孫榮SUN Rong

（中國(guó)水利水電第八工程局有限公司，長(zhǎng)沙 410000）

0 引言

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，城鎮(zhèn)化進(jìn)程不斷加快，城市的規(guī)模和空間不斷擴(kuò)張，城市軌道交通在技術(shù)和規(guī)模上均得到迅猛發(fā)展，盾構(gòu)法（盾構(gòu)機(jī)、TBM 掘進(jìn)機(jī)）替代傳統(tǒng)礦山法在城市地鐵施工中得到廣泛應(yīng)用。然而，受區(qū)域地層條件和城市特殊施工環(huán)境的限制，一些城市的部分地鐵項(xiàng)目仍采用礦山法施工。由于城市爆破施工的局限性，使得人們對(duì)非爆破開(kāi)挖及其工程設(shè)備的研究不斷深入，促進(jìn)了懸臂式掘進(jìn)機(jī)在城市地鐵施工中的應(yīng)用以及發(fā)展。

1 懸臂式掘進(jìn)機(jī)施工技術(shù)簡(jiǎn)介

懸臂式掘進(jìn)機(jī)是一種大型綜合掘進(jìn)設(shè)備，集切割、行走、裝運(yùn)、噴霧除塵于一體的非爆開(kāi)挖掘進(jìn)設(shè)備。懸臂式掘進(jìn)機(jī)作為一款大型綜合掘進(jìn)設(shè)備，其截割功率從100kW至360kW，適應(yīng)全巖巷道及隧道掘進(jìn)施工，截割巖石硬度從f4 至f10，最大截割巖石單向抗壓強(qiáng)度可達(dá)120MPa，適用中小斷面以上的隧道施工，設(shè)備自身適應(yīng)性很強(qiáng)。懸臂式掘進(jìn)機(jī)作業(yè)線主要由主機(jī)和配套設(shè)備組成。主機(jī)采用履帶式行走機(jī)構(gòu)，作業(yè)時(shí)通過(guò)設(shè)備前端大臂帶動(dòng)截割頭左右循環(huán)擺動(dòng)向上向下截割巖石。配套設(shè)備主要有鏟板刮板、皮帶運(yùn)輸機(jī)、高壓噴霧系統(tǒng)及自動(dòng)卷纜裝置。截割頭截割切削巖石后，底部鏟板刮板收料清底，通過(guò)內(nèi)置中間運(yùn)輸機(jī)轉(zhuǎn)載完成一運(yùn)，再通過(guò)尾部配套皮帶運(yùn)輸機(jī)完成二運(yùn)裝車；內(nèi)、外高壓噴霧系統(tǒng)完成截割頭冷卻及作業(yè)面除塵，實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)、出渣、除塵連續(xù)作業(yè)。

2 項(xiàng)目背景及概況

根據(jù)地質(zhì)勘查報(bào)告顯示，深圳地鐵12 號(hào)線太子灣站～海上世界站區(qū)間施工段從上到下的地質(zhì)依次為強(qiáng)風(fēng)化粗?；◢弾r、中風(fēng)化粗?；◢弾r、微風(fēng)化粗?；◢弾r，2 號(hào)線蛇海區(qū)間受影響區(qū)域、2 號(hào)線與12 號(hào)線之間地層、12 號(hào)線隧道地層均位于微風(fēng)化粗?；◢弾r，下穿段2 號(hào)線洞身、12 號(hào)線洞身及2 號(hào)線與12 號(hào)線之間的地層均為微風(fēng)化粗?；◢弾r，12 號(hào)線隧道斷面為馬蹄形，寬6.2m，高6.76m；2 號(hào)線隧道斷面為馬蹄形，寬5.8m，高6.348m（圖1、圖2 所示）。

圖2 區(qū)間隧道與2 號(hào)線隧道平面圖

深圳地鐵12 號(hào)線太海區(qū)間礦山法隧道近距離下穿既有地鐵2 號(hào)線蛇口港-海上世界站區(qū)間，夾角為70°，與地鐵2 號(hào)線蛇海區(qū)間最小豎向凈距為4.11m，下穿段左線長(zhǎng)22.714m，右線長(zhǎng)23.231m（圖1、圖2 所示）。

下穿2 號(hào)線段原設(shè)計(jì)要求采用上下臺(tái)階法施工，減震孔+數(shù)碼雷管爆破，振速不得超過(guò)1cm/s，單次爆破循環(huán)進(jìn)尺不得超過(guò)0.5m，同時(shí)爆破時(shí)間為列車停運(yùn)期間（凌晨1:30-6:00）。

