城市敏感區域大跨連拱隧道機械掘進施工技術*

江煥春,劉龍坤,鄢文龍,劉曉鴻,吳誠云

(中建三局集團(深圳)有限公司,廣東 深圳 518000)

0 引言

在城市山嶺隧道施工中,由于城市人口稠密、建筑密集,傳統爆破施工所產生的噪聲、振動等不利影響難以被接受,若周邊存在地鐵、密集建筑群、重要國防建筑等敏感建筑物,爆破施工需經各權屬單位的方案審批,方案通過的難度大,施工作業限制多,難以滿足安全、快速施工的要求。

隨著懸臂式掘進機在軟巖隧道工程應用的成功,掘進機加工制造能力的日益提升,再加上其機械掘進震動小、掘進質量好、可截割任意形狀隧道斷面的特點,使懸臂式掘進機也被應用于城市地下隧道掘進建設中,在城市敏感區域隧道工程中的應用成為了一種趨勢。

1 工程概況

深圳市望海路微波山隧道工程位于深圳市南山區,穿越微波山,為連拱隧道,雙向六車道,隧道長度166m,最大開挖寬度30.2m,最大開挖高度10.83m。隧道進口洞口位于深圳市南山區南海希爾頓酒店圍墻位置,隧道上跨地鐵2號線蛇口港站至海上世界站暗挖段區間,新建隧道平面與地鐵部分重疊,水平投影重疊距離0～13.8m,重疊長度約118m,新建隧道底部距地鐵區間隧道頂部最近約8m,新建隧道位于地鐵保護區范圍內。隧道出口洞口上方有132kV高壓電纜線。隧道周邊環境縱斷面如圖1所示。

圖1 隧道周邊環境縱斷面

經數值模擬計算,采用爆破施工,爆破振動對地鐵隧道影響難以滿足地鐵運營安全指標要求,故本隧道需采用非爆破的機械掘進方式進行開挖。

2 懸臂式掘進機圍巖適應性提升技術

2.1 技術背景

新建微波山隧道圍巖為中～微風化花崗巖,實測巖石抗壓強度90～130MPa,圍巖裂隙少,巖石強度高,屬硬質巖隧道。根據以往懸臂式掘進機應用經驗,懸臂式掘進機在硬巖隧道中開挖適應性較差,普遍存在開挖掘進速度慢、截齒消耗量大等問題,在施工過程中,需通過技術手段對掘進機截割性能進行分析研究、改進,提高其截割性能。通過應用實踐,結合理論計算,研究出適合微波山隧道花崗巖地質的掘進機截割頭最佳參數,提高掘進機圍巖適用性,達到適用、高效、節能、減耗的效果。

2.2 掘進機硬巖適應性提升

2.2.1掘進機截割頭適應性提升

截割頭是掘進機進行截割巖石工作的核心部件,結構復雜,組成部件較多,由頭體、齒座、截齒、螺旋葉片和噴嘴等組成,截齒以螺旋線形式布置在頭體上,如圖2所示。由于工作環境惡劣,振動產生沖擊荷載,荷載波動范圍較大,受力復雜,截割頭性能的好壞直接影響掘進機施工范圍、效率和成本,是掘進機施工經濟性的關鍵,是評價掘進機整機性能的重要依據。

圖2 掘進機截割頭及其組成

截割性能影響因素眾多,包括:①截割頭結構參數 如幾何尺寸、截齒類型及尺寸、截齒布置參數等;②巖石特性 如硬度、強度、裂隙、彈塑性等;③截割工藝參數 如截割頭轉速、懸臂擺速、鉆進速度、截割厚度等。這些因素之間相互影響、相互制約,截割性能與上述參數匹配的合理與否息息相關。

針對硬巖截割的改進提升,需研究巖石物理特性、影響截割性能截割頭截齒的各因素。

1)隧道巖石物理特性采集

首先掌握截割對象物理特性,采集花崗巖樣塊進行試驗(見圖3)。在受到外力作用時,巖石所表現出來的抵抗外部干擾的能力為其力學性能,決定了巖石截割形式、截割參數及刀具選擇,巖石力學性能主要指密度、抗壓強度、彈性模量、泊松比、黏聚力、內摩擦角等。

2)截割頭切削角、崩落角、切削角優化

針對截割對象,進行截割頭切削角、崩落角、切削速度等參數試驗(見圖4)。

圖4 掘進機截割頭參數試驗

以相同截線間距和截深為前提,開展不同切削角(角度工裝)截割試驗研究(見圖5),通過對比分析截齒所受截割阻力,確定截齒最優切削角,得出圓柱段、圓錐段不同位置最佳切削角。

