适用于浅埋硬岩地铁隧道的水磨钻开挖台车设计及应用

黄旭 李栋

摘 要：本文研发了一款适用于浅埋硬岩地铁隧道的水磨钻开挖台车，探讨其工作原理，分析其技术特点，并将该装备应用于重庆地铁六号线。应用结果表明：采用新装备，钻进效率提升了60%，钻进时间节省了30%～50%。本文的研究成果可为类似的浅埋硬岩地铁隧道施工提供借鉴。

关键词：浅埋硬岩地铁隧道；水磨钻开挖台车；设计

中图分类号：U231.3；U455.4 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2018）22-0104-02

Design and Application of Water Proof Drilling and Trolley for

Shallow Buried Hard Rock Subway Tunnel

HUANG Xu1 LI Dong2

（1.Chongqing Changbo Parking Industry Development Co.， Ltd.，Chongqing 400000；

2. Chongqing Energy Investment Group Technology Co.，Ltd.， Chongqing 400060）

Abstract： A water grinding drill for shallow buried hard rock subway tunnel was developed， its working principle was discussed， its technical characteristics were analyzed， and the equipment was applied to line six of Chongqing Metro. The application results showed that the drilling efficiency was increased by 60% and the drilling time was saved by 30% to 50% with the new equipment. The research results in this paper can provide reference for similar shallow hard rock subway tunnel construction.

Keywords： shallow buried hard rock subway tunnel；water mill drilling trolley；design

為保证隧道在近距离下穿构筑物和建筑物的安全，必须严格控制爆破震动。一般的爆破震动控制技术，也只能是最大限度地降低爆破震动，且振速控制波动性较大[1]。在地表建筑物林立的城市密集居住区、在下穿地表抗震等级低的构筑物困难地段、或不允许产生爆破震动的地段，非爆破开挖往往成为一种不得不选用的手段。在现有技术中，常采用破碎锤挖机进行非爆破开挖。破碎锤挖机作业时，产生的噪声大、扬尘重，隧道开挖断面常存在超挖、欠挖，开挖断面不平整，影响后期拱架及网片安装，且施工效率非常低，成本高，作业过程中也会对周边地质产生扰动。本文首先分析浅埋硬岩隧道传统开挖工艺存在的问题，然后探讨新型开挖台车的工作原理及可行性，研发水磨钻开挖台车，优化其结构，分析其技术特点，并在重庆轨道九号线江五区间进行工程应用。

1 传统开挖工艺

1.1 传统机械开挖工艺

传统机械开挖工艺主要是采用破碎锤挖机进行开挖。此方式施工过程中噪声大，扬尘重，施工效率低，成本高，需采用大型机械设备，对周边地质有扰动，隧道开挖断面存在超挖、欠挖等问题，且开挖断面不平整，影响后期拱架及网片安装。

1.2 钻爆开挖工艺

采用钻爆法进行隧道开挖，人员设备投入大，需要采用的雷管及炸药保存要求高，超挖和欠挖难以控制，对周边地质扰动严重。此外，开挖后隧道顶部周围存在零落碎石，造成安全风险，且开挖断面不平整，影响后期拱架及网片安装。

2 水磨钻开挖台车研发

2.1 水磨钻开挖台车的工作原理

水磨钻开挖台车的工作原理为：①根据设计隧道断面大小制作水磨钻台车水磨钻滑轨；②使用水磨钻沿开挖区域周边以相割圆方式按水平方向施钻取芯，在周边形成连续槽道，成型开挖轮廓；③在隧道断面按设计要求成排打孔，打孔完成后采用液压霹裂机进行劈裂；④用液压劈裂机自上向下进行分裂开挖岩体，人工清除劈裂岩体。

2.2 水磨钻开挖台车组成

水磨钻开挖台车主要由台车架、拱门架、支撑架、水磨钻和驱动系统等组成，如图1所示。

水磨钻开挖台车包括滑动支承于施工区域地面上的台车架，台车架上安装有多台水磨钻，多台水磨钻沿隧道开挖轮廓线依次间隔布置，水磨钻钻头沿隧道掘进方向延伸。

驱动系统包括动作机构、驱动动作机构和多台水磨钻分别动作的控制箱；多台水磨钻分别与控制箱相连，以在控制箱的驱动下同时沿隧道掘进方向移动以施钻取芯；多台水磨钻还分别与动作机构相连，以在动作机构的驱动下同时沿开挖轮廓线间歇移动，以在开挖轮廓线的周边形成连续槽道。

