随着科技、隧道施工技术的不断进步, 特别是特殊机械的引进, 如钻爆破岩掘进机、悬臂式掘进机、连续采煤机、掘锚联合机组和全断面掘进机等, 推动隧道施工向多样化、重型化、自动化、效率化、经济化等方向发展^[1]。针对全硬岩巷道, 钻爆破岩掘进机是主要的掘进方式, 但在某些领域中全断面掘进机逐步取代钻爆破岩掘进机;在硬度较低的全岩巷道和半煤岩巷道, 悬臂式掘进机是主要的掘进方式;在部分条件适宜的煤巷掘进中, 掘进效率较高的连续采煤机和掘锚联合机组将被推广应用^[2]。

悬臂式掘进机在煤巷工程中运用广泛, 但在城市地铁暗挖隧道中使用甚少。邱昌德^[3]指出, 随着悬臂掘进机在煤矿巷道中的大力推广应用, 目前也日益在城市地铁、水利及铁路等地下工程中加以采用, 通过某铁路工程泄水洞采用悬臂式掘进机施工实例介绍了悬臂式掘进机适用性及现场实践情况;S D Jeur等^[4]提出悬臂式掘进机是隧道开挖施工中最灵活和独特的机械式掘进机, 其使用关键在于提升开挖效率的同时降低截齿消耗;王喜胜等^[5]初步摸索出一套悬臂式掘进机在地铁施工中的施工工艺, 分析了施工中存在的问题, 并提出对新一代掘进机的改进方案;孙泽顺^[6]通过对悬臂式掘进机的参数指标选择、激光导向定位、围岩支护、出渣等施工技术进行分析, 指出悬臂式掘进机在岩溶地层地铁隧道施工中应用效果良好;关则廉^[7]指出悬臂式掘进机软岩开挖技术在部分城市地铁隧道中得到了很好应用, 适应能力强, 开挖质量高, 安全有保障, 还可减少对围岩的扰动, 降低对地面建筑的影响;漆泰岳等^[8]将悬臂式掘进机在地铁隧道中的适用性与围岩的力学特性和施工工法结合研究, 得出影响悬臂式掘进机复杂断面掘进效率的因素及存在的问题;雷升祥等^[9]针对悬臂式掘进机的优势、铁路隧道施工中的可行性分析以及施工开挖方案、机械化配套方式、辅助工艺进行研究, 并提出了具体实现方式。

由于地铁隧道在城市地下纵横交错, 为降低对地面建筑、围岩扰动等的影响, 悬臂式掘进机在地铁隧道施工中必将成为主要的开挖方式^[10]。本文基于悬臂式掘进机在贵阳市轨道交通暗挖岩溶隧道中的应用实例, 从掘进机的选用背景及目的、施工方案、施工工艺及方法、悬臂式掘进机优缺点及施工优化等层面开展研究^[11]。

贵阳市轨道交通火车站—沙冲路区间隧道 (以下简称火-沙隧道) 位于南明区, 线路下穿贵阳火车站的客运站台、售票厅、铁路股道、行包房、南明区人民法院及数幢小高层居民楼。火-沙隧道为双洞单线结构形式, 右隧起讫里程YDK26+143.2—YDK27+073.8, 短链为YDK26+294.811—YDK26+300.000 (即5.189m) , 该段左、右线间距从16m渐变为13.5m;左隧起讫里程为ZDK26+143.2—ZDK27+073.8, 短链为ZDK26+272.779—ZDK26+300.000 (即27.221m) 。右隧全长925.411m, 左隧全长903.379m。

火-沙隧道处于贵阳市主城区核心区内, 线路通过范围为民用建筑密集区, 地形高差7.4m, 上覆盖层为块石层与红黏土, 下伏基岩为松坎子二段白云岩, 岩溶弱发育, 地下水主要补给来源为大气降水, 地下水标高为1 051.780~1 064.320m。

火-沙隧道下穿火车站、玉厂路、朝阳洞路, 周边管网密集。场区范围地面建筑物多, 且以1~9层民用建筑居多。建筑与隧道的位置关系及隧道开挖对建筑的影响评价结果如表1所示。