圖5 掘進機截割頭切削角試驗

3)截割頭截線間距、截割頭優化

根據不同巖石崩落角、截齒線速度對截割的影響差異進行試驗,通過理論計算(見圖6)和試驗模擬,最終得出適合截割花崗巖的截線間距(見圖7)和截割頭尺寸、轉速。

圖6 最佳截線間距理論計算

圖7 截線間距試驗(單位:cm)

通過理論和試驗數據,最終研究出適合花崗巖截割的截割頭,達到高效、節能、減耗效果。

2.2.2掘進機截齒性能優化

截齒是掘進機械中的最重要元件,是開挖巖石的主要工具,其性能好壞直接影響單臂式掘進機生產能力的發揮、功率的消耗、工作平穩性和其他相關零部件使用壽命。掘進機采用的截齒在外形上基本相同,均為鎬形截齒,上部為硬質合金刀頭、下部為齒體柄。

根據微波山隧道地質勘察資料和試開挖情況揭示的隧道圍巖情況,包括巖石軸心抗壓強度、巖石完整性、裂隙發育程度,綜合判定該隧道圍巖為硬質巖,需采用適應硬質巖開挖的配套截齒。進場初期選定截齒類型為S135-42型, 截齒柄直徑42mm。經過不斷試驗研究,不斷優化截齒材料、參數,截齒消耗不斷降低。

主要改進提升項為:①增大截齒斷面尺寸并進行局部加強,提高其抗折能力;②增加頭部合金包裹面積和合金使用量,提高其抗磨能力;③采用圓潤刀頭設計。截齒優化過程如圖8所示。

圖8 截齒優化過程

2.3 連拱隧道掘進機開挖施工工藝

按連拱隧道施工工藝,先開挖中導洞,中導洞貫通并施工中隔墻后開挖主洞。

2.3.1中導洞開挖

隧道洞身中導洞全斷面采用掘進機開挖,尺寸為6.0m(寬)×6.8m(高),開挖面積38m2,采用懸臂式掘進機全斷面法開挖,開挖后及時施工初期支護,每開挖循環進尺根據圍巖狀況確定,待中導洞貫通后開始澆筑中隔墻。

中導洞開挖時,掘進機在前方施工,機器后方連接第二運輸機(見圖9a),掘進機后的渣料通過運輸機掉落于卡車中,卡車穿過支護臺車將渣料排至隧洞外。當掘進機截割完1個循環后,機器后退,支護臺車挑到掌子面(見圖9b),開始初期支護。

圖9 中導洞掘進機開挖流程

2.3.2主洞上臺階開挖

主洞采用臺階法施工,上臺階開挖面積約60m2,下臺階開挖面積約30m2。臺階長度30～50m,上臺階開挖完成后及時施工初期支護。

1)左、右主洞上臺階采用掘進機開挖。主洞超前30m后開始仰拱施工,仰拱開挖面積約30m2,每個施工段長度為9m,開挖完成后及時施工初期支護封閉成環,澆筑仰拱二次襯砌及仰拱填充混凝土。仰拱超前30m后開始拱部二次襯砌施工,使二次襯砌混凝土封閉成環。

2)雙連拱隧道兩洞平行施工時,先行主洞與后行主洞掌子面錯開距離35m,開挖先行主洞前,后行主洞圍巖與中隔墻之間的間隙采用土石方進行回填。

3)掘進機在前方開挖施工,挖掘機和卡車在機器后方運渣出料。當掘進機向前推進1個循環后,掘進機后退至支護臺車后方,支護臺車進到掌子面,開始主洞初期支護工序施工。

2.4 技術實施效果

懸臂式掘進機圍巖適應性技術提升的研究及應用,成功解決了微波山隧道硬巖開挖難題。通過對懸臂式掘進機截割頭技術改進與提升、優選截齒材料與類型,隧道開挖進度不斷加快,截齒消耗不斷降低,中導洞全斷面開挖進度達1.5m/d,主洞上臺階開挖進度達2m/d,施工進度基本與控制爆破法開挖進度相當,同時隧道上臺階開挖后,在隧道內部形成了水平臨空面,為下臺階開挖提供了較好作業條件。

3 懸臂式掘進機與其他機械開挖方法組合開挖技術

3.1 技術背景

大斷面隧道一般采用分部開挖,包括臺階法、單側壁導坑法、雙側壁導坑法、三導洞法等,微波山隧道左、右主洞采用上、下臺階法施工。上、下臺階可同時展開施工,若上、下臺階均采用懸臂式掘進機開挖,則掘進機數量需加倍投入。由于掘進機屬于專用設備,一次性投入較大,上、下臺階同時采用掘進機施工不經濟,因此,需利用上臺階開挖后形成的有利條件,在下臺階開挖過程中采用其他低成本的非爆破開挖施工技術,保證上、下臺階同步施工,提高整體施工效率,降低施工成本。最常用的非爆破開挖方法為挖掘機帶破碎錘施工。

