鐵路隧道中懸臂掘進(jìn)機(jī)施工試驗(yàn)研究★

蔣博林，吳麗君

(1.重慶交通大學(xué)，重慶 400074； 2.招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司，重慶 400067；3.重慶工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，重慶 402260； 4.中鐵八局集團(tuán)第一工程有限公司，重慶 400053)

懸臂掘進(jìn)機(jī)是主要應(yīng)用于煤礦巷道掘進(jìn)施工的綜合機(jī)械化掘進(jìn)設(shè)備，鐵路隧道工程中采用懸臂掘進(jìn)機(jī)施工的案例不多，沒(méi)有現(xiàn)成相關(guān)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)，工藝工法可以借鑒、參考。雷升祥等[1]分析了懸臂掘進(jìn)機(jī)在鐵路隧道施工中的開挖方案、機(jī)械化配套方式以及輔助工藝，并提出了具體的實(shí)現(xiàn)方式。項(xiàng)志敏等[2]研究了適應(yīng)于大斷面鐵路隧道施工的懸臂掘進(jìn)機(jī)銑挖工藝，同時(shí)也對(duì)懸臂掘進(jìn)機(jī)設(shè)備配套及適應(yīng)性進(jìn)行分析。邱昌德[3]介紹了某鐵路工程泄水洞采用懸臂掘進(jìn)機(jī)的適用性及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐情況。漆泰岳等[4]通過(guò)對(duì)懸臂掘進(jìn)機(jī)在實(shí)際工程中應(yīng)用情況的分析，探索了在復(fù)雜斷面地鐵隧道之中應(yīng)用懸臂掘進(jìn)機(jī)的適用性和影響懸臂掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)效率的因素以及存在的問(wèn)題。孫澤順[5]探究了懸臂掘進(jìn)機(jī)在巖溶地層地鐵隧道中的應(yīng)用，分析了懸臂掘進(jìn)機(jī)參數(shù)指標(biāo)的選擇、激光導(dǎo)向定位、圍巖支護(hù)、出渣等施工技術(shù)。S.D.Jeur等[6]結(jié)合帶有除塵設(shè)備的懸臂掘進(jìn)機(jī)在印度鐵路隧道施工過(guò)程中的掘進(jìn)率及截齒損耗情況，介紹了隧道掘進(jìn)采用懸臂掘進(jìn)機(jī)模式的優(yōu)點(diǎn)。本文通過(guò)在大瑞鐵路秀嶺隧道的平行導(dǎo)洞中開展懸臂掘進(jìn)機(jī)施工試驗(yàn)研究，收集相關(guān)參數(shù)，為懸臂掘進(jìn)機(jī)施工方法在鐵路隧道工程中的使用，以及制定相應(yīng)的工藝工法標(biāo)準(zhǔn)提供參考和依據(jù)。

1 試驗(yàn)段工程概況

大(理)瑞(麗)鐵路秀嶺隧道位于云南省大理市，分進(jìn)、出口兩個(gè)工區(qū)組織施工，全長(zhǎng)17.6 km，屬該標(biāo)段的關(guān)鍵性控制工程。由于受地形限制，無(wú)法通過(guò)增設(shè)橫洞、斜井、豎井等輔助坑道增加工作面，導(dǎo)致工期壓力巨大，只能采用平行導(dǎo)洞(以下簡(jiǎn)稱“平導(dǎo)”)超前正洞，通過(guò)平導(dǎo)轉(zhuǎn)正洞增加工作面實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)隧短打，滿足總體工期要求。

而平導(dǎo)受斷面凈空小(3.5 m×4.6 m)，無(wú)法增加常規(guī)的機(jī)械設(shè)備和勞動(dòng)力組織快速施工，施工進(jìn)度幾乎與正洞相同，無(wú)法實(shí)現(xiàn)平導(dǎo)超前正洞，增開正洞工作面的目的。為解決平導(dǎo)快速施工的問(wèn)題，根據(jù)懸臂掘進(jìn)機(jī)在類似工程的施工經(jīng)驗(yàn)[7]，決定在秀嶺隧道進(jìn)口平導(dǎo)進(jìn)行懸臂掘進(jìn)機(jī)試驗(yàn)施工，為秀嶺隧道進(jìn)口平導(dǎo)大規(guī)模使用懸臂掘進(jìn)機(jī)工法提供保障，也為類似工程提供借鑒。

