繁華城區(qū)淺埋隧道應(yīng)用單臂掘進(jìn)機(jī)開(kāi)挖適用性研究
——以新紅巖隧道下穿地下商場(chǎng)工程為例

呂永林，張東杰，唐文喜，楊學(xué)中，秦小鋒，任 毅

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

0 引言

近年來(lái)重慶市鐵路建設(shè)取得突飛猛進(jìn)的發(fā)展，規(guī)劃建設(shè)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(gòu))筑物，下方密布市政管網(wǎng)、地鐵隧道等，左右側(cè)毗鄰市政道路、橋梁樁基礎(chǔ)等，環(huán)境十分復(fù)雜。

針對(duì)淺埋、近接既有建(構(gòu))筑物隧道采用非爆破開(kāi)挖掘進(jìn)技術(shù)，甘雨等[1]通過(guò)對(duì)比分析，采用高頻振動(dòng)破碎錘及銑挖機(jī)為主的非爆破機(jī)械聯(lián)合作業(yè)施工技術(shù)，減小了對(duì)周邊建筑物的擾動(dòng)，保證了施工安全，解決了單一機(jī)械設(shè)備施工速度慢等問(wèn)題；劉松等[2]研究了一種各向異性圍巖非爆破開(kāi)挖方法，采用平口鉆頭的手提式風(fēng)鎬、液壓劈裂開(kāi)挖新工法在地下工程中進(jìn)行了應(yīng)用，提高了開(kāi)挖工效；程月紅等[3]總結(jié)了臨近既有建(構(gòu))筑物施工時(shí)采用的預(yù)裂膨脹巖體非爆破開(kāi)挖方法，保證了既有結(jié)構(gòu)的安全。在控制既有建(構(gòu))筑物沉降變形、結(jié)構(gòu)安全性方面，王建功等[4]通過(guò)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(duì)既有車站地表變形的影響，并提出相應(yīng)的控制技術(shù)；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(guān)鍵技術(shù)，成功地將地表沉降值、隧道內(nèi)凈空變化控制在允許范圍內(nèi)；吳昊[6]研究了復(fù)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(shè)計(jì)及施工關(guān)鍵技術(shù)，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(yùn)營(yíng)和降低隧道施工風(fēng)險(xiǎn)等方面取得了較好的工程效果，這也是目前研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。從以往研究可以看出，在淺埋、近接既有建(構(gòu))筑物工況下，相關(guān)學(xué)者對(duì)隧道非爆破開(kāi)挖技術(shù)和控制沉降變形方面進(jìn)行了深入研究，但在繁華城區(qū)淺埋大斷面隧道中應(yīng)用單臂掘進(jìn)機(jī)開(kāi)挖的適用性、安全性、工效和成本等方面尚沒(méi)有明確的結(jié)論。

本文以成渝客專新紅巖隧道下穿地下商場(chǎng)為工程背景，基于近接既有建筑物大斷面隧道應(yīng)用單臂掘進(jìn)機(jī)開(kāi)挖，通過(guò)對(duì)既有結(jié)構(gòu)的沉降變形、安全性進(jìn)行論述，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)隧道非爆法開(kāi)挖的施工方法、機(jī)械選擇與所處環(huán)境的適用性進(jìn)行分析研究，總結(jié)試驗(yàn)成果，以期為大斷面隧道應(yīng)用單臂掘進(jìn)機(jī)開(kāi)挖提供參考。

1 工程概況

成渝鐵路客運(yùn)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(chǎng)、高層建筑等建(構(gòu))筑物，其中GDK297+450～+485段和GDK297+512～+547段下穿小龍坎廣場(chǎng)地下1層商場(chǎng)(兼作地下通道)為既有小龍坎隧道擴(kuò)挖，隧道左側(cè)為地下二、三層車庫(kù)。該段位于繁華商業(yè)區(qū)，每天休閑、購(gòu)物人員眾多，下穿段影響面積約4 500 m2，施工難度大、風(fēng)險(xiǎn)高。新建隧道下穿地下商場(chǎng)平面位置如圖1所示。

