禁爆區域地鐵隧道懸臂掘進機施工技術探討

聞民臣

（中鐵十八局集團有限公司，天津 300222）

1 引言

盾構法隧道施工雖已成為城市軌道交通區間隧道施工的主要工法，但在多項目交叉施工等特殊工程環境下，盾構施工所必需的場地難以滿足要求，即盾構機進出場所必需的道路、場地要求難以保障，而且在區間地質以中風化石灰巖為主且無地下水區段常規盾構法難以實施，需要采用替代工法施工。

文獻[1-5]研究了懸臂掘進機在鐵路隧道應用技術，文獻[6-9]研究了懸臂掘進機在采礦及水利工程中的應用技術；惠文軍，趙濤等[10]研究了懸臂掘進機在半蓋挖地鐵車站的應用技術；漆泰岳，李斌[11]研究了懸臂掘進機在復雜斷面隧道中的應用技術；王梯普、李遠征[12]從施工成本、文明施工方面研究了小斷面隧道采用懸臂掘進機的可行性；文獻[13-15]研究了地鐵隧道應用懸臂掘進機的相關施工技術；汪超[16]以深圳地鐵工程為例研究了懸臂掘進機近距離下穿既有地鐵線路的施工控制要點并總結了其優缺點；文獻[17-18]以實際工程為例研究了懸臂掘進機在巖溶隧道中的應用技術；謝達文[19]研究了控制爆破與懸臂掘進機的組合法施工技術。綜上，少有文獻研究禁爆區域采用懸臂掘進機開挖地鐵隧道的相關技術，本文研究在狹小地面工程環境條件下，采用懸臂掘進機開挖地鐵隧道的施工技術，成功解決了禁爆區域中風化石灰巖地層礦山法開挖地鐵隧道的技術問題，獲得了良好的經濟效益、社會效益和環境效益。

2 工程概況

濟南市中央商務區與濟南市軌道交通合建項目中工業南路站為盾構始發車站，軌道交通項目開工后，周邊地塊相繼進入建設期，既有場地已不能滿足盾構機吊裝、掘進施工條件，施工工藝由盾構法施工變更為礦山法施工。工業南路站—綢帶公園站區間左線517 m、右線373 m，區間隧道拱頂埋深13.1～15.2 m，左線和右線間距為17.2～20.2 m，采用單洞單線馬蹄形斷面，工業南路站臨近居民樓，區間隧道沿線建（構）筑物均處于建設期，周邊施工人員、車輛多，工程施工風險大。

區間隧道主要穿越地層為膠結礫巖、含碎石粉質黏土、強風化石灰巖、中風化石灰巖，圍巖等級為Ⅳ ～Ⅴ級。地下水類型為上層滯水，地下水位于隧道底板以下，對隧道施工無影響。隧道穿越膠結礫巖層單軸抗壓強度11.77 MPa，中風化石灰巖層飽和單軸抗壓強度49.20 MPa，強風化石灰巖層飽和單軸抗壓強度 15.50 MPa。

3 懸臂掘進機局部改造

懸臂掘進機銑挖不同巖層交界面時，巖層硬度不同會出現不易破碎的較大塊狀石塊，懸臂掘進機邊雙鏈刮板式溜槽斷面寬620 mm×高508 mm，但其底部設計寬度450 mm、高度400 mm，需在調整可滿足600 mm×500 mm的塊狀物順利排出的需求，同時為限制大于最大通過粒徑的石塊卡在第一輸送機上，在星輪與第一輸送機增加粒徑控制門型架，有大粒徑擠在門型架處時，反轉星輪將石塊排到鏟板部外側后單獨處理。圖1為單軸懸臂式掘進機主機結構圖，圖2為局部改造后懸臂式掘進機示意圖。

