基于懸臂掘進機開挖的城市大斷面硬巖隧道單側壁施工工法

谷建偉

（中鐵十二局集團第三工程有限公司，山西太原 030024）

0 引言

在城鎮化建設進程不斷加快的背景下，城市地鐵、道路等工程得以大量建設。在復雜的城市環境中，新建隧道常需穿越既有道路、建筑物等地段，采用爆破施工方法將對周圍建筑物、地表等帶來較大威脅。為確保隧道周圍環境安全、穩定，需引進懸臂式隧道掘進機開挖，在減小圍巖擾動的同時，維持機動靈活性，確保開挖斷面自由。在大斷面硬巖隧道施工期間，單側壁開挖機械可能與臨時支護結構發生碰撞，產生安全隱患，因此，需加強科學施工工法研究，為解決硬巖隧道機械施工難題提供指導。

1 工程概況

重慶快速路紅石路隧道工程位于三縱線北段與軌道5 號線同軸共線段，入口在長安一分廠，下穿藍箭賓館，經過現有紅石路地下。工程分為左洞、右洞兩部分，全長分別為559m 和549m，軸線相距27.9～51.3m。單洞隧道為單向三車道，最大開挖16.1m，洞高11.85m。作為快速路三線控制性工程，紅石路隧道施工存在較高風險，需制訂科學施工方案，保證工程建設安全性。

2 施工難點分析

在隧道施工期間，將給地面道路、小區和賓館等建筑物帶來影響。部分建筑物隸屬空軍管制區，且建筑多為3～8 層的多層建筑，既有結構基礎距離隧道頂部最小距離約為8m。與此同時，下穿隧道的地鐵軌道交通5 號線區間、大石壩站等工程已經投運，隧道和車站高程差最小1.5m，最小凈距僅8m，存在并行情況。隧道左線下穿多條道路和建筑物基礎，埋深在10～14m 之間。在周圍建筑物密集的情況下，工程施工風險較大，需防止隧道施工給周圍建筑物等結構帶來影響。

3 單側壁施工工法

3.1 工法分析

結合工程實際情況，左線ZK345—584 段采用單側壁機械開挖，通過嚴格控制施工擾動保證周圍構筑物安全、穩定。按照工藝流程，需完成設備選型和施工方案選定，通過測量放樣和施工準備后，確認掘進機就位，按照順序完成上、下臺階的先行和后行導坑挖掘，通過試驗選定開挖循環進尺[1]。開挖先行導坑，經過多個循環施工后，將掌子面封閉，開挖后行導坑，確認與先行導坑掌子面至少錯開5m。在初期支護成型后，加強支護數據監測，確認穩定后拆除臨時支護，開挖下臺階核心土構成仰拱開挖工作面，使掘進機退出作業范圍，利用鉤機一次性將仰拱挖掘成型。在初期支護封閉成環后，及時做仰拱、襯砌，確認襯砌步距不超90m 安全步距要求。單側壁施工方法成本較高，通常用于鄰近構筑物集中、距離近的情況，能夠開挖圍巖強度不超80MPa 的硬巖隧道。

結合工程水文地質情況，采用懸臂掘進機銑挖施工提高施工效率，加強施工噪聲和震動影響控制。機械以S 型或Z 型切割路線掘進，左右循環向上逐級切割上部，適應復雜地質。考慮器械走動和截齒消耗大問題，選用CTR300A 系列獨臂掘進機開挖上臺階、中臺階，整體為銑挖機，通過組合施工法結合單側壁施工和鉆爆法施工優點。實際采用懸臂掘進機搭配鷹嘴鉤機開挖洞身，掘進機開挖產生的粉塵較多，為避免出現超欠挖情況，采用激光導向儀控制開挖輪廓質量。按照施工順序，單側壁機械先開挖上臺階先行導坑，構成中隔壁支護后，開挖后行導坑，支護完成后開挖下臺階導坑。在下臺階開挖期間，機械可能與隔壁上臺階臨時支護發生碰撞，因此，利用核心土代替支護結構，以防發生安全隱患。在鉤機開挖前，將臨時支撐拆除，將初期支護從圓弧形鋼拱架改為馬蹄形鋼架，加強鎖腳控制，確認支護體系穩定。

3.2 施工方案

在開挖方案選擇上，采取常規單側壁法施工將造成單側形成長導坑，機械就位時間長。掘進機炮頭長1.2m，循環進尺達到2m 時，需與挖機完成場地交換，造成施工效率下降。鉤機施工與上臺階施工同步開展，后行導洞掌子面與拱墻襯砌距離不超90m，機械開挖后受作業空間限制，需將掌子面多余土運走，也將影響施工效率。導坑過長，除塵效果變差，粉塵蔓延至洞內，給仰拱作業同步推進帶來困難。襯砌至掌子面安全步距超規范，將給主體拱架安全帶來威脅。開挖后撤出掘進機，行走在支護拱架上時覆土較薄，直接傳遞設備荷載將給初期支護安全帶來威脅[2]。

