懸臂掘進機在新建高鐵隧道上跨既有高鐵隧道施工中應用研究

王曉明

中鐵三局集團第二工程有限公司 河北 石家莊 050001

隨著高速鐵路不斷建設，新建隧道與既有運營隧道交叉工程案例日益增加，兩者之間互相影響受到諸多學者關注。謝鋒[1]對曾家巖嘉陵江大橋引線工程影響諸多既有工程問題，得到新建隧道對既有工程最不利影響的工序。龔倫[2]分析引水隧洞下穿既有鐵路隧道施工引起既有隧道結構變形和力學行為，確定了引水隧洞對既有鐵路隧道影響范圍。孫崔源[3]通過現場試驗監測不同方式的減振孔和不同時間的微差爆破等減振措施對振速的影響，確定了適宜的減振孔和爆破時間，提高了爆破振動下隧道襯砌的安全系數。武杰[4]通過模擬不同凈距和不同圍巖級別時新建隧道爆破對下穿既有隧道影響得出隨著凈距增加和圍巖基本降低，爆破振動對既有隧道的影響減小。新建隧道鉆爆法施工對既有隧道結構和行車安全造成一定影響，必須選擇合理的施工方法，確保既有隧道運營安全。

1 工程簡介

平公山隧道工程位于廣東省海豐縣境內，平公山隧道隧道進口里程為DK5+845.69，出口里程為DK6+852，全長1006.31 m，最大埋深153.56 m。采用電力牽引，列車設計行車速度350 km/h雙線鐵路設計，隧道縱斷面單向下坡，坡度為9.8‰，隧道設中心水溝及側溝排水。隧道于DK6+299.5附近上跨既有廈深鐵路屏峰山隧道，新建隧道埋深140m，跨點處兩者軌面間距為28.825 m，距平公山隧道與廈深線屏峰山隧道成15°8′斜交，結構凈距為16.545 m。兩隧道位置關系如圖1和圖2所示。

圖1 平公山隧道上跨既有屏峰山隧道平面示意圖

圖2 平公山隧道上跨既有屏峰山隧道位置關系示意圖

2 機械開挖與爆破開挖對比

隧道目前采用鉆法施工是常用選擇，鉆爆法適用范圍廣，技術成熟，經濟性強。對于爆破振動控制嚴格的工程，選擇單臂掘進機是新的選擇，可實現低震動、連續開挖，有效替代爆破開挖作業，可用于任何斷面形狀的隧道，通過設備及截齒的選擇，表1為鉆爆開挖法與機械開挖法必選。通過兩種開挖法必選，結合工程實際，考慮到既有隧道運營安全，平公隧道進口距離既有隧道較遠處采用鉆爆法開挖，隧道洞身與既有隧道近接部分采用懸臂掘進、仰拱部分采用破碎錘破除。

表1 鉆爆開挖法與機械開挖法方案比選

3 機械開挖施工工藝流程

3.1 配套設施準備

懸臂掘進機選用三一重工單臂掘進機，型號EBZ260H，功率260kW，供電電壓1140V，施工前需接入10kV高壓專線，配備1000kVA變壓器一臺；破碎機采用三一365型破碎機，最大輸出功率190.5kW。高壓供電電纜接入洞內懸臂掘進、風、水管、配套挖掘機及運輸車出渣。

3.2 超前地質預報

隧道超前地質預報在地質調查法的基礎上，采用超前鉆探、加深炮孔探測進行短距離預報，地質構造及物探異常短配合采用彈性波反射法及地質雷達進行預報。將前方巖層地質探明，減少或避免施工中可能遇到的諸如塌方、涌水、流砂、涌土等地質災害，保證設備及人員的安全作業。