4 懸臂掘進機施工流程

4.1 工藝流程

懸臂掘進機開挖隧道施工工藝流程主要包括，上臺階開挖和初期支護，下臺階開挖和初期支護，防水層及二襯施工。懸臂掘進機開挖隧道施工工藝流程圖如圖3所示，隧道橫斷面開挖示意如圖4所示，隧道縱斷面開挖示意如圖5所示。

4.2 上臺階施工

（1）掌子面附近清理整平。掌子面附近場地應清渣完畢，地面利用碎渣略做找平，以滿足掘進機及輔助設備進出場地及工作穩定性要求為準。

（2）測量放樣。利用平面及高程控制點，以隧道中線、高程點為基準，據此在掌子面上以偏距及高程標示隧道開挖輪廓線。開挖過程中由專業測量人員采用全站儀測量放樣，進洞后在已支護成型洞段埋設紅外線激光指向儀進行測量控制。

（3）掘進機及輔助設備就位。掘進機移動至隧道掌子面前，接通過電源；挖掘機移動至懸臂掘進機的第一運輸機尾部，挖掘機、運輸車輛就位；機械設備正式運行前，需對其機械性能和安全設置進行檢查，并確認滿足安全施工要求。

（4）掌子面土方開挖及土石外運。掘進機啟動，用截割部切削掌子面土體，鏟板部收集切削下來的土體并將其送入第一運輸機，第一運輸機將開挖土石輸送到掘進機尾部；挖掘機與運輸車輛配合，將掘進機尾部渣土及時裝載并清運至豎井底部，井口吊車將渣土吊運至地表外運；掘進機根據地層圍巖條件和施工控制要求，完成規定的循環進尺量，停止掘進；待本循環開挖土石全部清運出洞后，機械設備退出工作面，為初期支護和超前地層加固讓出工作面。

（5）初期支護和超前加固。隧道圍巖條件較差，且地面土體沉降變形控制要求嚴格時，需施作初期支護結構、掌子面圍巖超前加固。

4.3 下臺階施工

待上臺階開挖進尺達到一定長度后，再進行下臺階開挖。下臺階工作面的開挖按照場地清理→開挖輪廓放樣→掘進及出渣機械準備→開挖出渣→初期支護的順序進行，與上臺階掘進施工流程類似。

4.4 防水層及二次襯砌施工

因隧道洞徑較小，為滿足隧道開挖期間施工機械進出，防水層及二次襯砌結構須待隧道貫通后施工，施工條件及工藝流程與傳統礦山法隧道相應部位的施工相同。

4.5 臺階長度確定條件

臺階長度根據懸臂掘進機、挖掘機、出渣車輛協同工作所需的工作空間及圍巖情況確定，臺階軟弱圍巖，應采用較短臺階開挖，初期支護在較短時間內閉合，確保開挖安全。穩定性較好的圍巖，宜采用較長臺階開挖，以利于提高機械設備的效率。區間隧道穿越Ⅳ～Ⅴ級圍巖，臺階長度按20～25 m施工，在局部圍巖穩定性較差時，采取網噴混凝土輔以錨桿加固的方法以提高局部圍巖穩定性。

5 懸臂掘進機控制要點

5.1 開挖模式選擇

（1）掘進機開挖效率受地層圍巖條件影響較大，需根據巖層硬度采取相應的截割模式，當圍巖硬度較低、破巖容易時，采用大半徑鉆頭、高轉速的截割模式，以提高開挖效率為主；當圍巖硬度較高、破巖較困難時，采用小半徑鉆頭、低轉速大扭矩的截割模式，以提高破巖能力為主。

（2）當圍巖硬度較低時，掘進機先在掌子面左下角掏槽，然后通過左右循環向上的順序進行切割，如圖6所示；當圍巖硬度不同時，掘進機先在下部較軟圍巖區掏槽，然后通過左右循環向上的方式進行切割，如圖7所示；當圍巖硬度較高時，掘進機懸臂保持水平，且垂直于掌子面掏槽，然后通過左右循環向上（向下）的方式進行切割，如圖8所示。