1)試驗(yàn)段地質(zhì)概況。秀嶺隧道懸臂掘進(jìn)機(jī)施工試驗(yàn)段包括進(jìn)口平導(dǎo)PDK40+700～PDK40+860段，共160 m。其中，PDK40+700～PDK40+800段圍巖為紫紅色泥巖、頁(yè)巖，以頁(yè)巖為主，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖石強(qiáng)度25 MPa～50 MPa，地下水不發(fā)育，Ⅳ級(jí)圍巖；PDK40+800～PDK40+860段圍巖為紫紅色泥巖、頁(yè)巖夾砂巖，以頁(yè)巖為主，節(jié)理裂隙不發(fā)育，在PDK40+795掌子面采用回彈儀測(cè)得巖石平均強(qiáng)度為55 MPa～65 MPa，地下水不發(fā)育，Ⅳ級(jí)圍巖。

2)試驗(yàn)段支護(hù)情況。PDK40+700～PDK40+800，長(zhǎng)100 m，Ⅳ級(jí)圍巖，錨噴(加強(qiáng))，Ⅰ14工字鋼+錨噴+底板，支護(hù)參數(shù)：Ⅰ14工字鋼鋼架，間距1.2 m；φ6 mm鋼筋網(wǎng)，間距25 cm×25 cm；噴射混凝土厚16 cm；4根鎖腳錨桿，9根系統(tǒng)錨桿；PDK40+800～PDK40+860，長(zhǎng)60 m，Ⅳ級(jí)圍巖，錨噴，支護(hù)參數(shù)：φ6 mm鋼筋網(wǎng)，間距25 cm×25 cm；噴射混凝土厚10 cm；8根系統(tǒng)錨桿。

2 懸臂掘進(jìn)機(jī)施工工藝

2.1 施工流程

懸臂掘進(jìn)機(jī)法是一種非爆開挖方法。懸臂掘進(jìn)機(jī)是一種部分?jǐn)嗝婢蜻M(jìn)機(jī)，其切割臂可以上下、左右自由擺動(dòng)，能切割任意形狀的隧道斷面。懸臂掘進(jìn)機(jī)是集開挖、裝碴和自動(dòng)行走于一身，操作靈活，對(duì)復(fù)雜地質(zhì)適應(yīng)性強(qiáng)，便于支護(hù)，可以適應(yīng)中、軟巖隧道施工，是中、小型斷面，中、軟巖隧道施工的理想開挖設(shè)備[8-10]。

懸臂掘進(jìn)機(jī)施工工藝流程如圖1所示。

2.2 施工方法

懸臂掘進(jìn)機(jī)在試驗(yàn)段隧道中施工，主要包括以下幾方面：

1)開挖斷面設(shè)計(jì)。本次試驗(yàn)懸臂掘進(jìn)機(jī)的銑挖頭為縱向銑挖頭(直徑≤1 m)，扒料截齒為螺旋狀，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，銑挖頭一次伸長(zhǎng)量0.5 m。根據(jù)銑挖頭特點(diǎn)，開挖斷面設(shè)計(jì)按分部條塊法開挖，橫向左右分部，豎向上下分條塊。分塊大小：高度0.8 m～1.2 m，左右每部分塊根據(jù)開挖寬度分成8塊～10塊，每步距開挖深度0.5 m。

2)開挖。開挖輪廓定位:采用紅外線指向儀對(duì)開挖輪廓線進(jìn)行定位。在已施作好底板、初支穩(wěn)定的初支內(nèi)側(cè)按洞身線型布置指向儀，每次在同一斷面安裝7個(gè)，如圖2所示。

切削方法:為了確保隧道開挖斷面圓順，控制超欠挖，一般先開挖初步斷面，然后經(jīng)過(guò)二次修整達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)斷面。切削采用自下而上，左右循環(huán)的順序，見圖3。

輪廓修整及人工局部處理:在受設(shè)備條件所限，設(shè)備無(wú)法修整的部分，采用人工局部修整，以滿足設(shè)計(jì)斷面要求。

出碴、噴霧除塵:懸臂掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)施工的同時(shí)，采用流水作業(yè)，一邊開挖，一邊通過(guò)機(jī)械設(shè)備配套(配備“二運(yùn)”“三運(yùn)”設(shè)備)實(shí)現(xiàn)連續(xù)開挖、出碴。為控制粉塵，需適當(dāng)噴霧，既達(dá)到降低粉塵的目的，又不引起巖碴泥化。噴霧裝置為懸臂掘進(jìn)機(jī)自動(dòng)裝置。