圖1 新建隧道下穿地下商場(chǎng)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(shè)計(jì)為單面下坡，最大坡度為8‰，采用單側(cè)設(shè)置排水溝、拱形直墻襯砌，拱部襯砌為素混凝土(實(shí)測(cè)抗壓強(qiáng)度約為12 MPa)，邊墻襯砌為漿砌條石(實(shí)測(cè)抗壓強(qiáng)度約為8 MPa)。

1.2 小龍坎廣場(chǎng)地下商場(chǎng)設(shè)計(jì)概況

小龍坎廣場(chǎng)地下商場(chǎng)已修建完成，抗震等級(jí)按三級(jí)設(shè)計(jì)，安全等級(jí)按二級(jí)設(shè)計(jì)，耐火等級(jí)按一級(jí)設(shè)計(jì)。地下一層商場(chǎng)結(jié)構(gòu)體系采用框架結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)形式為筏板基礎(chǔ)和筏板下獨(dú)立柱基礎(chǔ)，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(dú)立柱基礎(chǔ)下部采用120 cm×120 cm或者240 cm×240 cm擴(kuò)大基礎(chǔ)，持力層為中風(fēng)化基巖。

1.3 新建隧道與既有結(jié)構(gòu)物位置關(guān)系

新建隧道為既有小龍坎隧道擴(kuò)挖，為漸變交叉過(guò)渡，且下穿地下一層商場(chǎng)，隧道開(kāi)挖范圍內(nèi)有24根鋼筋混凝土柱，其中線路右側(cè)8根柱下部采用擴(kuò)大基礎(chǔ)。擴(kuò)挖隧道頂距離上部商場(chǎng)結(jié)構(gòu)筏板底間距為1.7～3 m，與柱基礎(chǔ)距離最近約0.83 m，橫向距離地下二、三層車庫(kù)7～10 m。新建隧道下穿地下商場(chǎng)最不利斷面如圖2所示。

圖2 新建隧道下穿地下商場(chǎng)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(chǎng)筏板底凈距1.72 m，與筏板獨(dú)立柱基礎(chǔ)最小凈距僅0.83 m，線路左側(cè)與地下二層、三層車庫(kù)結(jié)構(gòu)橫向距離9.73 m，屬于近接建筑物施工。

1.4 新紅巖隧道設(shè)計(jì)概況

該段地質(zhì)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(nèi)的上層滯水和基巖風(fēng)化裂隙水，無(wú)明顯滲水，V級(jí)圍巖。

設(shè)計(jì)采用非爆破開(kāi)挖、臺(tái)階法施工，采用φ159大管棚超前支護(hù)，取消拱部錨桿；全環(huán)I18型鋼鋼架，間距0.6 m；初期支護(hù)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(hù)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(chǎng)結(jié)構(gòu)安全，施工期間對(duì)地下商場(chǎng)結(jié)構(gòu)的沉降、傾斜進(jìn)行監(jiān)測(cè)。監(jiān)控量測(cè)控制基準(zhǔn)值如表1所示。

表1 監(jiān)控量測(cè)控制基準(zhǔn)值

1.5 現(xiàn)場(chǎng)情況

小龍坎廣場(chǎng)為小龍坎環(huán)道立交孤島，后改造為周邊居民休閑娛樂(lè)活動(dòng)場(chǎng)所，地下一層商場(chǎng)為華潤(rùn)萬(wàn)家超市，地處繁華商業(yè)區(qū)，地下二、三層為車庫(kù)。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(cè)開(kāi)挖范圍有商場(chǎng)風(fēng)機(jī)房2處，臨近室內(nèi)排水溝，開(kāi)挖影響段內(nèi)無(wú)其他管線、結(jié)構(gòu)物。

