武 華

(中鐵十二局集團(tuán)第三工程有限公司 山西太原 030024)

1 引言

目前，城市地下空間的開(kāi)發(fā)可作為緩解城市交通擁擠的有效途徑，由此出現(xiàn)大量地下暗挖隧道工程[1-3]。同時(shí)，城市的快速發(fā)展導(dǎo)致新建隧道面臨大量地面和地下既有建構(gòu)筑物的影響[4]。城市交通隧道多處于城市中心區(qū)域，周邊地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，穿越施工中需嚴(yán)格控制既有建筑物及隧道的變形，保障施工過(guò)程安全[5]。

近年來(lái)，相關(guān)學(xué)者關(guān)于新建隧道近接施工的影響開(kāi)展了大量研究工作。白海衛(wèi)等[6]針對(duì)隧道上穿過(guò)程造成既有區(qū)間隧道上浮變形問(wèn)題，提出了“應(yīng)力平衡頂推法”，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，既有區(qū)間隧道上浮變形僅0.6 mm，變形控制效果良好。王志杰等[7]以淺埋偏壓近接隧道施工為背景，分析得出近接影響分區(qū)，提出具體施工對(duì)策，較好地控制了既有隧道的變形。張孟喜等[8]以盾構(gòu)隧道上穿既有地鐵區(qū)間隧道為例，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)注漿壓力取值及控制既有隧道變形兩方面進(jìn)行分析研究，提出合理注漿壓力取值為0.5 MPa時(shí)，穿越施工中地表及既有隧道變形能有效控制在合理范圍內(nèi)。趙秀紹等[9]以新建隧道上穿既有盾構(gòu)隧道為工程背景，采用數(shù)值計(jì)算方法，分析穿越施工中既有隧道的變形，提出既有隧道的加固措施(鋼支撐環(huán)+拱頂注漿)，并在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用，驗(yàn)證該方法的有效性。李濤等[10]針對(duì)新建隧道下穿建筑物工程，提出雙層介質(zhì)計(jì)算模型，計(jì)算得出建筑物沉降公式，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試情況，表明該方法的應(yīng)用效果，為類(lèi)似工程提供思路。謝雄耀等[11]為解決新建盾構(gòu)隧道下穿建筑物沉降控制難題，提出“微沉降”施工技術(shù)，并利用壁后注漿實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，保證隧道穿越施工中的安全，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果較好。

綜上，現(xiàn)有研究中大多關(guān)于新建隧道單一下穿建筑物或既有隧道工程施工的[12]，對(duì)于新建隧道下穿建筑物同時(shí)又上跨既有地鐵車(chē)站的工程案例較少，可借鑒的工程經(jīng)驗(yàn)有限。本文以重慶三縱線紅石路隧道工程為背景，開(kāi)展新建隧道下穿建筑物且上跨既有地鐵車(chē)站隧道的施工技術(shù)研究，為保證隧道施工安全以及減小對(duì)周邊結(jié)構(gòu)影響，本工程機(jī)械開(kāi)挖設(shè)備選用懸臂掘進(jìn)機(jī)搭配挖掘機(jī)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況，總結(jié)出密集城市區(qū)域近接構(gòu)筑物隧道懸臂掘進(jìn)機(jī)施工技術(shù)，可為類(lèi)似工程提供參考。

2 工程概況及重難點(diǎn)分析

2.1 隧道上下近接情況

重慶市三縱線紅石路隧道為左右雙洞，單洞為單向三車(chē)道，凈寬16.1 m，洞高11.85 m。工程施工影響范圍內(nèi)的地表建筑物主要有藍(lán)箭賓館(3～8F多層建筑)、紅石路，既有結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)距隧頂最小距離僅8 m，且賓館產(chǎn)權(quán)隸屬武漢空軍，屬管制區(qū)域，下穿施工時(shí)無(wú)法對(duì)建筑物進(jìn)行監(jiān)測(cè)。同時(shí)，重慶軌道交通五號(hào)線運(yùn)營(yíng)大石壩站下穿紅石路隧道，與隧道高程差最小值為1.5 m，最小凈距8 m，并存在并行情況。隧道上下近接位置關(guān)系見(jiàn)圖1。

圖1 隧道上下近接位置關(guān)系(單位:m)

