魯小龍

(川藏鐵路有限公司，四川 成都 610045)

隨著我國地下基礎(chǔ)設(shè)施的蓬勃發(fā)展，隧道工程建設(shè)不斷增多，常出現(xiàn)開挖后圍巖的失穩(wěn)破壞而發(fā)生塌方事故，特別是深埋條件下具有強(qiáng)度低、大變形特點的圍巖失穩(wěn)問題尤為突出[1-2]。盾構(gòu)法、礦山鉆爆法和挖機(jī)帶破碎錘是常見的隧道施工開挖方法，眾多學(xué)者對其進(jìn)行了大量的研究工作[3-4]，施工工藝的自動化、多樣化、效率化、重型化及經(jīng)濟(jì)化是當(dāng)前盾構(gòu)隧道施工的主流發(fā)展方向[5-6]。由于懸臂式掘進(jìn)機(jī)具有以下優(yōu)點：1)集截割、裝載、運輸、行走于一體；2)低振動、低噪聲，可在限制爆破地段有效的替代爆破施工，也可對松散圍巖施工，從而減少超挖，避免塌方等情況發(fā)生；3)具備定位與快速掃描功能；4)實現(xiàn)截割頭的自動定位；5)截割完成后可對截割斷面的實際成形進(jìn)行三維掃描，進(jìn)行超欠挖分析，指導(dǎo)施工參數(shù)修正[7-8]。因此，以某淺埋軟弱圍巖隧道施工試驗段為例，從隧道超欠挖、拱頂沉降、圍巖擾動、環(huán)水保參數(shù)、材料消耗以及成本對比等方面將懸臂掘進(jìn)機(jī)和局部爆破及挖機(jī)帶破碎錘做了研究和對比。以期對未來相似工程提供指導(dǎo)借鑒作用。

1 工程概況

選取某淺埋隧道進(jìn)口Ⅵ級圍巖段作為試驗段。試驗段洞身坐落在早期形成的沖溝堆積體內(nèi)，主要地層為第四系全新統(tǒng)坡、洪積物，包含黏性土、粉土、砂類土及碎石類土，圍巖穩(wěn)定性較差易坍塌，設(shè)計為Ⅵ級圍巖。該段為飽和細(xì)砂層，施工過程中極易發(fā)生涌水涌砂，圍巖穩(wěn)定性極差。試驗段下部平臺處為地下水排泄帶，穩(wěn)定性較差，存在下沉或坍塌風(fēng)險，試驗段地質(zhì)條件如圖1所示。

2 試驗段設(shè)計支護(hù)參數(shù)

1)初期支護(hù)。

試驗段采用設(shè)計Ⅵ級圍巖支護(hù)參數(shù)(見表1)。

表1 試驗段設(shè)計支護(hù)參數(shù)

2)超前支護(hù)參數(shù)。

試驗段由于采用懸臂掘進(jìn)機(jī)，開挖擾動小，結(jié)合實際揭示圍巖地質(zhì)情況，原設(shè)計Ⅵ級圍巖超前支護(hù)采用φ76 mm中管棚+φ42 mm超前小導(dǎo)管，調(diào)整為φ42 mm超前小導(dǎo)管，間距由80 cm調(diào)整為40 cm，加密超前小導(dǎo)管的施工間距，施工范圍不變。

調(diào)整后超前支護(hù)參數(shù)：超前小導(dǎo)管進(jìn)行超前加固，環(huán)向間距40 cm，長度4 m，搭接1.6 m；掌子面上半斷面采用玻璃纖維錨桿(長9 m，搭接3 m)及噴混凝土封閉(厚3 cm，每6 m一次循環(huán))。

3 懸臂掘進(jìn)機(jī)施工簡介

3.1 懸臂掘進(jìn)機(jī)開挖順序

1)掘進(jìn)機(jī)就位后，從掌子面底部水平割出一條槽，然后截割頭采取自下而上、左右循環(huán)切削。

2)切削同時，鏟板耙爪將切下來的渣裝入懸臂掘進(jìn)機(jī)自帶運輸機(jī)，傳送至尾部汽車運出洞外。

3)分兩次開挖，第一次為先掘進(jìn)拱部環(huán)形，從掌子面左側(cè)底部開挖至拱部成型(然后右側(cè))；第二次修整到準(zhǔn)確設(shè)計斷面。

3.2 懸臂掘進(jìn)機(jī)施工方案概述

1)左線暗洞懸臂掘進(jìn)機(jī)施工試驗段分兩臺階施工，上臺階高7 m，開挖過程中視掌子面圍巖穩(wěn)定情況預(yù)留核心土；下臺階高4.76 m，一次開挖成型。采用懸臂掘進(jìn)機(jī)自帶傳輸皮帶+汽車出渣。

2)上臺階開挖完成47 m(懸臂掘進(jìn)機(jī)作業(yè)空間13 m，考慮土質(zhì)較軟，上下臺階按8°放坡，爬坡段長34 m)后懸臂掘進(jìn)機(jī)退出洞外，進(jìn)行下臺階與仰拱開挖。

3)洞口初支封閉成環(huán)5 m后，縱向拉坡，懸臂掘進(jìn)機(jī)爬至上臺階恢復(fù)開挖支護(hù)，上下臺階按進(jìn)尺5 m循環(huán)轉(zhuǎn)換掘進(jìn)。