既有2 號(hào)線控制參數(shù)表及安全控制指標(biāo)如表1、表2所示。

表1 既有2 號(hào)線軌道靜態(tài)尺寸容許變形值

表2 既有2 號(hào)線隧道結(jié)構(gòu)安全控制指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值

若采用爆破施工，施工進(jìn)尺緩慢、爆破振速不可控、施工時(shí)間受限；同時(shí)既有2 號(hào)線礦山法隧道也是采用爆破開(kāi)挖，爆破施工可能會(huì)對(duì)隧道輪廓線外巖體造成破壞，造成下穿段12 號(hào)線與2 號(hào)線隧道之間巖層破碎，產(chǎn)生掉塊、冒頂風(fēng)險(xiǎn)。為了加快施工進(jìn)度，滿足工期目標(biāo)，減小對(duì)巖層的較大擾動(dòng)，降低對(duì)既有2 號(hào)線隧道的行車影響。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況，積極開(kāi)展技術(shù)方案優(yōu)化，經(jīng)專家咨詢論證，現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)試驗(yàn)段施工，分析相關(guān)控制數(shù)據(jù)，滿足施工要求。最終擬定下穿段選用XTR6/260 懸臂式掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行隧道開(kāi)挖施工。

3 懸臂式掘進(jìn)機(jī)在地鐵隧道的應(yīng)用

3.1 設(shè)備選型 設(shè)備選型時(shí)，應(yīng)結(jié)合掘進(jìn)機(jī)的設(shè)備參數(shù)、工藝特點(diǎn)，以及對(duì)12 號(hào)線太海區(qū)間礦山法隧道下穿段參數(shù)與2 號(hào)線蛇海區(qū)間礦山法隧道受影響區(qū)域參數(shù)對(duì)比（如表3），綜合考慮以下技術(shù)參數(shù)：

表3 隧道參數(shù)對(duì)比表

①定位截割高度和寬度。設(shè)備的定位截割高度和寬度決定設(shè)備的一次成型斷面尺寸。若擬選機(jī)型的定位截割高度和寬度小于隧道開(kāi)挖斷面尺寸，掘進(jìn)時(shí)不能一次成型，需二次墊高和左右移動(dòng)設(shè)備主體，則會(huì)降低使用效率；若擬選機(jī)型的定位截割高度和寬度大大超過(guò)隧道開(kāi)挖斷面尺寸，則會(huì)造成設(shè)備的浪費(fèi)，且受隧道作業(yè)空間的限制，不利于設(shè)備的使用。因此設(shè)備選型時(shí)，以設(shè)備的截割高度和寬度略大于開(kāi)挖斷面、滿足一次成型為宜。②最大/可經(jīng)濟(jì)截割巖石單向抗壓強(qiáng)度。設(shè)備的截割巖石單向抗壓強(qiáng)度決定設(shè)備的掘進(jìn)效率，與設(shè)備的截割電機(jī)功率相關(guān)聯(lián)。設(shè)備選型時(shí)，一般按可經(jīng)濟(jì)截割巖石單向抗壓強(qiáng)度考慮匹配隧道圍巖抗壓強(qiáng)度。③外形尺寸。設(shè)備自身的“懸臂”特點(diǎn)，使得設(shè)備的橫截面尺寸一般遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其定位截割寬度和高度，因此設(shè)備的外形尺寸并非設(shè)備選型時(shí)的優(yōu)先考慮因素。但綜合考慮隧道的作業(yè)條件，設(shè)備的外形尺寸也應(yīng)酌情予以考慮。

深圳地鐵12 號(hào)線太海區(qū)間以中等風(fēng)化粗?；◢弾r和微風(fēng)化粗?；◢弾r為主，結(jié)合項(xiàng)目地質(zhì)參數(shù)和工況，綜合考慮以上因素，選用徐工XTR260 型懸臂式掘進(jìn)機(jī)。

3.2 開(kāi)挖工裝配套 本項(xiàng)目通過(guò)明挖豎井組織進(jìn)洞施工，雙線共兩個(gè)開(kāi)挖作業(yè)面，單個(gè)隧道作業(yè)面開(kāi)挖主要工裝設(shè)備配套有：XTR260 型掘進(jìn)機(jī)1 臺(tái)、挖掘機(jī)1 臺(tái)、裝載機(jī)1 臺(tái)、柴油發(fā)電機(jī)1 臺(tái)、變壓器1 臺(tái)、自卸式渣土運(yùn)輸車3 臺(tái)。