華潤(rùn)萬(wàn)家超市要求開(kāi)挖施工時(shí)間控制在其超市的非營(yíng)業(yè)時(shí)段(當(dāng)日22:00至次日7:00)。為保證上部商場(chǎng)內(nèi)人員及貨物安全，并達(dá)到隧道掘進(jìn)全天連續(xù)施工的目的，經(jīng)協(xié)商將上部影響范圍內(nèi)貨品清空，設(shè)置可移動(dòng)式的臨時(shí)圍擋，預(yù)留1.5 m寬的通道保證行人通過(guò)，且根據(jù)掌子面的掘進(jìn)及時(shí)調(diào)整通道位置。

2 安全性評(píng)價(jià)

隧道開(kāi)挖的應(yīng)力釋放將導(dǎo)致周邊圍巖的位移，進(jìn)而影響既有商場(chǎng)、車庫(kù)的結(jié)構(gòu)變形、結(jié)構(gòu)應(yīng)力及穩(wěn)定性。

采用巖土通用有限元MIDAS/GTS進(jìn)行數(shù)值計(jì)算分析。根據(jù)新紅巖隧道與上部地下商場(chǎng)基礎(chǔ)的相對(duì)位置關(guān)系，選取隧道與地下一層商場(chǎng)下部筏板及擴(kuò)大基礎(chǔ)相對(duì)位置最不利橫斷面進(jìn)行分析，模擬隧道開(kāi)挖實(shí)際施工步驟，分析隧道初期支護(hù)和二次襯砌完成后地下一層商場(chǎng)的沉降及位移情況，并綜合評(píng)價(jià)隧道下穿施工對(duì)地下一層商場(chǎng)的影響。

2.1 計(jì)算模型

本次計(jì)算采用MADIS/GTS建立二維平面計(jì)算模型，兩側(cè)距離隧道中線為36 m(約3倍洞徑)，底部距離隧道仰拱開(kāi)挖輪廓外12 m，上部邊界為廣場(chǎng)地表面。新建隧道采用單臂掘進(jìn)機(jī)開(kāi)挖，上下臺(tái)階法施工，分3種工況分別模擬隧道的施工過(guò)程。

工況1：初始狀態(tài)下地層應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算。

工況2：開(kāi)挖并施作初期支護(hù)。

工況3：隧道施作二次襯砌結(jié)構(gòu)。

2.2 計(jì)算結(jié)果

隧道開(kāi)挖后上部既有地下商場(chǎng)及其柱基礎(chǔ)位移分布如圖3—6所示。

圖3 隧道施作初期支護(hù)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(jì)算結(jié)果得到以下結(jié)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(duì)比初期支護(hù)與隧道建成后隧道圍巖變形發(fā)展，在隧道施工過(guò)程中圍巖應(yīng)力釋放基本完成。

2)隧道正上方地下商場(chǎng)結(jié)構(gòu)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(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范，基礎(chǔ)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(kāi)挖后地下商場(chǎng)結(jié)構(gòu)的沉降值在控制范圍內(nèi)。

圖5 隧道施作初期支護(hù)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(kāi)挖對(duì)上部商場(chǎng)結(jié)構(gòu)影響最大的是拱頂右側(cè)的柱基礎(chǔ)，此柱基為施工薄弱處，需要加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)。

隧道開(kāi)挖施工不可避免地會(huì)造成上部地下商場(chǎng)的沉降，但通過(guò)設(shè)計(jì)合理的加強(qiáng)措施，組織嚴(yán)密的專項(xiàng)施工方案，加強(qiáng)過(guò)程監(jiān)控，既有建(構(gòu))筑物的沉降和位移均在安全、可接受范圍內(nèi)。

3 工法適用性分析

鑒于本項(xiàng)目在近接既有結(jié)構(gòu)的保護(hù)、施工安全、環(huán)境噪聲及振動(dòng)控制等方面有特殊要求，擬采用非爆破法開(kāi)挖，并對(duì)隧道開(kāi)挖方法、機(jī)械選擇的適用性進(jìn)行分析和研究。

3.1 開(kāi)挖方法

3.1.1 液壓破碎錘開(kāi)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(kāi)挖隧道，逐層擴(kuò)張，直至隧道開(kāi)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(jiān)硬巖層。

