铣挖机在硬质泥岩区间隧道中的应用

李占林 刘 莹 郜 念

中铁隆工程集团有限公司，四川成都 610045

1 工程简介

1.1 工程概况

成都地铁某区间隧道，沿成洛路路中由西向东敷设，线路从成绵乐铁路下穿过，需在客运专线进行精准调试前完成该区间隧道施工，因此利用风井作为施工竖井，风道作为施工横通道，提前进行该下穿段区间隧道的施工，后期盾构采用空推穿越该段区间隧道。

1.2 设计概况

中间风井结构尺寸为矩形结构，其中，风井结构设计为地下五层框架结构，风亭采用地下一层结构为敞开式低矮风亭，均采用明挖法施工，围护结构采用桩撑体系，中间风井主体部分兼顾施工竖井，风井风道作为施工区间正线的横通道，横通道断面为门洞形，总长度43.43m，洞室分A、B两个断面形式，其中，A型号洞室长26.72m、开挖高度12.379m、开挖宽度6.6m，三台阶法施工；B型洞室长16.71m、开挖高度高10.574m、开挖宽度6.6m，两台阶法施工。

下穿客运专线段区间隧道左、右线长度为51m，隧道断面近似为圆形结构，内净高为8.1m，内净宽为8m，采用台阶法施工。支护参数：间距0.5mⅠ22a钢拱架，300mm厚C25早强喷射混凝土，二衬采用500mm厚C40/P12钢筋混凝土，超前支护采用自进式锚杆。

1.3 水文地质

根据区间地质初勘资料显示，中间风井占位地质情况分别如下：表层主要为人工填土，由粘性土、砖块、混凝土碎块、卵石等建筑垃圾组成。施工现场对围岩进行抗压试验取样：（1）基坑内原地面下-17m，抗压强度3.0MPa,主要以泥质粉砂岩、泥岩为主，风化强烈，裂隙发育；（2）基坑内原地面下-21～-22m，抗压强度8.8MPa；（3）基坑内原地面下-22～-23m，抗压强度11.8MPa；（4）基坑内原地面下-23～-24m，抗压强度15.3MPa；（2）（3）（4）层都是中等风化泥岩, 风化裂隙较发育，随基坑深度岩层硬度逐渐变大。

该工程范围内地下水主要有三种类型：一是赋存于黏土层之上的上层滞水；二是赋存于黏土、卵石土中的孔隙水，该层卵石主要由黏粒充填，工点范围内卵石土层渗透系数k取1.5m/d；三是基岩裂隙水。

2 铣挖机的选型及应用

2.1 铣挖机的选型

区间隧道需在成绵乐客运专线联调联试前完成该段二次衬砌结构施工，并且沉降控制在2.5mm以内，考虑距离在建成绵乐客运专线包括成洛大道下穿隧道等地面沉降控制的特殊性，需采用非爆破开挖方式进行施工，结合本工程工程地质以及结构设计情况，对非爆破开挖施工常见的集中开挖方式进行对比，横通道以及区间隧道总长分别为43m和单线50m，线路较短且考虑施工工期原因不适合采用大型设备，诸如TBM、盾构机等，而非钻爆法中又分为TBM法、铣挖法以及单臂掘进机开挖法等,铣挖法是将铣挖机安装在液压挖掘机上，应用于隧道开挖以及修整轮廓、洞室、横洞开挖等，在不宜爆破施工的地段特别适用，同时结合隧道结构尺寸和机械设备效率和成本分析，且铣挖机具有如下显著特点：

（1）铣挖范围广：不同型号的铣挖机可适应不同硬度的地层，无钢筋或有少量钢筋的混凝土也可铣挖；

（2）减少振动，保护环境：可替代爆破施工，低振动、低噪音,可较好地保护环境；

（3）开挖面控制精确：可较好解决超欠挖问题，准确地修整开挖轮廓，有利于降低造价；

（4）安全性好：使用铣挖机可替代人工在软岩或破碎岩层中掘进，使施工人员离开掌子面，降低了前方施工人员在开挖时遇到的掉块、坍塌等危险，隧道施工的安全性得到提高；

（5）结构简单、使用方便、价格相对低廉：无需特殊的配套设备，可安装在任何一台既有的挖掘机上，该设备与隧道掘进和盾构等机械相比，价格低廉。

区间隧道断面直径仅为8m，大型挖掘机设备较难进行作业，综合对比分析该工程可采用铣挖法以及中小型挖掘机破碎开挖进行，通过对市场的调查和了解，选择艾卡特铣挖设备进行区间隧道的开挖。艾卡特铣挖机有两种基本类型：横向铣挖机和纵向铣挖机；分别可以装配在2～350t和3～45t的挖掘机上。