3.3 通風(fēng)降塵 掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)過(guò)程中產(chǎn)生大量巖粉，大大降低隧道空氣質(zhì)量和空氣能見(jiàn)度，開(kāi)挖作業(yè)面附近尤為嚴(yán)重，對(duì)掌子面開(kāi)挖作業(yè)和后續(xù)仰拱襯砌作業(yè)均造成極大影響。隧道通風(fēng)降塵除掘進(jìn)機(jī)自身配置的高壓噴霧降塵系統(tǒng)外，結(jié)合隧道地層巖性和作業(yè)時(shí)產(chǎn)生的粉塵情況，在機(jī)身臨時(shí)增設(shè)高壓霧炮機(jī)降塵，以改善開(kāi)挖作業(yè)面附近的空氣質(zhì)量和能見(jiàn)度。同時(shí)考慮隧道通風(fēng)長(zhǎng)度，結(jié)合洞外設(shè)置的軸流風(fēng)機(jī)進(jìn)行管道壓入式通風(fēng)，在隧道內(nèi)設(shè)置移動(dòng)射流風(fēng)機(jī)，加快空氣流通速度，解決隧道內(nèi)局部風(fēng)力不足和空氣質(zhì)量差的問(wèn)題。

3.4 施工工藝方法 ①深圳地鐵12 號(hào)線太海區(qū)間采用臺(tái)階法開(kāi)挖施工，拱墻一次開(kāi)挖成型。具體工藝如下：

1）開(kāi)挖方式：采用上下臺(tái)階法開(kāi)挖，隧道最高處為5.48m，最寬處為6.2m。開(kāi)挖作業(yè)時(shí)，掘進(jìn)機(jī)就位后，開(kāi)始先從作業(yè)面底部切削出一道槽，然后調(diào)整機(jī)身再次就位，懸臂帶動(dòng)截割頭自下而上、左右循環(huán)切削，在拱頂處超過(guò)掘進(jìn)機(jī)的切割高度時(shí)，可用碎石墊起一個(gè)坡，以保證開(kāi)挖斷面不欠挖。在切削的同時(shí)，機(jī)身前端鏟板部刮板將切削下來(lái)的石渣裝入內(nèi)置第一運(yùn)輸機(jī)，通過(guò)第一運(yùn)輸機(jī)同步轉(zhuǎn)運(yùn)至機(jī)身尾部第二運(yùn)輸機(jī)，再通過(guò)第二運(yùn)輸機(jī)直接裝入出渣車運(yùn)輸至洞外。從底部切削開(kāi)挖至頂部后，再進(jìn)行切削修正以達(dá)到準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)斷面。切割方式由下往上左右循環(huán)切割，當(dāng)局部有硬巖時(shí)，可以選用小直徑切割頭，切割力大，破巖能力強(qiáng)。在開(kāi)挖掘進(jìn)過(guò)程中，受設(shè)備鏟板尺寸的限制，鏟板往往不能將隧道底板的渣土徹底清收，待開(kāi)挖成型設(shè)備退場(chǎng)后，再通過(guò)挖掘機(jī)進(jìn)行清底作業(yè)，清除剩余渣土。開(kāi)挖作業(yè)時(shí)，掘進(jìn)機(jī)的截割方式是從掃地開(kāi)始截割，再按照S 型或Z 型路線左右循環(huán)向上逐級(jí)截割以上部分（圖3 所示）。遇到節(jié)理發(fā)育較好的巖層，則沿巖石節(jié)理方向逐級(jí)切割。當(dāng)局部遇有硬巖時(shí)，可以選用小直徑切割頭，切割力大，破巖能力強(qiáng)，以降低掘進(jìn)難度及截齒消耗量。

圖3 懸臂式掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)順序圖

2）出渣：掘進(jìn)機(jī)切碎巖石后由傳送帶運(yùn)至機(jī)器尾部送出，然后由裝載機(jī)裝入渣斗，由豎井內(nèi)現(xiàn)有龍門吊垂直運(yùn)輸至場(chǎng)地內(nèi)的堆渣池內(nèi)，由挖機(jī)配合轉(zhuǎn)運(yùn)至自卸車運(yùn)走。

