鐵路隧道中懸臂掘進機施工試驗研究★

蔣博林，吳麗君

(1.重慶交通大學，重慶 400074； 2.招商局重慶交通科研設計院有限公司，重慶 400067；3.重慶工程職業技術學院，重慶 402260； 4.中鐵八局集團第一工程有限公司，重慶 400053)

懸臂掘進機是主要應用于煤礦巷道掘進施工的綜合機械化掘進設備，鐵路隧道工程中采用懸臂掘進機施工的案例不多，沒有現成相關規范、標準，工藝工法可以借鑒、參考。雷升祥等[1]分析了懸臂掘進機在鐵路隧道施工中的開挖方案、機械化配套方式以及輔助工藝，并提出了具體的實現方式。項志敏等[2]研究了適應于大斷面鐵路隧道施工的懸臂掘進機銑挖工藝，同時也對懸臂掘進機設備配套及適應性進行分析。邱昌德[3]介紹了某鐵路工程泄水洞采用懸臂掘進機的適用性及現場實踐情況。漆泰岳等[4]通過對懸臂掘進機在實際工程中應用情況的分析，探索了在復雜斷面地鐵隧道之中應用懸臂掘進機的適用性和影響懸臂掘進機掘進效率的因素以及存在的問題。孫澤順[5]探究了懸臂掘進機在巖溶地層地鐵隧道中的應用，分析了懸臂掘進機參數指標的選擇、激光導向定位、圍巖支護、出渣等施工技術。S.D.Jeur等[6]結合帶有除塵設備的懸臂掘進機在印度鐵路隧道施工過程中的掘進率及截齒損耗情況，介紹了隧道掘進采用懸臂掘進機模式的優點。本文通過在大瑞鐵路秀嶺隧道的平行導洞中開展懸臂掘進機施工試驗研究，收集相關參數，為懸臂掘進機施工方法在鐵路隧道工程中的使用，以及制定相應的工藝工法標準提供參考和依據。

1 試驗段工程概況

大(理)瑞(麗)鐵路秀嶺隧道位于云南省大理市，分進、出口兩個工區組織施工，全長17.6 km，屬該標段的關鍵性控制工程。由于受地形限制，無法通過增設橫洞、斜井、豎井等輔助坑道增加工作面，導致工期壓力巨大，只能采用平行導洞(以下簡稱“平導”)超前正洞，通過平導轉正洞增加工作面實現長隧短打，滿足總體工期要求。

而平導受斷面凈空小(3.5 m×4.6 m)，無法增加常規的機械設備和勞動力組織快速施工，施工進度幾乎與正洞相同，無法實現平導超前正洞，增開正洞工作面的目的。為解決平導快速施工的問題，根據懸臂掘進機在類似工程的施工經驗[7]，決定在秀嶺隧道進口平導進行懸臂掘進機試驗施工，為秀嶺隧道進口平導大規模使用懸臂掘進機工法提供保障，也為類似工程提供借鑒。

1)試驗段地質概況。秀嶺隧道懸臂掘進機施工試驗段包括進口平導PDK40+700～PDK40+860段，共160 m。其中，PDK40+700～PDK40+800段圍巖為紫紅色泥巖、頁巖，以頁巖為主，節理裂隙較發育，巖石強度25 MPa～50 MPa，地下水不發育，Ⅳ級圍巖；PDK40+800～PDK40+860段圍巖為紫紅色泥巖、頁巖夾砂巖，以頁巖為主，節理裂隙不發育，在PDK40+795掌子面采用回彈儀測得巖石平均強度為55 MPa～65 MPa，地下水不發育，Ⅳ級圍巖。