3.1.2 靜態(tài)破碎開(kāi)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(yīng)，產(chǎn)生晶體變形；隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，體積膨脹產(chǎn)生徑向壓應(yīng)力和環(huán)向拉應(yīng)力，從而緩慢地將壓力施加給孔壁，在孔壁周圍巖體內(nèi)部產(chǎn)生拉應(yīng)力，經(jīng)過(guò)5～24 h后達(dá)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(jī)開(kāi)挖法

該方法應(yīng)用斜楔原理，推動(dòng)劈裂槍楔片向兩邊擴(kuò)張產(chǎn)生擴(kuò)張力，可劈裂強(qiáng)度達(dá)55～60 MPa，從而使巖體從內(nèi)部劈裂而分離開(kāi)。采用取芯鉆機(jī)沿隧道開(kāi)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(nèi)分裂巖石。其適用于高密度脆性巖石劈裂。

3.1.4 單臂掘進(jìn)機(jī)開(kāi)挖法

單臂掘進(jìn)機(jī)開(kāi)挖法是通過(guò)截割頭的高速轉(zhuǎn)動(dòng)，利用其攜帶的截齒來(lái)削切圍巖，以懸臂的上下左右擺動(dòng)調(diào)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(qiáng)度可達(dá)80 MPa。之后再輔以銑挖機(jī)對(duì)隧道開(kāi)挖輪廓線進(jìn)行修邊。二者均是采用機(jī)械硬齒切削巖石而達(dá)到開(kāi)挖目的[9-10]。

3.2 工程環(huán)境分析

3.2.1 外圍環(huán)境特點(diǎn)

施工段下穿繁華商業(yè)區(qū)，休閑、購(gòu)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(guò)程需加強(qiáng)對(duì)振動(dòng)、噪聲等的控制，最大限度地降低對(duì)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(kāi)挖的應(yīng)力釋放將導(dǎo)致圍巖的位移，進(jìn)而影響既有商場(chǎng)、車庫(kù)的結(jié)構(gòu)變形、結(jié)構(gòu)應(yīng)力及穩(wěn)定性。施工過(guò)程需減小對(duì)圍巖的擾動(dòng)，嚴(yán)控沉降變形，達(dá)到快速通過(guò)的目的。

3.2.2 巖性分析

不同圍巖巖性對(duì)隧道開(kāi)挖方法及機(jī)械設(shè)備的選擇至關(guān)重要，需科學(xué)判定圍巖巖性，制定與其相匹配的開(kāi)挖方案。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)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(zhì)較軟。砂巖呈黃灰色，中—細(xì)粒結(jié)構(gòu)，質(zhì)稍硬。現(xiàn)場(chǎng)錘擊聲悶、無(wú)回彈、有凹痕，部分較難擊碎。取樣5組30件巖塊試樣分別進(jìn)行天然及飽和單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，對(duì)巖石的堅(jiān)硬程度進(jìn)行判定。試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 巖石強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

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

3.3 開(kāi)挖方法比選

綜合上述對(duì)比分析，液壓破碎錘法強(qiáng)振、強(qiáng)噪聲，對(duì)周邊環(huán)境和圍巖擾動(dòng)大，故不選用。靜態(tài)破碎法和取芯鉆配合劈裂法雖對(duì)周邊環(huán)境影響小，但施工效率不高、進(jìn)度較慢，尤其是對(duì)軟巖劈裂，巖體會(huì)產(chǎn)生塑性變形使其失去作用。經(jīng)試驗(yàn)，該段泥巖夾砂巖強(qiáng)度在30 MPa以下，屬中低硬度巖層，在單臂掘進(jìn)機(jī)的切削強(qiáng)度范圍內(nèi)；同時(shí)考慮新建隧道是既有隧道擴(kuò)挖工程，需要破除既有隧道襯砌和底板混凝土，單臂掘進(jìn)機(jī)亦可切削既有隧道襯砌，故采用單臂掘進(jìn)機(jī)開(kāi)挖法施工。