為解決上述問題，對單側壁開挖工藝進行優化，結合隧道開挖空間效應確定隧道影響范圍，將模型邊界條件取值為開挖面3～5 倍，根據雙線隧道軸心間距調整模型大小，建立160m×110m×80m 隧道數值分析模型，設置底邊豎向約束和前后左右水平約束，隧道埋深達13.44m。優化后的單側壁法開挖平面圖如圖1 所示。從數值分析結果來看，在下穿賓館建筑和地鐵車站過程中，賓館建筑物最大豎向位移從-7.75mm 變為-7.82mm，未超過沉降變形允許值12mm，車站拱頂豎向位移從-1.39mm 變為-0.53mm，結構各監測點最終位移量較小，能夠保證結構施工安全。采用優化后的施工方法，上、下臺階單導洞循環進尺分別為2m 和3m，上、下導坑每天1 個循環進尺，平均日進尺達到0.5m。在每月有效作業時間達到25d 的條件下，月進尺15m。采用常規單側壁施工法月成洞僅9m，因此，采取優化方案可以明顯提高施工效率。

圖1 優化后單側壁法開挖平面示意圖

3.3 控制要點

按照工藝方案開挖大斷面硬巖隧道，為保證施工安全、質量和工期，需掌握各道工序的施工關鍵點，采取有效控制手段。

3.3.1 前期準備

在施工準備階段，確認水、電等有效接通至掌子面，且場地經過整平處理。在掌子面超前支護施工完成后，測量放樣標注掌子面開挖輪廓點，將點位間距控制在0.5cm。利用夾具在初支拱架上固定紅外攝像機，指向各輪廓點，防止機械開挖過程中出現超欠挖問題。提前安排懸臂掘進機進場，行走期間由專人負責移動高壓電纜，將切割頭擺至最低角，緊貼一側拱腳，落實在硬巖基面，使用后支腿支撐[3]。結合機械作業面積、開挖尺寸等，現場安裝HW250H 型鋼拱架，上、下臺架高分別為5.5m 和4.9m，仰拱開挖深確認為1.45m。檢查確認切割頭與后支腿保持11.5m 距離，上臺階作業平臺長最小15m，下臺階單邊擺放除塵設備，并設置掘進機行走坡道，平臺長最小30m。

3.3.2 導坑開挖

圍巖硬度不同，開挖效率也存在差異，應在正式作業前開展試驗，保證施工安全的同時，確認最優循環進尺。結合多循環開挖支護施工試驗結果，可知上臺階為砂巖，圍巖強度達50MPa，導坑循環進尺設為2m，下臺階為泥質砂巖，圍巖強度達30MPa，導坑循環進尺設為3m。每循環開挖后，立即進行初期支護施工，襯砌臺車長9.1m，每循環搭接0.1m。上、下臺階的短臺階進尺均為9m，仰拱與上臺階同步實施，掌子面開挖進度與襯砌施工進度基本匹配，可有效控制掌子面至襯砌安全步距，保證施工安全。

通過實際開挖導坑可知掘進機切割頭為錐形，前大后小，開挖時左右擺動幅度小。在安裝的成品拱架緊貼掌子面時，循環開挖容易導致拱架被破壞，因此，需預留一個切割頭長的操作空間。開挖上臺階，現行導坑循環進尺為2m，挖8～10m 后向后行導坑超挖30cm，預留安全距離。結束先行導坑施工后，對掌子面進行封閉，在臨時支護靠后行導洞一側掛設隔離板，減少混凝土消耗。挖掘后行導坑，從隧道右側拱腳向中心水平切割溝槽，移動設備后需再次就位，使切割頭自下而上、左右循環切削，直至隧道拱頂[4]。完成掌子面挖掘，設備重新就位后自拱頂到拱腳修整輪廓。考慮切割頭容易破壞上臺架鋼拱架連接鋼板，按照30cm 初支厚度，在上臺階拱腳超挖20～25cm，底部利用工鋼墊靴支墊，預留安全距離。下臺階挖掘方法與上臺階相似，但先行導坑循環進尺為3m，挖掘9m后再挖掘后行導洞。

隧道仰拱初支拱架封閉成環，拱底距地鐵車站較近，為防止帶來過大噪聲干擾，采用鉤機分層開挖，各層厚不超50cm。開挖前使用挖機將既有端頭回填土清理干凈，在拱架上安裝紅外激光控制開挖深度，至初支表面深度后配合采用人工方式清底，保證基底密實，防止超挖情況發生。