2.3 懸臂掘進(jìn)機(jī)施工設(shè)備配套

1)開挖、出碴、運(yùn)輸。秀嶺隧道進(jìn)口平導(dǎo)采用單車道有軌運(yùn)輸，采用懸臂掘進(jìn)機(jī)開挖、出碴，通過(guò)一運(yùn)、二運(yùn)裝碴至20 m3梭礦+12 t電瓶車牽引出碴。

2)支護(hù)。鋼架安裝:在洞外加工廠按設(shè)計(jì)分段加工成型，采用梭礦，18 t電瓶車牽引至施工現(xiàn)場(chǎng)，采用人工搬運(yùn)至工作面，在懸臂掘進(jìn)機(jī)臂上定位、安裝。

鋼筋網(wǎng)：在洞外加工廠分片加工成型，與鋼架一起采用梭礦18 t電瓶車牽引至施工現(xiàn)場(chǎng)，采用人工搬運(yùn)至工作面，在懸臂掘進(jìn)機(jī)臂上定位、安裝。

錨桿施工:錨桿采用YT28風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī)鑿空，人工安裝、錨固。

噴射混凝土:混凝土在洞外拌合站集中拌制，軌行式8 m3混凝土罐車+12 t電瓶車運(yùn)輸至工作面，在懸臂掘進(jìn)機(jī)后面布置2臺(tái)混凝土噴射機(jī)進(jìn)行噴射作業(yè)。

3 試驗(yàn)段結(jié)果分析

3.1 試驗(yàn)段施工情況及監(jiān)控量測(cè)

秀嶺隧道懸臂掘進(jìn)機(jī)施工Ⅳ級(jí)圍巖160 m(PDK40+700～PDK40+860段)，其中Ⅳ級(jí)錨噴(加強(qiáng))100 m(PDK40+700～PDK40+800段)，Ⅳ級(jí)錨噴60 m(PDK40+800～PDK40+860段)。整個(gè)試驗(yàn)段實(shí)際施工50 d，按實(shí)際施工天數(shù)計(jì)算平均每天進(jìn)尺3.2 m；共施工46個(gè)循環(huán)，平均每循環(huán)進(jìn)尺3.5 m。施工效果見圖4。

1)PDK40+700～PDK40+800Ⅳ級(jí)錨噴(加強(qiáng))段監(jiān)控量測(cè)分析。根據(jù)本試驗(yàn)段監(jiān)控量測(cè)回歸、分析(見圖5)，在開挖、支護(hù)3 d～4 d后，圍巖變形趨于穩(wěn)定，最大變形量在6.1 mm～9.1 mm，變形速率一般在0.85 mm/d～1.0 mm/d。

2)PDK40+800～PDK40+860Ⅳ級(jí)錨噴段監(jiān)控量測(cè)分析。根據(jù)本段監(jiān)控量測(cè)回歸、分析(見圖6)，支護(hù)參數(shù)為Ⅳ級(jí)錨噴，在開挖、支護(hù)9 d～12 d后，圍巖變形趨于穩(wěn)定，最大變形量在7.0 mm～9.0 mm，變形速率一般在0.70 mm/d～0.9 mm/d。

另外，在施工PDK40+790后，掌子面揭示圍巖為紫紅色泥巖，整體性好，無(wú)節(jié)理裂隙發(fā)育，掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)1 m需要耗時(shí)3.5 h，人員和設(shè)備功效降低明顯。用回彈儀測(cè)掌子面PDK40+795處強(qiáng)度，平均達(dá)到55 MPa，為提高懸臂掘進(jìn)機(jī)施工效率，決定在掌子面中部做松動(dòng)爆破試驗(yàn)(見圖7)。

本次試驗(yàn)共進(jìn)行了4次松動(dòng)爆破試驗(yàn)：

試驗(yàn)一：在掌子面中部布設(shè)9個(gè)水平炮眼，每個(gè)炮眼深3.5 m，一個(gè)炮眼裝0.9 kg炸藥，效果不明顯。

試驗(yàn)二：在掌子面中部布設(shè)12個(gè)水平炮眼，每個(gè)炮眼深3.5 m，一個(gè)炮眼裝0.9 kg炸藥，效果不明顯。

試驗(yàn)三：在掌子面布設(shè)16個(gè)水平炮眼，每個(gè)炮眼深3.5 m，一個(gè)炮眼裝0.9 kg炸藥，效果不明顯。

試驗(yàn)四：在掌子面布設(shè)16個(gè)水平炮眼，每個(gè)炮眼深3.5 m，一個(gè)炮眼裝1.2 kg炸藥，掌子面1 m～2 m范圍內(nèi)效果明顯。