2.2 工程及水文地質(zhì)情況

紅石路隧道位于城區(qū)，大部分人工改造強(qiáng)烈，原始地貌屬構(gòu)造剝蝕淺丘地貌。隧道下穿既有建筑物段無(wú)斷裂構(gòu)造通過(guò)，構(gòu)造裂隙不發(fā)育，圍巖以砂質(zhì)泥巖為主，圍巖級(jí)別Ⅳ級(jí)。地下水受降雨入滲補(bǔ)給，沿線降水豐沛，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明砂質(zhì)泥巖透水性為微透水～弱透水。

2.3 施工重難點(diǎn)

(1)紅石路隧道屬淺埋大跨暗挖隧道，且需下穿既有藍(lán)箭賓館建筑物同時(shí)上跨既有地鐵車(chē)站，上下近接施工工況復(fù)雜，隧道施工需盡量減小對(duì)地表建筑物及下方地鐵車(chē)站的擾動(dòng)，同時(shí)要保證新建隧道的結(jié)構(gòu)安全，工程難度較大。

(2)隧道位于重慶市城區(qū)，為保證上下近接施工安全及減少對(duì)周?chē)用裆钣绊懀F(xiàn)場(chǎng)情況不具備控制爆破施工條件，因此如何確定合適的施工方法對(duì)本工程尤為重要。

(3)隧道淺埋下穿既有藍(lán)箭賓館建筑物，施工過(guò)程需嚴(yán)格控制建筑物沉降，保證建筑安全，設(shè)計(jì)要求隧道施工中各項(xiàng)控制標(biāo)準(zhǔn)為:既有藍(lán)箭賓館段建筑物沉降值≤8 mm，既有地鐵車(chē)站拱頂豎向位移值≤5 mm，隧道拱頂沉降值≤15 mm。

3 懸臂掘進(jìn)機(jī)施工適用性分析

3.1 適用性分析

鑒于新建隧道位于城區(qū)，且上下近接既有構(gòu)筑物施工，控制爆破開(kāi)挖不適用于本工程，因此考慮采用非爆破法開(kāi)挖。基于懸臂掘進(jìn)機(jī)機(jī)械化高、適應(yīng)性強(qiáng)、對(duì)周邊環(huán)境擾動(dòng)小的特點(diǎn)，現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)考慮選用該機(jī)械設(shè)備進(jìn)行開(kāi)挖。采用懸臂掘進(jìn)機(jī)開(kāi)挖時(shí)需考慮的因素見(jiàn)表1、表2。

表1 單軸抗壓強(qiáng)度影響因素

表2 圍巖級(jí)別影響因素

據(jù)工程勘察資料顯示，新建隧道施工范圍內(nèi)圍巖以泥質(zhì)砂巖為主，巖體較完整，現(xiàn)場(chǎng)圍巖強(qiáng)度回彈結(jié)果表明，圍巖強(qiáng)度處于25～45 MPa。結(jié)合表1可知，當(dāng)圍巖強(qiáng)度小于40 MPa時(shí)，采用懸臂掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)容易、機(jī)械損耗小、適用性強(qiáng)，符合本工程隧道開(kāi)挖相關(guān)指標(biāo)要求。

3.2 機(jī)械設(shè)備選定

根據(jù)類(lèi)似工程懸臂掘進(jìn)機(jī)市場(chǎng)調(diào)查及現(xiàn)場(chǎng)觀摩，結(jié)合本工程圍巖地質(zhì)情況，通過(guò)施工機(jī)械相關(guān)比選后，紅石路隧道機(jī)械開(kāi)挖設(shè)備選用懸臂掘進(jìn)機(jī)搭配挖掘機(jī)。上臺(tái)階、中臺(tái)階采用懸臂掘進(jìn)機(jī)開(kāi)挖；仰拱采用大型挖掘機(jī)開(kāi)挖，施工工序與上臺(tái)階同步進(jìn)行；后行導(dǎo)洞掌子面距拱墻襯砌距離不大于90 m。本項(xiàng)目擬采用STR260、CTR300型懸臂式隧道掘進(jìn)機(jī)，CTR300型掘進(jìn)機(jī)在圍巖強(qiáng)度偏高時(shí)適用性更強(qiáng)，開(kāi)挖效率高，因此在下穿藍(lán)箭賓館段(圍巖強(qiáng)度40～45 MPa)采用該種掘進(jìn)機(jī)，如圖2所示，其為整體式銑挖機(jī)，整機(jī)參數(shù)尺寸(長(zhǎng)×寬×高)為:17.15 m×3.8 m×3.8 m，切割范圍7.43 m×6.8 m，整機(jī)功率505 kW，切割功率300 kW，輸入電壓1 140 V，整機(jī)質(zhì)量99 t。

