人以上。

經(jīng)現(xiàn)場與設計院共同測定，單臂掘進機開挖Ⅳ級圍巖定額基價為461.79元/m3，Ⅴ級圍巖定額基價為463.44元/m3。

6 結論與討論

在繁華城區(qū)淺埋、近接既有建(構)筑物隧道采用非爆法施工時，設備選型需進一步結合圍巖地質情況及外圍環(huán)境特點等具體分析其適用性。本文對單臂掘進機在鐵路大斷面隧道中的適用性進行研究和分析，主要結論與討論如下：

1)試驗表明，在淺埋、近接既有建(構)筑物環(huán)境中應用單臂掘進機切削法進行隧道開挖，在減小對周邊圍巖及建(構)筑物的擾動、控制沉降方面效果明顯，安全性高。

2)在圍巖強度為30 MPa左右時，單臂掘進機的開挖掘進效率較高。

3)從經(jīng)濟效益上分析，單臂掘進機開挖的成本由于設備投入、功效等因素，較普通機械開挖成本有比較大的增加，在開挖Ⅳ、Ⅴ級圍巖時單臂掘進機的施工成本基本一致。

4)單臂掘進機開挖受大斷面隧道尺寸、隧道安全步距控制等方面的制約，影響其功效的正常發(fā)揮，導致開挖過程工序相對繁多，降低了隧道掘進速度。對于單臂掘進機切削法，建議在特殊環(huán)境、敏感工點、短距離隧道掘進中應用，對于長距離隧道掘進還需進一步優(yōu)化單臂掘進機開挖的工法體系，以及在砂巖、泥巖夾砂巖圍巖環(huán)境中的降塵措施。