3）仰拱開(kāi)挖：仰拱開(kāi)挖應(yīng)滯后掘進(jìn)機(jī)開(kāi)挖掌子面不小于15m，采用數(shù)碼雷管爆破。

②初期支護(hù)：1）距離既有2 號(hào)線隧道結(jié)構(gòu)外邊緣10m范圍，每開(kāi)挖進(jìn)尺1m，立即進(jìn)行初期支護(hù)，初期支護(hù)采用噴錨+格柵鋼架支護(hù)，鋼架間距0.5m，初支厚200mm。錨桿采用C22 砂漿錨桿，L=3m，環(huán)向間距1.2m，縱向間距1.0m（拱部150°）。2）下穿2 號(hào)線段，每開(kāi)挖進(jìn)尺0.5m，立即進(jìn)行初期支護(hù)，初期支護(hù)采用噴錨+格柵鋼架支護(hù)，鋼架間距0.5m，初支厚200mm。錨桿采用C22 砂漿錨桿，L=2.5m,環(huán)向間距1.2m，縱向間距1.2m（拱部150°）。

③自動(dòng)化監(jiān)測(cè)：距離2 號(hào)線結(jié)構(gòu)外邊緣50m 時(shí)，對(duì)既有2 號(hào)線隧道結(jié)構(gòu)、軌道等進(jìn)行自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，并建立安全風(fēng)險(xiǎn)分析平臺(tái)，通過(guò)該平臺(tái)，將現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，及時(shí)傳輸至控制中心，進(jìn)行分析、上報(bào)，并根據(jù)分析結(jié)果采取監(jiān)管、應(yīng)急、防范等措施。監(jiān)測(cè)內(nèi)容主要包含監(jiān)測(cè)初始值采集、既有2 號(hào)線結(jié)構(gòu)缺陷巡查、監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)、監(jiān)測(cè)頻率選取、監(jiān)測(cè)預(yù)警等級(jí)劃分及應(yīng)對(duì)措施。

④施工監(jiān)測(cè)：施工時(shí)，加強(qiáng)對(duì)已施工地段隧道拱頂豎向位移、洞內(nèi)水平收斂、底板隆起及周邊地表沉降、周邊建構(gòu)筑物地沉降的監(jiān)測(cè)。本項(xiàng)目采用明挖豎井進(jìn)洞施工，配備3 臺(tái)自卸式渣土運(yùn)輸車，隧道內(nèi)配備1 臺(tái)裝載機(jī)進(jìn)行洞內(nèi)水平運(yùn)輸，豎井場(chǎng)地內(nèi)設(shè)置20t 龍門吊進(jìn)行垂直運(yùn)輸，基本滿足生產(chǎn)施工需要。

3.5 洞內(nèi)文明施工 掘進(jìn)機(jī)對(duì)圍巖的破碎程度高，巖石強(qiáng)度越高，整體性越好，破碎程度越高，石渣顆粒越小，粉渣越多。本項(xiàng)目針對(duì)工況及時(shí)抽排積水，確保排水符合排放標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)渣土運(yùn)輸車車廂進(jìn)行必要的密封處理，保證運(yùn)輸過(guò)程不遺漏、少遺漏，減少洞內(nèi)通道二次污染；同時(shí)存放在臨時(shí)渣土場(chǎng)的渣土要進(jìn)行必要的翻曬處理。開(kāi)挖作業(yè)面的渣土要及時(shí)清理干凈，避免越積越多，造成道路泥濘不堪。

3.6 掘進(jìn)機(jī)施工安全 懸臂式掘進(jìn)機(jī)不同于盾構(gòu)機(jī)，是一種敞開(kāi)式隧道掘進(jìn)機(jī)，在掘進(jìn)過(guò)程中對(duì)作業(yè)面圍巖不能起到支撐作用，因此對(duì)圍巖自身的穩(wěn)定性和預(yù)加固措施的要求與礦山法相同。深圳地鐵12 號(hào)線太海區(qū)間針對(duì)既有2 號(hào)線控制參數(shù)表及安全控制指標(biāo)施工過(guò)程中，要加強(qiáng)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，通過(guò)超前水平地質(zhì)鉆孔、TSP、地質(zhì)雷達(dá)、紅外探水等手段探測(cè)前方地質(zhì)情況，并充分利用拱頂小導(dǎo)管鉆孔加強(qiáng)拱部的地質(zhì)探測(cè)，掌握地層變化。具體如下：①下穿前對(duì)既有2 號(hào)線蛇海區(qū)間現(xiàn)狀進(jìn)行調(diào)查，進(jìn)行三維激光掃描并做好相應(yīng)記錄，對(duì)其安全性進(jìn)行論證，以制定其安全狀態(tài)，同時(shí)制定出變形預(yù)測(cè)及施工管理標(biāo)準(zhǔn)值，待下穿過(guò)后再對(duì)2 號(hào)線結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)查，與施工前狀況進(jìn)行對(duì)比分析。②對(duì)既有2 號(hào)線受影響地段每隔3 對(duì)短軌枕設(shè)置一根絕緣軌距拉桿。③對(duì)既有2 號(hào)線采取自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，與既有線運(yùn)營(yíng)管理部門建立綜合管理機(jī)制，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果，必要時(shí)采取洞內(nèi)加固措施及對(duì)運(yùn)營(yíng)區(qū)間的限速措施。④隧道其次是針對(duì)前方圍巖變化情況，及時(shí)調(diào)整施工工法，縮短循環(huán)進(jìn)尺，確保施工安全；必要時(shí)調(diào)整超前小導(dǎo)管參數(shù)，加強(qiáng)拱部超前支護(hù)措施。