3.3.3 支護施工

工程為淺埋隧道，地表上道路交通繁忙且建筑物密集，容易引發隧道變形、地表沉降等情況，因此，在掌子面開挖后應及時完成初期支護，減少圍巖暴露時間，有效控制圍巖變形，并預留5cm 沉降量。在鋼筋加工場集中完成鋼架、超前錨桿、鎖腳錨桿、鋼筋網片加工后，檢驗合格后運輸至現場安裝鋼拱架，掛設鋼筋網片。利用風動鑿巖機進行錨桿、錨管施工，按照“初噴—架設鋼架（鋼筋網）—錨桿—復噴”流程施工，完成C30 混凝土噴射。在隧道開挖期間，由專人指揮，確保現場作業人員保持安全操作距離；在開挖下一循環作業前檢查初期支護情況，對開挖工作面進行加固后，確認各循環間搭接長度可以與初期支護有效連接，保證環境安全。確認施工作業臺牢固，四周設置安全網等防護設施，在每循環初期支護施工結束后，采用初噴混凝土加強預留工作空間和掌子面表面防護。再次啟動掘進機、風機等設備前，應做好電纜線檢查，確認風機骨架牢固固定在初支表面，下部接觸地面，防止設備因吸力過大劇烈擺動。在機械開挖期間，加強掌子面垂直度控制，出現明顯凸起說明支護臺架無法及時跟進，明顯凹陷說明拱頂底部被掏空，應重新檢查固定。

在拆除臨時支撐結構時，停止其他作業，測量該段沉降和收斂量，確認水平收斂位移速度在0.1～0.2mm/d 之間，拱頂位移速度不超0.1mm/d。確認圍巖穩定，每10m 埋設一處環量測點，加強圍巖觀測，發現位移過大或速度過快應停止施工，并對圍巖進行加固補強處理。按照從上至下順序分段拆除臨時支撐，搭設腳手架和防護網，選用φ50mm 鋼管作為腳手架立桿，橫距為80cm，步距及縱距均為100cm。采用扣件連接立桿，將鋼管連墻件和鋼拱架焊接牢固，上面鋪設5cm 厚木板，使用鐵絲綁扎在小橫桿上。采用φ50mm 鋼管在腳手架上焊接欄桿，高度至少達到1.2m，欄桿間鋪設安全網。使用風鎬鑿除混凝土，利用電氣焊切割鋼筋網，期間嚴禁下方出現行人、機械。作業區安排專人設防、管理，施工期間加強連接筋連接，防止臨時支撐鋼架失穩。將噴射的混凝土鑿除后，做好廢鋼筋等材料清理，集中堆放和處理。遵循“隔三拆一”原則拆下支撐拱架，在臨時拱架和初期支護拱架連接位置切開5～8cm，觀測確認隧道變形情況正常，否則需重新焊接拱架。期間，使用挖掘機臨時支護拱架，拆下連接螺栓和切斷連接筋，將拱架緩慢放至地面。拆除完畢后，逐段開挖下臺階預留核心土，如圖2 所示，開始使用鷹嘴鉤機開挖，臨近上臺階支護段使用懸臂掘進機開挖，加快施工效率。做好表面雜物處理，對初期支護表面補噴混凝土找平。拆除期間不間斷觀察隧道拱頂下沉情況，每拆除一榀拱架觀測一次，確保施工安全。

圖2 下臺階預留核心土開挖平面示意圖

3.4 效果分析

在工程施工期間，為確認地表結構物沉降及變形情況，洞內每2m 設置一組斷面加強施工監測，并在周圍賓館等構筑物圍墻、地表每5m 布置一個監測點，對初支結構應力、鋼支撐應力等項目進行觀測。在下方運營地鐵隧道監測方面，按照10m 一組斷面在隧道側壁、拱頂、道床等部位布設施工監測點，鉆孔埋入棱鏡實施自動化監測。每周開展例會分析數據，確定開挖期間洞內、外監測數據穩定，變化值較小，說明并未對周圍地表和構筑物帶來明顯干擾，有效加快了施工進度。按照方案施工工期縮短318 天，節約大量設備租賃和勞務成本總計約667 萬元，節約管理成本及配套設施費約1000 萬元，帶來了顯著的經濟效益。通過解決施工帶來的環境擾動問題，有效節省了燃油等能量消耗和減少了噪聲污染，為工程帶來了一定社會效益。

4 結語

在密集市區內，采取單側壁機械開挖大斷面硬巖隧道，能夠有效解決隧道開挖帶來的周邊結構物擾動控制難題，通過嚴格控制超欠挖情況保證施工安全和提高施工效率，為工程帶來顯著經濟效益和社會效益。在大斷面硬巖隧道施工實踐中，應結合工程水文、地質等條件建立數值分析模型，優化懸臂掘進機作業工法，通過合理完成循環進尺等參數設定和加強導坑開挖、支護等結構施工控制保證施工效果，杜絕隧道變形、沉降事故發生，加快單側壁施工技術推廣應用。