2)試驗段支護情況。PDK40+700～PDK40+800，長100 m，Ⅳ級圍巖，錨噴(加強)，Ⅰ14工字鋼+錨噴+底板，支護參數：Ⅰ14工字鋼鋼架，間距1.2 m；φ6 mm鋼筋網，間距25 cm×25 cm；噴射混凝土厚16 cm；4根鎖腳錨桿，9根系統錨桿；PDK40+800～PDK40+860，長60 m，Ⅳ級圍巖，錨噴，支護參數：φ6 mm鋼筋網，間距25 cm×25 cm；噴射混凝土厚10 cm；8根系統錨桿。

2 懸臂掘進機施工工藝

2.1 施工流程

懸臂掘進機法是一種非爆開挖方法。懸臂掘進機是一種部分斷面掘進機，其切割臂可以上下、左右自由擺動，能切割任意形狀的隧道斷面。懸臂掘進機是集開挖、裝碴和自動行走于一身，操作靈活，對復雜地質適應性強，便于支護，可以適應中、軟巖隧道施工，是中、小型斷面，中、軟巖隧道施工的理想開挖設備[8-10]。

懸臂掘進機施工工藝流程如圖1所示。

2.2 施工方法

懸臂掘進機在試驗段隧道中施工，主要包括以下幾方面：

1)開挖斷面設計。本次試驗懸臂掘進機的銑挖頭為縱向銑挖頭(直徑≤1 m)，扒料截齒為螺旋狀，順時針旋轉，銑挖頭一次伸長量0.5 m。根據銑挖頭特點，開挖斷面設計按分部條塊法開挖，橫向左右分部，豎向上下分條塊。分塊大?。焊叨?.8 m～1.2 m，左右每部分塊根據開挖寬度分成8塊～10塊，每步距開挖深度0.5 m。

2)開挖。開挖輪廓定位:采用紅外線指向儀對開挖輪廓線進行定位。在已施作好底板、初支穩定的初支內側按洞身線型布置指向儀，每次在同一斷面安裝7個，如圖2所示。

切削方法:為了確保隧道開挖斷面圓順，控制超欠挖，一般先開挖初步斷面，然后經過二次修整達到標準的設計斷面。切削采用自下而上，左右循環的順序，見圖3。

輪廓修整及人工局部處理:在受設備條件所限，設備無法修整的部分，采用人工局部修整，以滿足設計斷面要求。

出碴、噴霧除塵:懸臂掘進機掘進施工的同時，采用流水作業，一邊開挖，一邊通過機械設備配套(配備“二運”“三運”設備)實現連續開挖、出碴。為控制粉塵，需適當噴霧，既達到降低粉塵的目的，又不引起巖碴泥化。噴霧裝置為懸臂掘進機自動裝置。

2.3 懸臂掘進機施工設備配套

1)開挖、出碴、運輸。秀嶺隧道進口平導采用單車道有軌運輸，采用懸臂掘進機開挖、出碴，通過一運、二運裝碴至20 m3梭礦+12 t電瓶車牽引出碴。

2)支護。鋼架安裝:在洞外加工廠按設計分段加工成型，采用梭礦，18 t電瓶車牽引至施工現場，采用人工搬運至工作面，在懸臂掘進機臂上定位、安裝。

鋼筋網：在洞外加工廠分片加工成型，與鋼架一起采用梭礦18 t電瓶車牽引至施工現場，采用人工搬運至工作面，在懸臂掘進機臂上定位、安裝。

錨桿施工:錨桿采用YT28風動鑿巖機鑿空，人工安裝、錨固。

噴射混凝土:混凝土在洞外拌合站集中拌制，軌行式8 m3混凝土罐車+12 t電瓶車運輸至工作面，在懸臂掘進機后面布置2臺混凝土噴射機進行噴射作業。

3 試驗段結果分析

3.1 試驗段施工情況及監控量測

秀嶺隧道懸臂掘進機施工Ⅳ級圍巖160 m(PDK40+700～PDK40+860段)，其中Ⅳ級錨噴(加強)100 m(PDK40+700～PDK40+800段)，Ⅳ級錨噴60 m(PDK40+800～PDK40+860段)。整個試驗段實際施工50 d，按實際施工天數計算平均每天進尺3.2 m；共施工46個循環，平均每循環進尺3.5 m。施工效果見圖4。