圖2 CTR300懸臂式隧道掘進(jìn)機(jī)

施工機(jī)械進(jìn)場(chǎng)后，按照S或Z型路線從下到上、左右交替掘進(jìn)大致開(kāi)挖輪廓，再精確修整至設(shè)計(jì)輪廓線，防止超欠挖產(chǎn)生。當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)圍巖條件多變時(shí)，可靈活選用適宜的截割頭，保障開(kāi)挖進(jìn)度，減少機(jī)械消耗量。

4 懸臂掘進(jìn)機(jī)施工關(guān)鍵技術(shù)

4.1 懸臂掘進(jìn)機(jī)就位

測(cè)量放樣及施工準(zhǔn)備工作完成后，懸臂掘進(jìn)機(jī)從下臺(tái)階行走至上臺(tái)階，行走過(guò)程中必須有專(zhuān)人負(fù)責(zé)移動(dòng)高壓電纜，切割頭擺至最低角度后緊貼一側(cè)拱腳位置，然后支撐后支腿，落實(shí)在基巖上。

4.2 除塵風(fēng)機(jī)就位調(diào)試

除塵風(fēng)機(jī)及時(shí)跟進(jìn)，緊貼下臺(tái)階掌子面，盡量縮短抽風(fēng)骨架風(fēng)袋長(zhǎng)度，減少風(fēng)阻損失；根據(jù)實(shí)際開(kāi)挖情況，開(kāi)挖過(guò)程中產(chǎn)生灰塵基本均在鏟板位置開(kāi)始上揚(yáng)，上揚(yáng)約3～4 m位置開(kāi)始向拱頂及洞外飄散，現(xiàn)場(chǎng)將骨架風(fēng)帶抽風(fēng)口固定在掘進(jìn)機(jī)鏟板位置約3～4 m高位置，能夠達(dá)到最佳除塵效果。

4.3 臺(tái)階法開(kāi)挖

根據(jù)隧道開(kāi)挖尺寸、現(xiàn)場(chǎng)機(jī)械設(shè)備作業(yè)范圍及挖掘機(jī)配合安裝HW250H型鋼拱架需求，上臺(tái)階5.5 m，下臺(tái)階4.9 m，仰拱開(kāi)挖深1.45 m；懸臂掘進(jìn)機(jī)切割頭距后支腿11.5 m，上臺(tái)階作業(yè)平臺(tái)最小保證12 m，下臺(tái)階需考慮單邊擺放除塵風(fēng)機(jī)、懸臂掘進(jìn)機(jī)以及下臺(tái)階至上臺(tái)階坡道，平臺(tái)最小長(zhǎng)度36 m。

不同圍巖情況下，懸臂掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)效率不同；初期支護(hù)參數(shù)不同，支護(hù)作業(yè)時(shí)間也不盡相同，因此在保證施工安全的前提下需進(jìn)行試驗(yàn)比選，以便合理選擇最優(yōu)循環(huán)進(jìn)尺，提高施工效率。紅石路隧道上臺(tái)階為砂巖，圍巖強(qiáng)度45 MPa；下臺(tái)階主要為泥質(zhì)砂巖，圍巖強(qiáng)度30 MPa。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際比選，確定最優(yōu)開(kāi)挖循環(huán)進(jìn)尺為:上臺(tái)階2 m，下臺(tái)階3 m，開(kāi)挖完成后立即進(jìn)行初期支護(hù)施工，隧道開(kāi)挖步序見(jiàn)圖3?，F(xiàn)場(chǎng)襯砌臺(tái)車(chē)選用9.1 m，每循環(huán)搭接0.1 m，每循環(huán)作業(yè)時(shí)長(zhǎng)7 d；經(jīng)試驗(yàn)比選后，上臺(tái)階短臺(tái)階進(jìn)尺9 m，約4.5 d，下臺(tái)階短臺(tái)階進(jìn)尺9 m約3 d，仰拱與上臺(tái)階同步實(shí)施，掌子面開(kāi)挖進(jìn)度與襯砌施工進(jìn)度基本匹配，現(xiàn)場(chǎng)能有效控制掌子面至襯砌安全步距，確保施工安全。

