掘进机在城市隧道开挖中的应用

王亚林

摘要：城市中的穿山隧道，由于地处市中心或边缘郊区，建筑物或生活人群较多，采用传统的钻爆法施工，安全压力较大，且受爆破品配送频次限制，影响了爆破开挖的循环周期；采用挖掘机等直接凿除方式进行开挖，由于掌子面空间有限，同时围岩坚硬，稳定性好，受挖掘机自身动力影响，破碎进度缓慢，因此掘进机的出现解决了这一难题。北京市中低速磁浮交通示范线石景山隧道开挖采用EBZ320单臂式掘进机进行开挖，该设备通过自身的强大动力解决了传统挖掘机开挖的动力不足问题，同时由于开挖过程中振动小，对周围环境影响大大减少，只需提供水、电即可施工，不受爆破品配送频次影响。本文通过对掘进机的性能介绍、开挖工艺以及与传统开挖方式的比较，通过实例总结掘进机开挖施工的特点，为以后施工积累经验。

关键词：掘进机开挖；施工工艺；开挖方式比选；注意事项；

1 工程概况

石景山隧道工程属北京市S1线四道桥—金安桥站区间，位于北京市石景山区首钢厂区内，所处地貌属低山丘陵地貌。隧道穿越石景山体，进口位于石景山体西侧，坡脚即为既有丰沙铁路，受丰沙铁路建设影响，该处坡面较陡。北侧为石景山区京能热电厂，南侧距离石景山功勋阁约110m。

隧道暗挖段岩体主要为全风化、中风化的石英砂岩，硬度范围25-62.3MPa。

隧道全长278.4m，最大埋深为38.4m，单洞双线隧道。

隧道初期支护采用φ42mm超前小导管支护，φ25mm、壁厚7mm中空注浆锚杆环向固结，C25喷射混凝土及格栅钢架组成支护体系。洞内结构衬砌全部采用复合式防水型衬砌。

进洞前按设计施作φ108大管棚超前支护，管棚环向间距30cm，大管棚采用热轧无缝钢管，壁厚6mm。

2 开挖方式比选

2.1 周围环境对施工的影响因素

（1）隧道入口正下方为丰沙铁路，每天通行列车较多。

（2）隧道北侧为京能热电冷却塔，隧道出口附近设有架空供热管线。

（3）石景山山顶有功勋阁、附近有石景山古井、碧霞元君庙等保护文物。

（4）隧道出口前方有首钢居民楼，现有首钢员工居住。

2.2 工艺比选

2.2.1 施工进度

钻爆法受炸药配送影响，每天只能爆破一次，但此处围岩多以V级为主，且受周围环境影响，需严格控制药量和进尺长度，因此每天预计能进尺1.5米，如遇到元旦、春节、两会等重要节日需停药停工。

掘进机开挖法施工，受外界影响较小，只要现场用电、用水供应及时，即可正常施工，每小时开挖按18方考虑（不包括修边、支护等时间），隧道每延米开挖方量105方，则每延米需要6小时，每天可完成2米。

2.2.2 施工安全

钻爆法无法较准确的根据围岩情况进行进尺控制，当遇到围岩突然发生变化时，会给排险和初期支护带来风险。

掘进机开挖法可根据围岩情况控制进尺，当围岩发生变化时，可随时调整进尺长度，调整支护距离。

2.2.3 对周围构筑物的影响

钻爆法施工震动较大，受隧道周围铁路、保护文物、京能冷却塔、供热管线影响，隧道开挖尤其是洞口开挖时，安全压力较大。飞石、滚石会对铁路营业线、京能冷却塔、供热管线等造成危害；爆破震动会对功勋阁、古井、碧霞元君庙造成影响。