按照结构尺寸结合机械设备的操作空间要求，隧道内使用机械设备仅能采用中小型挖掘机进行施工。按照横通道和正线隧道所处地层为中风化泥岩层，该层的岩层裂隙较为发育，层厚约40cm作业，呈水平走向分布，天然抗压强度一般为5.0～15MPa，局部较高达23.6Mpa，围岩风化裂隙较发育，且间裂隙水较丰富。结合艾卡特各个型号铣挖机在不同岩层硬度的作业功效进行分析。

结合隧道作业环境，综合了机械设备性能，选择ER250型标准横向铣挖机进行隧道施工的开挖作业，采用的铣挖法是在卡特312D液压挖掘机上，液压破碎锤或液压钳的液压回路用于安装ER250铣挖机，利用铣挖机的铣挖头高速旋转切削岩石，人工配合修整开挖轮廓线以满足设计要求，可以有效减少开挖对围岩的扰动，控制超欠挖，提高开挖质量和安全性，降低操作人员的劳动强度。

2.2 铣挖机的应用

按照风井基坑以及横通道和区间正线施工方案，挖掘机上将铣挖机组装完成后进行施工。铣挖机施工工艺流程如图1所示。

首先在中间风井基坑开挖以及隧道内开挖进行应用，主要的运用包括风井基坑铣挖、隧道内铣挖包括隧道内铣削隧道轮廓进行欠挖修整、剥离隧道拱部挖掘机破碎后的突出松动的围岩，基坑开挖阶段横通道马头门施工阶段。

在中间风井开挖阶段主要施工功效较低，在中风化泥岩层中，岩层抗压强度局部达到15.3Mpa的情况下，铣挖机工作效率约为3～5m3/h，较挖掘机破碎锤施工功效19m3/h功效降低，在区间正线施工过程中根据施工现场地层条件以及设备作业空间要求，对隧道开挖方案进行调整；隧道中同样存在功效降低的情况，较破碎锤施工功效较低，同时隧道内泥岩裂隙水较为发育，基岩渗水较大，铣挖机在铣挖过程中将泥岩粉碎，施工过程中产生较多的粉尘，隧道作业环境差，同时铣挖后的泥岩颗粒小遇水后形成泥浆容易黏住铣挖头，影响后期施工作业功效；施工过程中需随时对铣挖头进行清理，但清理后施工现场开挖完成的泥岩将形成泥浆，进一步影响洞内文明施工和渣土的外运。

图1 铣挖施工工艺流程

3 应用总结

在围岩Ⅳ、Ⅴ条件下的隧道开挖中，与钻爆法相比，使用铣挖机开挖隧道具有以下优点：

（1）减少对围岩的扰动，避免由于爆破振动而造成的岩石强度降低，岩石结构松动，岩石结构局部破裂等不利情况；

（2）有利于保护岩体原有的自承能力，不易造成大面积变形及局部坍塌；

（3）适应性强，任何形状和尺寸的断面都可以开挖；

（4）可选择的铣挖机快速换装系统，能在30s之内完成挖斗与铣挖机的更换，突破以钻孔爆破的循环施工方式，实现连续作业；

（5）利用铣挖机开挖隧道便于控制超欠挖，实现隧道轮廓的精确成型，特别是隧道局部欠挖处理、仰拱施工时，铣挖机具有更简便、经济、快速、精确的优点。

4 结语

在城市地铁区间隧道施工中，铣挖机能够适应不同强度硬质围岩的切削和开挖；相较于钻爆法，对围岩的扰动较小，安全性较高，开挖轮廓控制精准度高，能有效控制超欠挖，特别是下穿既有建构筑物和对沉降控制极为严格的区域，适用于禁爆区地下隧道的开挖，但针对围岩裂隙水较为发育的地层，铣挖机的运用较为受限，因此在该区域硬质泥岩区间隧道中应用效果不理想。