因此次暗挖隧道设计为“冷挖 (即非爆破开挖) ”施工———机械开挖施工, 工程辅助导坑横通道与竖井等均采用70型挖掘机或劈裂机破岩开挖施工, 但效果不理想, 进展十分缓慢。此外, 竖井入口紧临民房, 施工噪声难免对周边居民生活造成一定影响, 故只能在7:00—22:00时段内施工。

上述客观与主观因素致使火-沙隧道施工进度严重滞后, 经多方协商、论证后确定采用EBZ260型悬臂式掘进机执行后续掘进施工, 以达到既定工期目标, 且保障掘进施工时地表建 (构) 筑物的安全稳定。

火-沙隧道设计为“冷挖”施工, 采用普通机械, 每循环掘进施工长达30~48h, 每循环完成约为3d, 无法满足业主要求。而采用悬臂式掘进机每循环掘进施工仅需8~9h, 每循环完成约为24h, 为保证总体工期目标, 经多方考察, 参照大连市地铁、四川省绵阳市悬臂式掘进机施工情况, 拟选定火-沙隧道区间YDK26+300—YDK26+862, ZDK26+300—ZDK26+880里程段暗挖隧道作为试验段, 采用EBZ260型悬臂式掘进机进行隧道冷挖施工。

试验段掘进施工需对掌子面及初支变形情况进行实时监测, 并配备隧道施工应急救援物资, 在确保施工安全的情况下进行。

1) 对不同围岩所产生的工况进行试验, 分析不同围岩掘进机的掘进功效、围岩稳定性及初支变形情况。

2) 将设计分台阶施工方法改为全断面施工方法进行试验, 分析全断面开挖对掌子面围岩扰动性及施工安全性的影响。

3) 对因掘进机切割头操作空间需增加掌子面80cm临空面进行试验, 分析围岩稳定性和施工安全性。

4) 总结成熟的悬臂式掘进机掘进施工工序流程。

5) 对因掘进机施工产生的人工、材料、机械设备进行分析总结。

试验段掘进施工完成后, 需分析总结试验段数据, 对方案进行优化用于指导该区间其他里程段的掘进施工及特殊里程段 (下穿火车站段等) 掘进方案的编制^[12]。

1) 设备准备

因本次施工选用的掘进机工作电压为1 140V, 故需为每台掘进机匹配1台特殊变压器, 保证输出电压为1 140V以满足掘进机工作需求。同时, 需准备630k V的高压电及配套电缆、水管、通风及出渣车等。

2) 超前物探配合

采用声波探测法、超前水平钻探等地质超前预报技术, 如探明掌子面前方工程地质, 保障人、财、物、料等的安全, 以减少或避免可能遭遇的地质灾害。

根据火-沙隧道场区岩样饱和抗压强度R_c测试结果, 发现R_c最大达85MPa, 据此选用EBZ260型掘进机施工, 可保证一次完成隧道全断面 (除仰拱部分外) 的开挖, 掘进方量约34m³/延米。

为保证隧道作业24h不间断, 掘进工班实行2班制, 每台掘进机配套施工人员每班6h轮流上岗, 具体人员、机械配置如表2所示。

当掘进机到位时, 首先, 在掌子面底部切出1条沿水平向的凹槽;其次, 掘进机前移再次就位, 随后切割头自下而上、左右循环切削;同时, 铲板耙爪将岩渣铲入运输机1, 之后再将其转运至运输机2, 并由出渣车运至弃渣场;最后, 在掌子面由底到顶按S形或Z形左右循环向上完成开挖, 进行隧道断面整修以达设计标准。掘进过程中, 若局部遇强度超过100MPa的硬岩时, 则先开挖硬岩周边的软岩, 以使硬岩在自重作用下坠落, 再另行处理, 以减小掘进难度、降低截齿耗损。

若采用右旋切割头切削硬岩, 从扫底开始自右至左, 再按自右向左、从上往下或自左向右、从下往上的方式逐步切削。当遇较好岩石但节理发育时, 则宜沿节理走向逐步切割岩石。