台车架包括呈拱门状的拱门架，拱门架的剖面形状与开挖轮廓线相似，且拱门架宽度方向为隧道的掘进方向；多台水磨钻沿拱门架的外周缘依次间隔布置于拱门架的外表面，且各水磨钻钻头沿拱门架的宽度方向延伸。

动作机构包括用于分别安装多台水磨钻的多根安装滑轨，各安装滑轨沿隧道掘进方向延伸，且各安装滑轨的两端分别固定在端部对应的拱形门上；各水磨钻滑动连接于对应设置的安装滑轨上，且水磨钻在控制箱的作用下沿对应设置的安装滑轨滑动。

支撐架包括水平设置的作业平台，其下方连接有多排竖直设置的支柱，多排支柱沿开挖台车的移动方向相对布置，各排支柱的底端连接有滑条，台车架通过两根滑条滑动支撑于施工区域的地面上。

2.3 水磨钻开挖台车技术的特点

第一，开挖台车的多台水磨钻在驱动系统作用下同时动作，以在开挖轮廓线的周边形成连续槽道，不仅可提高施工效率及施工质量，而且自动化程度高，能减少操作各水磨钻动作所需的操作人员，进而降低施工成本。

第二，多台水磨钻首先在开挖轮廓线的周边形成连续的槽道，然后再采用液压劈裂机对由水磨钻剥离出的岩体进行劈裂的施工方式。与利用破碎锤挖机对隧道断面进行凿除的施工方式相比，其施工过程中产生的噪声小、扬尘轻，对周边地质扰动小，适合距离较短、岩层坚硬、城市密集居住区、爆破震动控制严格等小断面隧道工程的开挖施工，不会产生有毒气体和其他有害废弃物，使作业环境明显改善。

第三，多台水磨钻在驱动系统作用下可在开挖轮廓线的周边形成连续的槽道，以备后续采用液压劈裂机对剥离出的岩体进行劈裂，且由于多台水磨钻沿开挖轮廓线依次间隔布置，故而开挖出的连续槽道不会出现超挖、欠挖等问题，且开挖断面平整，便于后期拱架及网片的安装。

第四，台车架滑动支承于施工区域的地面上，从而通过驱动设备如牵引车、托车或推车等驱动台车架，即可将开挖台车托移至所需位置，操作简单、易于学习、便于推广。

3 水磨钻开挖台车在实际工程中的应用

3.1 施工工艺

采用水磨钻开挖台车进行施工的流程为：施工准备→确定机械开挖断面→测量放线、确定开挖轮廓线→固定水磨钻开挖台车→水磨钻沿滑轨方向以圆相切的方式进行岩层取芯→在隧道断面水平方向布孔→采用液压劈裂自上往下分裂开挖岩体→机械配合人工清理劈裂岩层并出渣。

3.2 工程应用

研发的水磨钻开挖台车首次应用于重庆轨道九号线江五区间，区间隧道与已运营的轨道线路距离采用非爆施工。据地质调查结果可知，该区间隧道工程地质围岩主要呈中厚水平层状结构，以砂岩和泥质砂岩为主，饱和状态下围岩单轴抗压强度均在40MPa以上，工期紧张。

与常规水磨钻开挖相比，采用水磨钻台架开挖，进尺可达0.8m，提升60%。以每循环100个钻孔为例，在砂质泥岩和砂岩中完成每循环分别用时3h和5h，分别节省50%和30%的时间。

本文主要研发了一款适用于浅埋硬岩地铁隧道的水磨钻开挖台车，探讨其工作原理和技术特点，并将该装备应用于重庆地铁六号线。应用结果表明：采用新装备，钻进效率提升60%，钻进时间节省30%～50%。

参考文献：

[1]杨年华，刘慧.近距离爆破引起的隧道周边振动场[J].工程爆破，2000（2）：6-10.