圖3 臺(tái)階法開(kāi)挖步序

4.4 除塵

新建隧道采用懸臂掘進(jìn)機(jī)開(kāi)挖時(shí)，在掌子面區(qū)域內(nèi)會(huì)產(chǎn)生大量的粉塵，若不進(jìn)行針對(duì)性處理，難以滿足現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)環(huán)境要求，危害施工人員安全。鑒于此，本工程利用排抽結(jié)合的原理，采用組合的送風(fēng)、除塵設(shè)備進(jìn)行降塵處理，除塵系統(tǒng)布置如圖4所示。其中江蘇西德力風(fēng)機(jī)有限公司生產(chǎn)的除塵機(jī)為懸臂掘進(jìn)機(jī)開(kāi)挖降塵處理關(guān)鍵設(shè)備，相比以往降塵設(shè)備具有以下特點(diǎn):

圖4 除塵系統(tǒng)布置

(1)整體化減少軟性連接，增加了設(shè)備穩(wěn)定性，移動(dòng)方便。

(2)采用多組濾芯過(guò)濾，避免了大量用水降塵，既減少了施工用水，更進(jìn)一步減少降塵污水對(duì)初支未成環(huán)段造成的浸泡。

4.5 初期支護(hù)

紅石路隧道為淺埋，地表為藍(lán)箭賓館8層主結(jié)構(gòu)及繁忙主干道紅石路，易導(dǎo)致隧道變形，引發(fā)地表沉降或地表房屋開(kāi)裂。掌子面開(kāi)挖完成后，及時(shí)施作初期支護(hù)，抑制圍巖變形，初期支護(hù)預(yù)留5 cm沉降量。鋼架、鋼筋網(wǎng)片、超前錨桿、系統(tǒng)錨桿、鎖腳錨桿統(tǒng)一在鋼筋加工場(chǎng)集中加工，檢驗(yàn)合格后運(yùn)入施工場(chǎng)地。人工安裝鋼拱架，掛設(shè)鋼筋網(wǎng)片，風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī)施作系統(tǒng)錨桿、鎖腳錨管、超前錨管，施作C30噴射砼。

4.6 仰拱開(kāi)挖

掘進(jìn)最大下挖深度為35 cm，紅石路隧道仰拱初支拱架封閉成環(huán)，采用懸臂掘進(jìn)直接開(kāi)挖仰拱將對(duì)初支造成二次破壞；隧道仰拱底部距軌道五號(hào)線大石壩車(chē)站高差僅1.5 m，采用炮機(jī)開(kāi)挖會(huì)對(duì)運(yùn)營(yíng)車(chē)站產(chǎn)生較大噪聲干擾。經(jīng)比選，仰拱采用挖掘機(jī)開(kāi)挖及配合扒渣，每層厚度不大于50 cm。仰拱開(kāi)挖前，首先用挖掘機(jī)將既有端頭回填土清理干凈，在成環(huán)仰拱拱架上安裝紅外激光裝置控制仰拱開(kāi)挖深度，開(kāi)挖至仰拱初支表面深度后，人工配合挖掘機(jī)進(jìn)行清底，保證基底密實(shí)，控制超挖。

4.7 施工監(jiān)測(cè)

紅石路隧道地表為藍(lán)箭賓館建筑群，隸屬武漢空軍駐重慶軍代室，隧道洞頂距地表建筑物條石基礎(chǔ)最小距離為11 m，下穿開(kāi)挖過(guò)程中不允許施工方進(jìn)場(chǎng)進(jìn)行施工監(jiān)測(cè)。為保證隧道下穿開(kāi)挖過(guò)程中能夠最大限度了解地表結(jié)構(gòu)物沉降及變形情況，本工程在隧道開(kāi)挖過(guò)程中通過(guò)在藍(lán)箭賓館周邊埋設(shè)測(cè)點(diǎn)，采用儀器在外圍進(jìn)行監(jiān)測(cè)。以藍(lán)箭賓館主體8F為例，測(cè)點(diǎn)布置及沉降時(shí)程曲線如圖5所示。