4 懸臂式掘進(jìn)機(jī)在地鐵暗挖隧道施工在本項(xiàng)目幾點(diǎn)體會(huì)

深圳地鐵12 號(hào)線太海區(qū)間下穿段與2 號(hào)線蛇海區(qū)間采用臺(tái)階法開(kāi)挖施工中，懸臂式掘進(jìn)機(jī)相對(duì)于其他傳統(tǒng)礦山法隧道施工有著無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。①掘進(jìn)機(jī)主體采用履帶式行走機(jī)構(gòu)，機(jī)身調(diào)動(dòng)靈活，便于轉(zhuǎn)彎、爬坡，對(duì)復(fù)雜地質(zhì)條件適應(yīng)性強(qiáng)；適用于全斷面、短臺(tái)階及長(zhǎng)臺(tái)階等隧道施工工法；②掘進(jìn)機(jī)截割部的切削臂可以上下、左右自由擺動(dòng)，能切割任意形狀隧道斷面；切削出的斷面表面精確、平整、圓順，不需要二次修形，機(jī)掘超挖量小，便于支護(hù)施工；③相比傳統(tǒng)的爆破開(kāi)挖，掘進(jìn)機(jī)對(duì)周邊圍巖的影響深度小，極大地降低了安全風(fēng)險(xiǎn)；噪音低，能有效控制對(duì)周邊環(huán)境的影響和減少外部施工干擾；④相比液壓錘等其他非爆開(kāi)挖設(shè)備，掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)效率高，能實(shí)現(xiàn)切削、裝運(yùn)連續(xù)作業(yè)，減少了渣土轉(zhuǎn)載環(huán)節(jié)，總工序時(shí)間縮短了十天左右；⑤掘進(jìn)機(jī)采用切削方式進(jìn)行掘進(jìn)，振動(dòng)小，對(duì)圍巖擾動(dòng)極小，在2 號(hào)線內(nèi)自動(dòng)化振速監(jiān)測(cè)基本沒(méi)有振速，同時(shí)提高了隧道開(kāi)挖精確性，開(kāi)挖斷面圓順度高，便于噴砼支護(hù)，同時(shí)也提高了初期支護(hù)的質(zhì)量；⑥掘進(jìn)機(jī)開(kāi)挖不受時(shí)間限制，可一天24 小時(shí)作業(yè)，同時(shí)開(kāi)挖工效高，四級(jí)圍巖（巖石強(qiáng)度約60MPa），每小時(shí)可開(kāi)挖8m3；三級(jí)圍巖（巖石強(qiáng)度約80MPa），每小時(shí)可開(kāi)挖5m3；開(kāi)挖的同時(shí)能進(jìn)行出渣作業(yè)，大大減少了開(kāi)挖面的臨空時(shí)間，能及早的進(jìn)行初期支護(hù)。

5 結(jié)束語(yǔ)

懸臂式掘進(jìn)機(jī)在建筑工程隧道施工中的應(yīng)用日趨廣泛，掘進(jìn)機(jī)施工技術(shù)也日趨成熟，掘進(jìn)機(jī)以其施工技術(shù)先進(jìn)、掘進(jìn)速度快、掘進(jìn)效率高、適應(yīng)能力強(qiáng)等特點(diǎn)，具有較好的推廣應(yīng)用前途。結(jié)合掘進(jìn)機(jī)在地鐵暗挖隧道施工中的應(yīng)用，進(jìn)一步開(kāi)展掘進(jìn)機(jī)施工技術(shù)、施工工藝及對(duì)隧道施工適應(yīng)性的研究，進(jìn)一步改善設(shè)備自身存在的不足，有利于懸臂掘進(jìn)機(jī)在地鐵隧道施工中的推廣應(yīng)用。