通過(guò)幾個(gè)循環(huán)的試驗(yàn)，在掌子面布設(shè)16個(gè)水平炮眼，每個(gè)炮眼深3.5 m，一個(gè)炮眼裝1.2 kg炸藥，同時(shí)起爆，整個(gè)過(guò)程耗時(shí)2 h，一次掘進(jìn)4.8 m節(jié)約工序時(shí)間約2.5 h。此松動(dòng)爆破對(duì)于懸臂掘進(jìn)機(jī)開始掘進(jìn)1 m～2 m范圍內(nèi)的輔助效果明顯，特別是遇到硬度大的孤石。但是，當(dāng)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)掌子面前方圍巖整體性好，強(qiáng)度超過(guò)70 MPa時(shí)，應(yīng)立即將懸臂掘進(jìn)機(jī)退至距掌子面最近橫通道，采取鉆爆法施工。

3.2 懸臂掘進(jìn)機(jī)施工小結(jié)

1)懸臂掘進(jìn)機(jī)在Ⅳ級(jí)圍巖中施工，循環(huán)平均進(jìn)尺3.5 m(鋼架間距1.2 m)，月進(jìn)度105 m；而實(shí)際循環(huán)平均進(jìn)尺可達(dá)到4.5 m，4.8 m，5.0 m，甚至可以更長(zhǎng)，月進(jìn)度指標(biāo)基本可控制在130 m。

2)采用懸臂掘進(jìn)機(jī)法施工，對(duì)圍巖的擾動(dòng)小，對(duì)提高圍巖的自穩(wěn)能力效果明顯。根據(jù)監(jiān)控量測(cè)分析，采用錨噴支護(hù)和采用錨噴(加強(qiáng))支護(hù)，圍巖的最大變形量基本一致，只是采用錨噴支護(hù)時(shí)圍巖的穩(wěn)定時(shí)間要長(zhǎng)于采用錨噴(加強(qiáng))支護(hù)時(shí)的6 d～8 d。因此在Ⅳ級(jí)圍巖中采用懸臂掘進(jìn)機(jī)法施工盡可能采用錨噴支護(hù)，以縮短工序時(shí)間，提高施工效率和進(jìn)度。

3)超欠挖控制較好，開挖輪廓成型效果好，循環(huán)進(jìn)尺4.5 m,4.8 m,5.0 m，平均噴射混凝土?xí)r間基本在5 h左右，節(jié)約了噴射混凝土材料，提高了施工進(jìn)度，噴射混凝土與巖面密貼，控制了圍巖的二次變形。

4)在巖石強(qiáng)度整體性達(dá)到55 MPa及以上時(shí)，對(duì)掌子面中部采用松動(dòng)爆破輔助施工方法，效果明顯，但當(dāng)強(qiáng)度超過(guò)70 MPa時(shí)建議仍采用鉆爆法。

3.3 對(duì)比分析

與傳統(tǒng)鉆爆法相比，試驗(yàn)段采用的懸臂掘進(jìn)機(jī)施工具有以下特點(diǎn)：

1)Ⅳ級(jí)圍巖采用懸臂掘進(jìn)機(jī)法施工，對(duì)圍巖的擾動(dòng)影響小，圍巖的自穩(wěn)能力高，開挖輪廓成型好，超欠挖控制好，支護(hù)結(jié)構(gòu)與巖面密貼性好，噴射混凝土工程量超耗小；Ⅳ級(jí)圍巖采用鉆爆法施工，對(duì)圍巖的擾動(dòng)影響大，圍巖的自穩(wěn)能力差，開挖輪廓成型差，超欠挖不易控制，支護(hù)結(jié)構(gòu)與巖面密貼性差，噴射混凝土工程量超耗大。