圖5 藍(lán)箭賓館主體8F測(cè)點(diǎn)布置及沉降時(shí)程曲線

由圖5可知，新建紅石路隧道下穿既有藍(lán)箭賓館建筑物同時(shí)上跨既有地鐵車(chē)站過(guò)程中，藍(lán)箭賓館主體8F監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，隧道開(kāi)挖后，會(huì)對(duì)藍(lán)箭賓館范圍內(nèi)建筑物產(chǎn)生不均勻沉降，超前支護(hù)措施可能對(duì)未開(kāi)挖處地表造成輕微隆起的影響。其中，建筑物最大沉降位于JZ3-1處，量值1.20 mm，最大隆起位于JZ3-4處，量值1.90 mm，各測(cè)點(diǎn)沉降量均小于控制值8 mm，保證了藍(lán)箭賓館范圍內(nèi)建筑物的安全。

5 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

5.1 經(jīng)濟(jì)效益

表3為紅石路隧道炮機(jī)開(kāi)挖與懸臂掘進(jìn)機(jī)開(kāi)挖經(jīng)濟(jì)分析表。由表3可知，采用懸臂掘進(jìn)機(jī)開(kāi)挖，綜合成本單價(jià)較普通炮機(jī)開(kāi)挖每方增加約133元，但月度綜合開(kāi)挖進(jìn)度增加70%，項(xiàng)目綜合管理成本減少。人員需求方面，采用懸臂掘進(jìn)機(jī)開(kāi)挖工法，每班組只需2～3人，一次性投入較少。

表3 紅石路隧道炮機(jī)開(kāi)挖與懸臂掘進(jìn)機(jī)開(kāi)挖經(jīng)濟(jì)分析

5.2 環(huán)保節(jié)能效益

相比普通炮機(jī)進(jìn)行機(jī)械開(kāi)挖，采用懸臂掘進(jìn)機(jī)施工，效率較高，工期縮短，節(jié)省了燃油和電力等能量的消耗，節(jié)能效益顯著；作業(yè)環(huán)境方面，現(xiàn)場(chǎng)采用組合的送風(fēng)、除塵設(shè)備進(jìn)行降塵處理，有效降低懸臂掘進(jìn)機(jī)切割巖面產(chǎn)生的大量粉塵，良好凈化了掘進(jìn)操作現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境。

5.3 社會(huì)效益

懸臂掘進(jìn)機(jī)施工有效解決了在密集城市區(qū)內(nèi)大斷面隧道暗挖對(duì)周邊建筑物擾動(dòng)的難題。懸臂掘進(jìn)機(jī)整機(jī)采用電力液壓驅(qū)動(dòng)，施工過(guò)程中噪聲小，對(duì)周邊地表房屋、居民及軌道車(chē)站噪聲影響較小，可滿足夜間作業(yè)需求。開(kāi)挖過(guò)程中洞內(nèi)、洞外監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)穩(wěn)定，變形量較小，對(duì)藍(lán)箭賓館、大石壩車(chē)站均未產(chǎn)生明顯干擾，得到重慶軌道集團(tuán)、重慶市安監(jiān)總站、重慶市質(zhì)監(jiān)總站、監(jiān)理單位的一致好評(píng)。

6 結(jié)束語(yǔ)

在密集城市區(qū)內(nèi)的大斷面暗挖隧道近接建(構(gòu))筑物施工，采用懸臂掘進(jìn)機(jī)施工技術(shù)能有效解決隧道開(kāi)挖過(guò)程對(duì)周邊建(構(gòu))筑物的擾動(dòng)控制難題，并可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)圍巖條件靈活擇用單側(cè)壁、雙側(cè)壁等開(kāi)挖方法，加快施工進(jìn)度，有效控制隧道超欠挖，節(jié)約施工成本，施工噪聲小，對(duì)周邊居民正常生活影響小，滿足夜間作業(yè)需求。目前該技術(shù)已在重慶甘悅大道渝北段隧道工程、貴陽(yáng)軌道交通1號(hào)線10標(biāo)區(qū)間隧道等工程成功應(yīng)用。工程實(shí)踐充分證明，其在城市密集區(qū)、地下管線復(fù)雜、近接穿越構(gòu)筑物等復(fù)雜情況下具有較高推廣應(yīng)用價(jià)值和廣泛應(yīng)用前景。