4 單臂掘進(jìn)機(jī)開(kāi)挖方案

開(kāi)挖機(jī)械采用三一重工生產(chǎn)的EBZ260H型單臂掘進(jìn)機(jī)，輔助設(shè)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(dòng)隔塵系統(tǒng)、污水抽排系統(tǒng)。單臂掘進(jìn)機(jī)設(shè)備參數(shù)如表3所示。

表3 單臂掘進(jìn)機(jī)設(shè)備參數(shù)

結(jié)合掘進(jìn)機(jī)的外形尺寸及定位有效截割范圍等特點(diǎn)，隧道開(kāi)挖采用上下臺(tái)階法施工，上臺(tái)階高度為6 m、下臺(tái)階高度為4 m，采用單臂掘進(jìn)機(jī)開(kāi)挖(見(jiàn)圖7)，銑挖機(jī)輔助開(kāi)挖。將上臺(tái)階斷面分成上下左右4個(gè)分部進(jìn)行截割，開(kāi)挖順序如圖8所示。按照先行開(kāi)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(jìn)行。下臺(tái)階斷面按照左右部依次開(kāi)挖。截割切削采用從下至上、環(huán)形順序開(kāi)挖，逐層擴(kuò)大開(kāi)挖面，以盡可能減輕對(duì)圍巖的擾動(dòng)，維護(hù)圍巖的整體穩(wěn)定性[12-13]。

圖7 單臂掘進(jìn)機(jī)

圖8 開(kāi)挖順序示意圖

既有隧道采用鋼架臨時(shí)支護(hù)，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(jìn)行[14-15]。

5 適用性實(shí)測(cè)分析

現(xiàn)場(chǎng)采用單臂掘進(jìn)機(jī)于2017年2月10日至7月13日完成GDK297+440～+580段140 m的開(kāi)挖作業(yè)，共耗時(shí)153 d。

5.1 現(xiàn)場(chǎng)使用情況

單臂掘進(jìn)機(jī)體長(zhǎng)近12 m，尾部運(yùn)輸機(jī)長(zhǎng)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(tái)階斷面寬12 m，高6 m，結(jié)合掘進(jìn)機(jī)的截割特點(diǎn)，現(xiàn)場(chǎng)將上臺(tái)階斷面分成上下左右4個(gè)分部進(jìn)行截割。

由于掘進(jìn)機(jī)體長(zhǎng)及安全步距的限制,無(wú)法實(shí)現(xiàn)邊開(kāi)挖邊出渣。截割開(kāi)挖約2 h后，因掘進(jìn)機(jī)前洞渣堆積較多需暫停掘進(jìn)，將掘進(jìn)機(jī)移至另一側(cè)，利用挖機(jī)將洞渣扒至掘進(jìn)機(jī)后方，待扒渣完成后，再回到該側(cè)繼續(xù)截割(約耗時(shí)1 h)。掘進(jìn)機(jī)在截割拱部巖體時(shí)需利用渣土墊高臺(tái)階，才能達(dá)到開(kāi)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(jī)二次修整。1次作業(yè)循環(huán)，需移動(dòng)單臂掘進(jìn)機(jī)5次，中間移機(jī)、墊渣累計(jì)耗時(shí)約5 h，完成機(jī)械開(kāi)挖作業(yè)環(huán)節(jié)累計(jì)耗時(shí)14.5 h。

為達(dá)到快速掘進(jìn)及功效的最大化，在上臺(tái)階采用單臂掘進(jìn)機(jī)開(kāi)挖的同時(shí)，下臺(tái)階一側(cè)或仰拱采用銑挖機(jī)開(kāi)挖。仰拱及二次襯砌一次施工長(zhǎng)度為6 m，二次襯砌施工摒棄原有的防水板臺(tái)車，并在二次襯砌臺(tái)車沿掘進(jìn)方向的端頭增設(shè)懸臂式臺(tái)架進(jìn)行防水板的掛設(shè)。擴(kuò)挖段臺(tái)階法施工縱斷面如圖9所示。