不同截齿对应不同硬度岩石, 截齿螺旋线排布, 以保证掘进机有最好的切削能力, 还可根据实际工况选择理想切割头, 提高工效。若局部遇硬岩, 则采用小直径切割头, 切割力大, 切削力强, 可降低掘进难度及截齿损耗^[13], 掘进机切割方式如图1所示。

首先, 切割头旋转切削, 通过耙爪、运输机1实现落渣的装运与转载, 再由运输机1转运至运输机2, 并装入出渣车的料斗, 门式起重机将渣土吊运至场内临时存渣区, 完成一次出渣流程。为改善洞内施工环境, 降低工人劳动强度, 小断面隧道施工时, 可拆除运输机2, 并用挖掘机代替运输机2出渣。

掘进机施工时先从隧道一侧入口驶入, 再以截齿在隧道掌子面切削, 渣土先由运输机1输送至掘进机后部, 再由挖掘机将渣土装入运渣车运至竖井, 并垂直提升至临时存渣区;完成掘进后, 由掘进机将初支台车运至掌子面以开始架设钢拱架、喷射混凝土等初期支护工作, 而将掘进机退至不影响后续工作位置等待下一工序。仰拱开挖也采用挖掘机, 使该隧道全面实现机械化施工, 可减少围岩扰动, 避免影响周边建筑。

隧道采用掘进机施工可实现围岩小扰动、岩层强适应、开挖高质量、断面高圆顺、喷混凝土支护方便、缩短工期、安全有保障的效果。

完成掌子面一次循环进尺掘进后, 支护工组按设计支护开展初期支护工作, 依次循环作业。待初期支护一定长度完成封闭成环后, 衬砌工组按设计施作仰拱与二次衬砌 (本次二次衬砌施作计划在初期支护完成300m后实施) 。为保证二次衬砌施作, 将设计联络通道向大里程方向前移并将联络通道加宽至6m。

机械掘进成洞圆顺度高, 提高了隧道断面质量, 又便于初期支护喷射混凝土作业, 也使初期支护质量显著提高。

1) 悬臂式掘进机集切削、装渣、转运和自行于一体, 可实现切削、装运同步。具有掘进高连续性、地质强适应性等优点, 是较合适的冷挖掘进装备。

2) 悬臂式掘进机功能多、机动性好, 若遇意外工况, 可在不影响施工进度的情况下及时调整施工方案。

3) 悬臂式掘进机施工进度取决于支护工序, 而悬臂掘进所开挖断面规整, 可快速拼装钢架与网片, 大量节省喷射混凝土作业时间。

1) 采用掘进机施工, 不仅可提高隧道机械化作业程度, 还可降低施工风险。

2) 机械切削掘进作业对围岩扰动极小, 提高了下穿高层建筑及车站的安全指数。

3) 悬臂掘进作业效率高, 支护也可及时施作, 减少了作业面临空时间。

悬臂式掘进机在切割部带有喷水与吸尘设备, 可减小切岩面粉尘, 使作业现场环境得以净化, 空气质量更优越。

1) 因掘进机切割头较长, 每循环开挖作业的掌子面均需预留约0.80m的作业面, 以防已施作初期支护在下次开挖时受损, 致使掌子面处产生过大临空面。

2) 因依托区间隧道工程为小断面隧道, 但掘进机尺寸相对过大 (长×高×宽=11.7m×2.0m×3.6m) , 无法在掘进中同时通过二次衬砌台车, 二次衬砌一旦开始作业, 掘进机仅能单线单向前行掘进。

3) 由于掘进机切割部受自身长度制约, 无法满足分台阶掘进施工。

掘进机施工临空面过大时, 可采取改进掘进机切割头长度、实施掘进机部分断面开挖进行掘进施工。本区间下穿站房段初期支护钢架设计间距为0.35m/榀, 掘进时每循环进尺控制在0.6m以内, 并预留靠近已施作初期支护附近洞身, 采用风镐或挖掘机进行修整;下穿站场段初期支护钢架设计间距为0.5m/榀, 掘进时每循环进尺控制在0.8m以内, 并预留靠近已施作初期支护附近洞身, 采用风镐或挖掘机进行修整。