4)上下臺階依次循環(huán)掘進(jìn)。受懸臂掘進(jìn)機(jī)爬坡限制，上下臺階之間沿隧道中線按8°放坡掏槽修建便道，由掘進(jìn)機(jī)自行修整，地層軟弱地段鋪墊鋼板，以便設(shè)備行走。

5)加強(qiáng)監(jiān)控量測和超前地質(zhì)預(yù)報，必要時在上臺階增設(shè)臨時仰拱。

4 試驗段結(jié)果統(tǒng)計與分析

為準(zhǔn)確掌握懸臂掘進(jìn)機(jī)在某淺埋軟弱圍巖隧道進(jìn)口的試驗成果。在試驗段施工過程中，對試驗的隧道超欠挖、拱頂沉降、圍巖擾動、環(huán)水保參數(shù)、材料消耗以及成本對比等方面進(jìn)行了過程記錄。從而對爆破開挖、挖機(jī)帶破碎錘開挖以及懸臂掘進(jìn)開挖做了統(tǒng)計對比分析。

4.1 隧道超欠挖

懸臂掘進(jìn)機(jī)采用兩臺階法開挖，上臺階高度7.5 m，下臺階高度4.26 m，開挖斷面輪廓圓順，能有效控制隧道超欠挖。超欠挖測量數(shù)據(jù)及統(tǒng)計分析如圖2所示。根據(jù)爆破施工經(jīng)驗，局部爆破線性超挖值在25 cm～30 cm；挖機(jī)帶破碎錘開挖線性超挖值在20 cm～25 cm；懸臂掘進(jìn)機(jī)開挖線性超挖值10 cm～16 cm明顯低于爆破開挖和挖機(jī)帶破碎錘開挖線性超挖值。

4.2 拱頂沉降

不同工法拱頂沉降情況對比如圖3所示，從圖3可看出，與爆破開挖相比，相同圍巖條件下，懸臂機(jī)掘進(jìn)施工的拱頂沉降測點沉降趨勢比較平緩，周累計值比較小；與爆破開挖、挖機(jī)帶破碎錘開挖相比，在較差圍巖條件下，懸臂機(jī)掘進(jìn)機(jī)施工有利于控制隧道的拱頂沉降，能有效保障現(xiàn)場施工安全。

4.3 圍巖擾動及環(huán)水保參數(shù)

根據(jù)現(xiàn)場統(tǒng)計分析(如表2所示)。相較于另外兩種施工開挖方法，懸臂掘進(jìn)機(jī)開挖在巖渣粒徑和飛石距離方面，安全性能較高，圍巖擾動較小。此外，懸臂掘進(jìn)機(jī)主動力為電動，隧道環(huán)境較好；而挖機(jī)帶破碎錘為內(nèi)燃動力，爆破鉆眼及起爆產(chǎn)生的粉塵較大，洞內(nèi)空氣質(zhì)量均較差。且懸臂掘進(jìn)機(jī)自帶灑水降塵設(shè)備，在開挖過程中灑水降塵，洞內(nèi)煙塵較少，空氣質(zhì)量良好。

表2 圍巖擾動及環(huán)水保參數(shù)對比表

4.4 每循環(huán)設(shè)備材料及勞動力成本

每循環(huán)設(shè)備材料及勞動力成本對比分析如表3所示。由于懸臂掘進(jìn)機(jī)施工比普通鉆爆法施工節(jié)省手風(fēng)鉆施作打鉆耗材，以及炸藥、雷管等火工品，不需進(jìn)行炸藥庫建設(shè)及相關(guān)手續(xù)審批。此外，較普通鉆爆法施工而言，懸臂掘進(jìn)機(jī)在開挖環(huán)節(jié)節(jié)省勞動力資源尤為明顯，普通鉆爆開挖至少需12人，而懸臂掘進(jìn)機(jī)施工只需4人且不需要持證爆破工和爆破員。

表3 每循環(huán)設(shè)備材料及勞動力成本對比表

5 結(jié)語

通過在某淺埋軟弱圍巖隧道進(jìn)口進(jìn)洞段采用懸臂掘進(jìn)機(jī)開挖的試驗段，與普通鉆爆法、挖機(jī)帶破碎錘開挖法相比各項數(shù)據(jù)表明，適宜采用懸臂掘進(jìn)機(jī)開挖，主要優(yōu)勢在于：

1)懸臂掘進(jìn)機(jī)開挖隧道的線性超挖值明顯低于爆破開挖和挖機(jī)帶破碎錘開挖線性超挖值。

2)相同圍巖條件下，懸臂機(jī)掘進(jìn)施工的拱頂沉降測點沉降趨勢比較平緩，有利于控制隧道的拱頂沉降，能有效保障現(xiàn)場施工安全。

3)懸臂掘進(jìn)機(jī)施工不需進(jìn)行炸藥庫建設(shè)及相關(guān)手續(xù)審批，在開挖環(huán)節(jié)節(jié)省勞動力資源尤為明顯，此外，其自帶灑水降塵設(shè)備，在開挖過程中灑水降塵，洞內(nèi)煙塵較少，空氣質(zhì)量良好。