圖9 擴(kuò)挖段臺(tái)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(kāi)挖過(guò)程中產(chǎn)生大量煙塵，極大地影響了洞內(nèi)的作業(yè)環(huán)境。在洞內(nèi)配套110 kW壓入式通風(fēng)機(jī)、高壓水降塵系統(tǒng)、干式除塵系統(tǒng)(見(jiàn)圖10)和自動(dòng)隔塵系統(tǒng)(見(jiàn)圖11)等組合降塵設(shè)備時(shí)，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(dòng)隔塵系統(tǒng)

此外，現(xiàn)場(chǎng)采用單臂掘進(jìn)機(jī)開(kāi)挖施工未造成地下商場(chǎng)底板、柱開(kāi)裂以及結(jié)構(gòu)防排水設(shè)施的損壞。

5.2 安全性監(jiān)測(cè)

隧道上臺(tái)階單臂掘進(jìn)機(jī)開(kāi)挖時(shí)，在正上部商場(chǎng)內(nèi)安裝振速監(jiān)測(cè)儀進(jìn)行監(jiān)測(cè)，振動(dòng)測(cè)試結(jié)果顯示，開(kāi)挖過(guò)程中無(wú)法觸發(fā)振速監(jiān)測(cè)儀，說(shuō)明振速小于0.1 cm/s，表明對(duì)上部建筑結(jié)構(gòu)基本無(wú)影響。

施工期間為確保地下商場(chǎng)結(jié)構(gòu)安全，對(duì)地下商場(chǎng)結(jié)構(gòu)的沉降、傾斜進(jìn)行監(jiān)測(cè)。根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》[7]和《鐵路隧道監(jiān)控量測(cè)技術(shù)規(guī)程》[16]要求，測(cè)點(diǎn)布置如下：

1)以商場(chǎng)底板為沉降影響范圍，并在底板前后端增設(shè)1處沉降測(cè)點(diǎn)，主要量測(cè)底板的沉降；

2)柱沉降及傾斜測(cè)點(diǎn)布置于柱底端及頂端，主要量測(cè)隧道影響范圍內(nèi)柱體；

3)車庫(kù)墻體水平位移測(cè)點(diǎn)布置于墻體中部，主要量測(cè)隧道影響范圍內(nèi)墻體；

4)隧道內(nèi)量測(cè)點(diǎn)與商場(chǎng)內(nèi)測(cè)點(diǎn)布設(shè)在同一斷面，即縱向間距3.2 m。

下穿段施工商場(chǎng)內(nèi)測(cè)點(diǎn)布置如圖12所示。

圖12 商場(chǎng)內(nèi)測(cè)點(diǎn)布置圖

地下商場(chǎng)沉降位移監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，各測(cè)點(diǎn)累計(jì)最大沉降量為1.79 mm，地下車庫(kù)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)累計(jì)最大位移量為0.87 mm。隧道內(nèi)拱頂累計(jì)最大沉降量為12.78 mm。各監(jiān)測(cè)點(diǎn)未發(fā)現(xiàn)較大突然變形等異常現(xiàn)象，變形趨勢(shì)平緩，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)累計(jì)沉降變形值未超過(guò)預(yù)警值，說(shuō)明施工措施安全可靠，既有建筑物結(jié)構(gòu)安全。

5.3 工效分析

5.3.1 切削施工效率

期間單臂掘進(jìn)機(jī)開(kāi)挖約28.5 h完成1循環(huán)，進(jìn)尺1.2 m，月均掘進(jìn)30 m。單臂掘進(jìn)機(jī)開(kāi)挖作業(yè)環(huán)節(jié)累計(jì)耗時(shí)1 754 h，累計(jì)截割開(kāi)挖方量約9 100 m3。在巖層強(qiáng)度30 MPa左右時(shí)，切削效率約為5 m3/h，而在切削混凝土?xí)r效率較低。