经研究决定更换体型较小的切割头, 以最大程度缩短掌子面临空面在50cm左右。

采用掘进机进行掘进工作时, 只开挖隧道部分断面, 即保证不破坏已施作初期支护的情况下尽可能地采用切割头切削洞身, 预留开挖面采用风镐或挖掘机进行开挖修整 (见图2) 。

1) 保障仰拱、仰拱填充正常施工的施工组织措施仰拱及仰拱填充施工时, 在已施作仰拱填充与未施作仰拱填充部分架设钢栈桥, 出渣车、挖掘机等机械设备及工人利用钢栈桥通行, 掘进机在掌子面掘进施工, 如图3所示。

2) 保障二次衬砌正常施工的施工组织措施针对本区间普通里程段隧道, 拟定初期支护完成300m后再进行二次衬砌施作;针对个别围岩软弱及特殊里程段实施二次衬砌跳护施工。

针对掘进机无法正常通过二次衬砌台车的问题, 拟在洞内安排2台掘进机进行掘进施工, 当左线大里程方向通过联络通道后该方向设置1台掘进机进行单方向掘进, 并以联络通道为起点向大里程方向施作二次衬砌;另外一台掘进机则通过联络通道及横通道进行剩余3个隧洞的掘进施工。具体施工组织如图4所示。

由于场区地质情况较好, 绝大多数段为IV级围岩, 隧道掘进过程中严格按照设计要求对掌子面进行超前地质预报, 并实时监测初期支护变形情况, 在围岩稳定地段可灵活选用台阶法与全断面法进行隧道掘进施工。当出现掌子面地质条件差、围岩不稳定、遇溶洞等情况时, 应停止掘进施工, 封闭掌子面, 邀请设计、地质勘察、监理单位现场研究处理方案, 按商定方案处理完成后再进行掘进施工^[14]。

通过对悬臂式掘进机在地铁暗挖隧道施工中的全面研究, 得出如下结论。

1) 采用EBZ260型悬臂式掘进机进行火-沙隧道掘进施工, 可使施工进度加快, 实现计划工期目标, 也可确保掘进作业时的地表建 (构) 筑物的安全稳定。

2) 暗挖隧道采用普通冷挖机械, 每循环掘进施工长达30~48h, 每循环完成约为3d;采用悬臂式掘进机每循环掘进施工仅需8~9h, 每循环完成约为24h。

3) 悬臂式掘进机施工过程中需对不同围岩所产生的不同工况进行试验研究, 分析不同掘进机的功效、围岩稳定性及初期支护变形情况;将设计分台阶施工方法改为全断面施工方法进行试验, 分析了全断面开挖对掌子面围岩的扰动性及施工安全性;对因掘进机切割头操作空间需增加的掌子面80cm临空面进行试验, 分析了围岩稳定性和施工安全性;总结了成熟的悬臂式掘进机掘进施工工序。

4) 采用掘进机施工需做好施工配套设施准备、超前物探配合以及机械人员和机械配置。

5) 针对不同节理发育程度或不同硬度的岩石, 可科学优选螺旋线排布截齿以及不同直径的切割头, 可提高施工效率, 降低掘进难度及截齿消耗量。

6) 隧道采用悬臂式掘进机作业, 可提高机械化作业程度, 降低施工风险;采用切削掘进, 可大幅减弱对围岩扰动, 提高安全系数及开挖质量, 开挖断面圆顺度高, 便于喷混凝土支护;掘进机的配套喷水与吸尘装备, 使作业现场环境得以净化。

7) 针对掘进机施工临空面过大问题, 采用改进掘进机切割头长度及实施掘进机部分断面开挖的解决方法;针对仰拱及其填充问题, 在已施作仰拱填充与未施作仰拱填充部分架设钢栈桥;为保证二次衬砌的正常施工, 在普通里程段隧道, 拟定初期支护完成300m后再进行二次衬砌施作;在围岩稳定地段可灵活选用台阶法与全断面法进行隧道掘进施工。