3.2 液壓破碎錘開挖施工原理

液壓挖掘機帶破碎錘施工方法主要由挖掘機增加液壓破碎錘頭,依靠液壓破碎錘液壓能轉化為機械沖擊能從而對巖石進行破碎。目前,在土石方工程中應用較多,施工周邊居民對爆破施工比較抵制的情況下,采用液壓破碎錘進行軟巖甚至硬巖破碎開挖的應用越來越廣泛。

隧道開挖直接應用液壓破碎錘施工的情況較少,且主要應用在軟弱圍巖中,在硬質圍巖中使用破碎錘直接開挖困難。主要原因是液壓破碎錘施工時主要利用釬桿進行破碎施工,釬桿在進行豎直方向作業時,作業效果好,但隧道開挖(上臺階開挖)主要是進行水平開挖,液壓破碎錘作業時,釬桿需垂直作業面,但受挖掘機結構限制,釬桿水平方向作用力較小,在隧道軟弱圍巖地段尚可進行破碎開挖,但在硬質圍巖地段,尤其是圍巖完整性好、裂隙少、強度高時,掌子面圍巖整體受力,圍巖作為一個整體無隧道徑向臨空面,破碎錘破碎巖石困難,即使勉強進行水平破碎開挖,作業效率也很低。

隧道下臺階施工時,由于上臺階已開挖完成,液壓破碎錘釬桿可在上臺階形成的空間內對下臺階、仰拱進行豎直方向破碎開挖作業,此時,下臺階巖石有豎向和水平2個方向臨空面,作業工況與普通石方破碎基本一致,作業效率成倍提高。

3.3 液壓破碎錘開挖施工技術

主洞下臺階、仰拱采用大功率SY475H挖掘機配液壓破碎錘進行破碎,由于有上臺階臨空面,破碎錘可對下臺階、仰拱進行豎向破碎(見圖10)。隧道下臺階及仰拱開挖深度4.2m,先開挖下臺階,再開挖仰拱,下臺階開挖高度2.2m,仰拱開挖高度2.0m。

圖10 隧道下臺階、仰拱開挖示意

液壓破碎錘機械相比懸臂式掘進機小,屬通用機械,可采取增加破碎錘方式在下臺階布置多臺破碎錘同時作業,提高破碎進度。下臺階開挖高度2.0m,開挖寬度14.1m,開挖進尺與上臺階保持一致(1.2m/1.6m)。開挖完成后立即進行拱墻部位拱架接長。根據左洞下臺階液壓破碎錘開挖進度統計,在連續作業情況下,每循環開挖用時在12h左右,開挖進度與掘進機施工上臺階進度相當。

3.4 技術實施效果

懸臂式掘進機與其他機械開挖方法組合開挖技術的研究及應用,成功解決了隧道上、下臺階同時施工的難題,減少了專用設備及配套電力設施的投入,加快了隧道整體開挖進度,采用此技術,隧道主洞整體開挖進度可達2m/d,施工效率滿足工程整體進度要求。

4 結語

1)在中微風化花崗巖地質、隧道圍巖強度90～130MPa、最大圍巖強度140MPa情況下,通過對懸臂式掘進機的技術提升與改造,大規模采用懸臂式掘進機施工技術,快速高效進行硬巖隧道開挖,施工進度指標與控制爆破施工相當,有效解決了在環境敏感地區無法進行爆破開挖的難題。

2)創新隧道開挖作業工藝,簡化開挖作業流程,開挖與出渣可同時進行,開挖作業全部采用大型機械,作業效率高。

3)采用懸臂式掘進機與液壓破碎錘組合隧道開挖技術,隧道分部開挖時,上臺階采用懸臂式掘進機水平開挖掘進,下臺階采用液壓破碎錘利用上臺階形成的臨空面進行豎向開挖破碎,2個甚至多個工作面平行作業,加快了施工進度,減少了大型設備投入,降低了施工成本。

4)機械開挖對圍巖擾動小,有利于隧道圍巖穩定及隧道施工安全和運營安全;隧道開挖全部采用機械化作業,施工作業人員大幅度減少,施工安全性大大提高,從根本上避免了隧道群傷事故的發生。

5 結語

通過在微波山隧道項目城市大斷面硬巖隧道中整隧采用懸臂式掘進機開挖,起到了良好的示范效果,拓展了掘進機適用場景,促進了山嶺隧道施工機械化水平和技術的進步,同時機械開挖綜合施工技術安全性好,質量優,符合工程行業發展趨勢,可應用在各類敏感區域(周邊環境復雜,對爆破振動敏感區域)建設的隧道工程施工中,如城市內鄰近、跨越、下穿既有地鐵隧道工程,鄰近既有管道、高壓線塔、敏感建筑物(古建筑、名勝古跡、軍事設施等)的各類隧道、管廊工程施工,推廣應用前景廣闊。