5.3.2 隧道循環(huán)施工效率

試驗(yàn)1：取單臂掘進(jìn)機(jī)機(jī)械開(kāi)挖施工1個(gè)循環(huán)進(jìn)行分析，進(jìn)尺1.2 m。試驗(yàn)2：取液壓破碎錘機(jī)械開(kāi)挖1個(gè)循環(huán)進(jìn)行分析，進(jìn)尺1.2 m。對(duì)比上述2種方案施工效率如表4所示。

表4 施工效率對(duì)比

通過(guò)對(duì)比可知，單臂掘進(jìn)機(jī)機(jī)械開(kāi)挖整體施工工效比液壓破碎錘機(jī)械開(kāi)挖要高。

5.4 經(jīng)濟(jì)成本分析

該開(kāi)挖方式除配備常規(guī)隧道開(kāi)挖設(shè)備外，增加了1 140 V專用電源、干式除塵系統(tǒng)2臺(tái)、銑挖機(jī)1臺(tái)、增壓泵2臺(tái)及專用高壓電纜(線長(zhǎng)根據(jù)隧道掘進(jìn)長(zhǎng)度確定)等。

供電：掘進(jìn)機(jī)耗電量為452 kW·h(設(shè)備總功率為403 kW)。

配件消耗：主要為截齒消耗，經(jīng)統(tǒng)計(jì)每開(kāi)挖100 m3平均消耗掘進(jìn)機(jī)截齒15個(gè)，包括磨耗、斷齒、脫落等消耗。

設(shè)備維修：?jiǎn)伪劬蜻M(jìn)機(jī)投入現(xiàn)場(chǎng)施工近4個(gè)月，機(jī)器的液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)和噴淋系統(tǒng)等累計(jì)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(jī)械操作人員2名，日常保養(yǎng)維護(hù)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(chǎng)與設(shè)計(jì)院共同測(cè)定，單臂掘進(jìn)機(jī)開(kāi)挖Ⅳ級(jí)圍巖定額基價(jià)為461.79元/m3，Ⅴ級(jí)圍巖定額基價(jià)為463.44元/m3。

6 結(jié)論與討論

在繁華城區(qū)淺埋、近接既有建(構(gòu))筑物隧道采用非爆法施工時(shí)，設(shè)備選型需進(jìn)一步結(jié)合圍巖地質(zhì)情況及外圍環(huán)境特點(diǎn)等具體分析其適用性。本文對(duì)單臂掘進(jìn)機(jī)在鐵路大斷面隧道中的適用性進(jìn)行研究和分析，主要結(jié)論與討論如下：

1)試驗(yàn)表明，在淺埋、近接既有建(構(gòu))筑物環(huán)境中應(yīng)用單臂掘進(jìn)機(jī)切削法進(jìn)行隧道開(kāi)挖，在減小對(duì)周邊圍巖及建(構(gòu))筑物的擾動(dòng)、控制沉降方面效果明顯，安全性高。

2)在圍巖強(qiáng)度為30 MPa左右時(shí)，單臂掘進(jìn)機(jī)的開(kāi)挖掘進(jìn)效率較高。

3)從經(jīng)濟(jì)效益上分析，單臂掘進(jìn)機(jī)開(kāi)挖的成本由于設(shè)備投入、功效等因素，較普通機(jī)械開(kāi)挖成本有比較大的增加，在開(kāi)挖Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖時(shí)單臂掘進(jìn)機(jī)的施工成本基本一致。

4)單臂掘進(jìn)機(jī)開(kāi)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(dǎo)致開(kāi)挖過(guò)程工序相對(duì)繁多，降低了隧道掘進(jìn)速度。對(duì)于單臂掘進(jìn)機(jī)切削法，建議在特殊環(huán)境、敏感工點(diǎn)、短距離隧道掘進(jìn)中應(yīng)用，對(duì)于長(zhǎng)距離隧道掘進(jìn)還需進(jìn)一步優(yōu)化單臂掘進(jìn)機(jī)開(kāi)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。