2)Ⅳ級(jí)圍巖采用懸臂掘進(jìn)機(jī)法施工，開挖循環(huán)進(jìn)尺可以根據(jù)圍巖結(jié)構(gòu)、地下水情況，可達(dá)4.5 m，4.8 m，5.0 m，甚至可以更長(zhǎng)，月進(jìn)度指標(biāo)可以達(dá)到130 m；采用鉆爆法施工受規(guī)范及強(qiáng)制性文件、平導(dǎo)斷面小等的限制及爆破對(duì)圍巖的擾動(dòng)影響大，圍巖的自穩(wěn)能力差，循環(huán)進(jìn)尺只能控制在2.5 m左右，月進(jìn)度指標(biāo)無(wú)法突破80 m。

3)Ⅳ級(jí)圍巖采用懸臂掘進(jìn)機(jī)法可以取消加深炮孔；采用鉆爆法必須施作加深炮孔。

4)Ⅳ級(jí)圍巖采用懸臂掘進(jìn)機(jī)法施工，可以減弱支護(hù)措施，盡可能采用錨噴支護(hù)措施，節(jié)省工程量，提高施工進(jìn)度。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)在秀嶺隧道平行導(dǎo)洞中開展懸臂掘進(jìn)機(jī)施工試驗(yàn)，收集相關(guān)數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)回歸分析，并與鉆爆法的對(duì)比分析，取得了如下成果：

1)Ⅳ級(jí)圍巖中懸臂掘進(jìn)機(jī)施工的合理循環(huán)進(jìn)尺及工序卡控時(shí)間的確定。Ⅳ級(jí)圍巖，圍巖整體質(zhì)量高，完整性好，地下水不發(fā)育地段，循環(huán)進(jìn)尺5.0 m，工序循環(huán)時(shí)間：開挖、出碴13.4 h，掛網(wǎng)、錨桿4.7 h，噴射混凝土4.9 h，總循環(huán)時(shí)間23.0 h；進(jìn)度指標(biāo)130 m/月，采用錨噴支護(hù)。Ⅳ級(jí)圍巖(有鋼架支護(hù))，圍巖較破碎，有地下水地段，工序循環(huán)進(jìn)尺3.6 m，循環(huán)時(shí)間：開挖、出碴8.9 h，立鋼架、掛網(wǎng)、錨桿5.3 h，噴射混凝土5.8 h，總循環(huán)時(shí)間20 h；進(jìn)度指標(biāo)108 m/月，采用錨噴(加強(qiáng)支護(hù))。

2)懸臂掘進(jìn)機(jī)在小斷面隧道開挖中克服了鉆爆法掏槽受斷面尺寸的影響。在小斷面隧道中采用懸臂掘進(jìn)機(jī)開挖，克服了鉆爆法施工中，掏槽受斷面影響，循環(huán)進(jìn)尺深度一般只能在2 m～2.5 m左右(掏槽深度為0.5B～0.7B，B為隧道寬度)，采用懸臂掘進(jìn)機(jī)開挖可以不受斷面小的影響，循環(huán)進(jìn)尺不受斷面小的控制。

3)采用懸臂掘進(jìn)機(jī)法施工能提高圍巖的自穩(wěn)能力。軟弱圍巖中采用懸臂掘進(jìn)機(jī)施工，進(jìn)度以及開挖后圍巖穩(wěn)定優(yōu)勢(shì)明顯優(yōu)于鉆爆法，能提高圍巖的自穩(wěn)能力，減弱支護(hù)措施，節(jié)約投資，提高施工進(jìn)度。

4)采用懸臂掘進(jìn)機(jī)法施工超欠挖控制較好，開挖輪廓成型效果好。隧道采用懸臂掘進(jìn)機(jī)法施工，開挖輪廓成型好，超欠挖控制好，對(duì)充分發(fā)揮圍巖的自穩(wěn)能力，初支與巖面密貼性好，能較好的控制圍巖由于初支不密貼造成圍巖的二次蠕變，能很好的控制初支開裂、變形，為減弱初支結(jié)構(gòu)提供了依據(jù)。

5)采用懸臂掘進(jìn)機(jī)法施工已經(jīng)驗(yàn)證可以取消掌子面加深炮孔。采用懸臂掘進(jìn)機(jī)施工，懸臂掘進(jìn)機(jī)的每一步距開挖進(jìn)尺在0.5 m，同時(shí)懸臂掘進(jìn)機(jī)的切割是由下至上不大于1.2 m的分層開挖，在每一步距開挖中掌子面前方如果有異常情況均能及時(shí)掌握和控制。