（3）截割頭一次掏槽深度不應超過截割部的1/3，如需加大切割深度，須待截割部擴窩后，再加深掏槽，掘進機一次截割深度不應超過截割部有效長度的3/4。

（4）在洞徑較小的條件下，隧道內施工機械調頭、錯車困難，達到理想的“上、下臺階獨立的流水施工”模式比較困難，使用2組掘進系統并不經濟，一般只選用一套掘進系統。因此優化施工組織，提升設備使用效率，是確保施工進度的關鍵因素之一。

5.2 隧道開挖施工

（1）地質確認。區間隧道局部地層穩定性較差，隧道開挖前進行詳細的地質補勘，根據補勘結果，對特殊地層采取超前注漿加固等必要的預處理措施。

（2）超前小導管施工。隧道拱部150°范圍布設超前小導管，小導管長度為3.5 m，環向間距0.4 m，縱向間距2 m，外插角15°，所注水泥漿水灰比1 : 1，注漿壓力0.5～1 MPa。超前小導管施工工藝主要包括施工準備、鉆孔、安設小導管、掌子面封閉、注漿、效果檢驗等，其工藝流程圖如圖9所示。

（3）區間隧道開挖方法。根據區間隧道的圍巖情況，調整上、下臺階開挖長度。上臺階開挖時切割方式由下往上左右循環切割，在兩側拱腳處切割時，控制刀頭切割深度，防止超挖過多后影響上臺階拱腳穩定。每個循環施工完成后為便于下個循環的切割開挖，最里面一榀拱架距離掌子面留出50～70 cm的作業空間，防止下個循環施工時掘進機對上一循環的拱架造成破壞，保證格柵安裝的空間。下臺階開挖時，切割方式由上往下左右循環切割。掘進機開挖切割順序示意圖如圖 10所示。

（4）開挖注意事項。區間隧道開挖過程中必須嚴格遵循“管超前、嚴注漿、短進尺、強支護、早封閉、勤量測”施工原則，根據測量監控反饋的數據信息，優化實際相關參數，以確保施工安全；采用上、下臺階法開挖施工，應根據地質情況及時調整臺階長度，嚴格控制超欠挖，對施工過程中出現的超挖或塌方現象，應采用噴混凝土回填密實，并及時進行回填注漿；區間隧道開挖前應備好搶險物資，并在現場堆碼整齊，距離掌子面不宜超過20 m。

5.3 初期支護

初期支護的施做主要包括格柵拱架、縱向連接筋、鋼筋網的安裝和噴射混凝土作業。格柵拱架安裝前應對開挖巖面進行初噴防護，檢測斷面尺寸，及時處理欠挖侵入凈空部分，以確保安裝質量符合設計要求。格柵拱架安裝完成后，鎖腳節點處各打設鎖腳錨管（桿）2根，鎖腳錨管打設角度為30°，每根長3 m。

5.4 噴射混凝土

噴射混凝土采用早強混凝土。掌子面開挖至設計尺寸后，及時封閉支護，確保掌子面的安全和穩定，先初噴35 mm厚混凝土封閉巖面，架設格柵拱架、打錨桿，再補噴混凝土至設計厚度，將鋼格柵噴滿。

6 結論

（1）懸臂掘進機可較好地適用于城市禁爆區域礦山法開挖地鐵單洞單線隧道，在單軸抗壓強度50 MPa以下的無水穩定地層具有較高施工效率；既解決了施工場地受限，人工配合常規機械開挖施工速度慢、成本高等問題，又規避了禁爆區域申請爆破施工難的系列弊端，經濟效益、社會效益和環境效益顯著。

（2）懸臂掘進機截割頭旋轉形成隧道輪廓線，能夠較好地控制隧道的超欠挖，可適用于不同洞徑、不同斷面形式的隧道開挖；懸臂掘進機開挖隧道對圍巖的損傷小，開挖面巖石松弛、掉塊、崩塌風險極小，施工安全性高，對周邊建筑物的振動影響小。