3.3 隧道機械開挖工序

隧道出口上臺階及中臺階采用懸臂掘進機進行，下臺階采用破碎機進行，隧道進口全部破碎錘破除施工，臺階高度如圖3所示。

圖3 隧道三臺階法施工

兩隧道近接部分為Ⅳ級圍巖，采用三臺階法開挖，施工工序如圖4所示。

圖4 三臺階法施工工序

隧道上臺階及中臺階采用懸臂掘進機進行，下臺階采用破碎機進行。掌子面由裝載機及挖掘機裝渣，自卸汽車運棄至洞外棄渣場。噴射混凝土由洞外攪拌站拌制，混凝土攪拌運輸車運送混凝土，噴射混凝土采用濕噴機械手施作。

開挖支護主要施工步驟：

①上臺階：首先由技術人員放樣出開挖輪廓線，機械到位，在掌子面底部切割出一條槽，前移機械，采取自下而上，左右交替切割，自掌子面底部至拱部切割，并修整圍巖輪廓成型。開挖完成之后，及時施作洞身結構的初期支護，即噴射混凝土，鋪設鋼筋網。架立鋼架，并設鎖腳錨管。施工系統錨桿及噴射混凝土。

②中臺階：主要施工步驟同上臺階開挖、支護。

③下臺階：首先由技術人員放樣出開挖輪廓線，機械到位，采取自上而下開挖，破碎將至設計輪廓面時，停止破碎，采用挖機進行修整。開挖完成之后，及時施作①部洞身結構的初期支護，即噴射混凝土，鋪設鋼筋網。架立鋼架，并設鎖腳錨管。施工系統錨桿及噴射混凝土。

在滯后于②部一段距離后，開挖③部并施工初期支護。開挖一定長度后，進行仰拱、仰拱填充、防排水系統、襯砌等施工。

4 懸臂式掘進機切割方式

（1）為便于切成成型，懸臂掘進機首先在掌子面底部切割出一跳槽，寬度與掘進機機體寬度相當，其次切割頭采取自下而上、左右循環切割。（2）切割、出渣一體化。切割巖體的同時，鏟板部位的耙爪將切割下來的巖渣扒入皮帶機，由皮帶機輸送至機械后方，由裝載機裝車轉運。（3）采用右旋切割頭，由右向左從拱頂開始截割，再按從左至右、自下往上的方式或從右往左、自上而下逐步進行切割。（4）切割頭的截齒選擇與巖石的硬度有關系，根據圍巖性質和巖石硬度，選擇合適的截齒，可有效降低機械損耗，并提高施工效率。切割頭及截齒如圖5所示。

圖5 掘進機切割頭及截齒實物圖

5 破碎機開挖方式

破碎機采用自上而下分層開挖，按照隧道設計輪廓及臺階等進行破碎，接近輪廓設計線時進行修整。

根據測量精確放樣出的開挖輪廓線，采用挖機清除表面浮渣、碎石，將所要破碎的石方露出，根據現場巖體實際情況進行紅漆花圈布點，點間距為30cm。采用破碎錘按照紅漆布點鉆孔破碎，挖機修正平整。

6 機械法開挖運轉方案

采用掘進機進行切割，切割的巖渣由皮帶機輸送到掘進機后方，采用裝載機裝入運渣車運送到洞外。破碎機碎巖后由裝載機裝車轉運。整個隧道開挖時實現全機械開挖，不僅對圍巖擾動小，也避免對周圍建筑物的影響。施工方式如圖6所示。

圖6 掘進機掘進施工示意圖

懸臂式掘進機在隧道施工中為圍巖擾動小，適應能力強，開挖質量高，洞室開挖斷面圓順度高，便于噴砼支護，縮短工期，安全有保障，如圖7所示。據現場統計，上臺階平均每天進尺1.5m，開挖工效16.5m3/h，平均開挖、支護26.72h/2m，經濟效益指標較為顯著。

圖7 懸臂掘進機現場施工

7 結論

（1）新建隧道爆破施工對近接既有隧道結構影響較大，通過對比鉆爆法和機械開挖法的特點，確定新建隧道進口采用鉆爆法施工，新建隧道與既有隧道近接部分采用機械開挖法。

（2）對于大斷面高鐵隧道，采用三臺階法施工，隧道上臺階及中臺階采用懸臂掘進機進行，下臺階采用破碎機進行，據現場施工統計，經濟指標理想。