1)PDK40+700～PDK40+800Ⅳ級錨噴(加強)段監控量測分析。根據本試驗段監控量測回歸、分析(見圖5)，在開挖、支護3 d～4 d后，圍巖變形趨于穩定，最大變形量在6.1 mm～9.1 mm，變形速率一般在0.85 mm/d～1.0 mm/d。

2)PDK40+800～PDK40+860Ⅳ級錨噴段監控量測分析。根據本段監控量測回歸、分析(見圖6)，支護參數為Ⅳ級錨噴，在開挖、支護9 d～12 d后，圍巖變形趨于穩定，最大變形量在7.0 mm～9.0 mm，變形速率一般在0.70 mm/d～0.9 mm/d。

另外，在施工PDK40+790后，掌子面揭示圍巖為紫紅色泥巖，整體性好，無節理裂隙發育，掘進機掘進1 m需要耗時3.5 h，人員和設備功效降低明顯。用回彈儀測掌子面PDK40+795處強度，平均達到55 MPa，為提高懸臂掘進機施工效率，決定在掌子面中部做松動爆破試驗(見圖7)。

本次試驗共進行了4次松動爆破試驗：

試驗一：在掌子面中部布設9個水平炮眼，每個炮眼深3.5 m，一個炮眼裝0.9 kg炸藥，效果不明顯。

試驗二：在掌子面中部布設12個水平炮眼，每個炮眼深3.5 m，一個炮眼裝0.9 kg炸藥，效果不明顯。

試驗三：在掌子面布設16個水平炮眼，每個炮眼深3.5 m，一個炮眼裝0.9 kg炸藥，效果不明顯。

試驗四：在掌子面布設16個水平炮眼，每個炮眼深3.5 m，一個炮眼裝1.2 kg炸藥，掌子面1 m～2 m范圍內效果明顯。

通過幾個循環的試驗，在掌子面布設16個水平炮眼，每個炮眼深3.5 m，一個炮眼裝1.2 kg炸藥，同時起爆，整個過程耗時2 h，一次掘進4.8 m節約工序時間約2.5 h。此松動爆破對于懸臂掘進機開始掘進1 m～2 m范圍內的輔助效果明顯，特別是遇到硬度大的孤石。但是，當超前地質預報掌子面前方圍巖整體性好，強度超過70 MPa時，應立即將懸臂掘進機退至距掌子面最近橫通道，采取鉆爆法施工。

3.2 懸臂掘進機施工小結

1)懸臂掘進機在Ⅳ級圍巖中施工，循環平均進尺3.5 m(鋼架間距1.2 m)，月進度105 m；而實際循環平均進尺可達到4.5 m，4.8 m，5.0 m，甚至可以更長，月進度指標基本可控制在130 m。

2)采用懸臂掘進機法施工，對圍巖的擾動小，對提高圍巖的自穩能力效果明顯。根據監控量測分析，采用錨噴支護和采用錨噴(加強)支護，圍巖的最大變形量基本一致，只是采用錨噴支護時圍巖的穩定時間要長于采用錨噴(加強)支護時的6 d～8 d。因此在Ⅳ級圍巖中采用懸臂掘進機法施工盡可能采用錨噴支護，以縮短工序時間，提高施工效率和進度。

3)超欠挖控制較好，開挖輪廓成型效果好，循環進尺4.5 m,4.8 m,5.0 m，平均噴射混凝土時間基本在5 h左右，節約了噴射混凝土材料，提高了施工進度，噴射混凝土與巖面密貼，控制了圍巖的二次變形。

4)在巖石強度整體性達到55 MPa及以上時，對掌子面中部采用松動爆破輔助施工方法，效果明顯，但當強度超過70 MPa時建議仍采用鉆爆法。

3.3 對比分析

與傳統鉆爆法相比，試驗段采用的懸臂掘進機施工具有以下特點：

1)Ⅳ級圍巖采用懸臂掘進機法施工，對圍巖的擾動影響小，圍巖的自穩能力高，開挖輪廓成型好，超欠挖控制好，支護結構與巖面密貼性好，噴射混凝土工程量超耗??；Ⅳ級圍巖采用鉆爆法施工，對圍巖的擾動影響大，圍巖的自穩能力差，開挖輪廓成型差，超欠挖不易控制，支護結構與巖面密貼性差，噴射混凝土工程量超耗大。

2)Ⅳ級圍巖采用懸臂掘進機法施工，開挖循環進尺可以根據圍巖結構、地下水情況，可達4.5 m，4.8 m，5.0 m，甚至可以更長，月進度指標可以達到130 m；采用鉆爆法施工受規范及強制性文件、平導斷面小等的限制及爆破對圍巖的擾動影響大，圍巖的自穩能力差，循環進尺只能控制在2.5 m左右，月進度指標無法突破80 m。

3)Ⅳ級圍巖采用懸臂掘進機法可以取消加深炮孔；采用鉆爆法必須施作加深炮孔。

4)Ⅳ級圍巖采用懸臂掘進機法施工，可以減弱支護措施，盡可能采用錨噴支護措施，節省工程量，提高施工進度。

4 結語

通過在秀嶺隧道平行導洞中開展懸臂掘進機施工試驗，收集相關數據，經過回歸分析，并與鉆爆法的對比分析，取得了如下成果：

1)Ⅳ級圍巖中懸臂掘進機施工的合理循環進尺及工序卡控時間的確定。Ⅳ級圍巖，圍巖整體質量高，完整性好，地下水不發育地段，循環進尺5.0 m，工序循環時間：開挖、出碴13.4 h，掛網、錨桿4.7 h，噴射混凝土4.9 h，總循環時間23.0 h；進度指標130 m/月，采用錨噴支護。Ⅳ級圍巖(有鋼架支護)，圍巖較破碎，有地下水地段，工序循環進尺3.6 m，循環時間：開挖、出碴8.9 h，立鋼架、掛網、錨桿5.3 h，噴射混凝土5.8 h，總循環時間20 h；進度指標108 m/月，采用錨噴(加強支護)。

2)懸臂掘進機在小斷面隧道開挖中克服了鉆爆法掏槽受斷面尺寸的影響。在小斷面隧道中采用懸臂掘進機開挖，克服了鉆爆法施工中，掏槽受斷面影響，循環進尺深度一般只能在2 m～2.5 m左右(掏槽深度為0.5B～0.7B，B為隧道寬度)，采用懸臂掘進機開挖可以不受斷面小的影響，循環進尺不受斷面小的控制。

3)采用懸臂掘進機法施工能提高圍巖的自穩能力。軟弱圍巖中采用懸臂掘進機施工，進度以及開挖后圍巖穩定優勢明顯優于鉆爆法，能提高圍巖的自穩能力，減弱支護措施，節約投資，提高施工進度。

4)采用懸臂掘進機法施工超欠挖控制較好，開挖輪廓成型效果好。隧道采用懸臂掘進機法施工，開挖輪廓成型好，超欠挖控制好，對充分發揮圍巖的自穩能力，初支與巖面密貼性好，能較好的控制圍巖由于初支不密貼造成圍巖的二次蠕變，能很好的控制初支開裂、變形，為減弱初支結構提供了依據。

5)采用懸臂掘進機法施工已經驗證可以取消掌子面加深炮孔。采用懸臂掘進機施工，懸臂掘進機的每一步距開挖進尺在0.5 m，同時懸臂掘進機的切割是由下至上不大于1.2 m的分層開挖，在每一步距開挖中掌子面前方如果有異常情況均能及時掌握和控制。