掘进机开挖震动较小，不会对周围构筑物产生影响。

2.2.4 施工中的扰民

钻爆法震动及噪声较大，影响隧道周边居民的正常生活。

掘进机开挖法震动及噪声较小，带来的影响也较小。

2.2.5 超欠挖控制

钻爆法超欠挖控制受围岩影响较大，围岩较差时，时常出现超挖严重现象，处理困难，容易出现空洞，对后期工程使用产生不利影响。

掘进机开挖法则可以根据围岩情况、隧道轮廓，随时调整开挖位置，控制超欠挖现象的发生。

2.2.6 弃渣消纳

钻爆法施工产生的弃渣大小不一，且粒径较大，不易处理。

掘进机开挖法产生的弃渣大小均匀，且粒径较小，可用于回填、道路修筑等，后期影响较小。

3 掘进机开挖总体施工工艺

施工前，先接通掘进机施工所需要的动力用电和冷却、降尘所需的施工用水，打通出渣便道，施做洞门边仰坡，进行进洞前的管棚施工后，掘进机就位，边开挖边支护。

4 掘进机开挖施工流程

施工准备→洞门开挖→施工大管棚→掘进机开挖→初期支护→二衬施工→附属施工。

4.1 开挖设备选择

根據石景山隧道工程实际情况，我部拟使用EBZ320型悬臂式掘进机，掘进机由刀头和机身组成，施工现场进行组装，具有自行功能。移动和工作均使用自身电机。

4.2 掘进工艺

4.2.1 断面截割

掘进机利用截割头上下、左右移动截割，可截割出所需断面形状，且能够较好的控制超挖量。

4.2.2 隧道出渣及支护

隧道出渣利用掘进机、挖掘机配合自卸汽车施工，前方截割，后方出渣，平行施工无干扰。掘进成型后，台车前移至掌子面，工人进行钢架支护。

4.2.3 粉尘控制

掘进机自带风机并辅助喷雾进行除尘，可以对施工粉尘较好的控制。

4.3 开挖进度

掘进机开挖前做好隧道测量工作，施工准备期间，隧道洞口高压电就位、掘进机组装、空压机安装、水管修建、二衬拱架加工场和喷射混凝土搅拌站等应同期完成。

隧道一旦开始掘进，由于掘进机生产效率较高，与之匹配的装运作业线、支护作业线、衬砌砼作业线，超前地质预报作业线、辅助作业线（包括通风、注浆、洞内排水）应满足要求。掘进机调试正常，其它匹配工序能满足掘进机进度以后，按照以下开挖循环安排组织施工。下表为估算时间表。

以100平米开挖断面，岩层20-60MPa为例。

4.4 掘进作业

4.4.1 设备操作顺序

油泵电机→开动第一运输机→开动星轮→开动截割头，以此作为开动顺序。当没有必要开动装载时，也可以在开动油泵电机后，起动截割电机。当启动油泵电机时，与其直接相连的油泵随之启动，供给液压油。

4.4.2 掘进注意事项

当遇有硬岩时，不应勉强截割，对有部分露头硬石时，应首先截割其周围部分，使其坠落。对大块坠落体，采用适当办法处理后再进行装载。操作者既要熟练掌握操作技术，又要了解工作面的具体情况。

4.4.3 喷雾

在掘进时如何控制粉尘是非常重要的。灰尘的控制影响到开挖过程中的视线。

4.5 锚喷支护

通风后及时初喷，出碴后及时安装钢架、锚杆和钢筋网，复喷至设计厚度。喷、锚、网、喷的施工严格按照设计和规范进行。

4.5.1 喷射混凝土

喷射混凝土按照设计配合比拌制，采用湿喷机作业，由洞外拌和站集中拌料，混凝土运输车运到工作面。

喷射前处理危石，检查开挖断面净空尺寸，将岩面粉尘和杂物清理干净。喷射作业从拱脚或墙脚自下而上、分段、分片、分层喷射至设计厚度，并按规范进行相关检测。

4.5.2 钢筋网施工

钢筋网在洞外加工成片，生锈的钢筋按要求进行除锈。钢筋网紧贴初喷面，安装牢固，控制好焊接质量及网片搭接长度，喷砼时不产生松动。

4.5.3 锚杆施工

按设计要求在初喷面上准确画出锚杆孔位，按孔位钻孔，锚杆规格符合设计要求，杆体除锈除油。锚杆布置形式及误差符合设计和规范要求，锚杆与岩面垂直或与组合状岩层节理面垂直。

4.5.4 钢架施工

钢架在洞外加工厂按设计加工，每节两端焊连接板，用螺栓连接。

安装好的拱架用纵向连接筋连成一体，钢架安装误差在规范允许范围内，钢架与初喷砼之间尽量贴紧，如因开挖造成凹凸不平，并有较大间隙时，设置砼垫块。

4.6 超前支护措施

除洞口超前大管棚外，洞内用到的超前支护措施还有超前小导管和超前锚杆。

4.6.1 超前注浆小导管

施工顺序：测量放样→钻孔→清孔→钢管插入→封口→注浆→与钢架或锚杆焊接。采用风钻钻眼，并将钢管顶入孔内，钢管尾端与钢架或系统锚杆焊接在一起，必要时加环向钢筋。注浆根据压力状况和跑浆情况确定终止时间，确保注浆效果。

4.6.2 超前锚杆

超前锚杆施工方法和系统锚杆一样，施工时根据岩体节理产状确定锚杆的最佳方向，并保持不小于1m的搭接长度，尾部焊接在钢架。

4.7 二次衬砌

施工顺序：仰拱超前→边墙基础→拱墙衬砌。

4.7.1 超前锚杆仰拱、隧底填充及边墙基础施工

仰拱、隧底填充及边墙基础依次先于衬砌浇注，以利于支护结构整体受力。仰拱、隧底填充浇注时全幅施工，利用仰拱栈桥作为防干扰作业平台，保证隧道内施工车辆的正常通行，减少对掌子面施工的影响。

4.7.2 拱墙衬砌施工

洞口浅埋段拱墙衬砌适时紧跟开挖面进行，并采取加强措施，保证洞口安全；其它地段，在围岩和初期支护变形基本稳定后进行。

砼浇注过程中利用插入式振捣器和附着振捣器及输送泵压力使砼密实。

4.7.3 预留洞室、预埋件施工

各种洞室根据图纸布置位置与洞身同时开挖。隧道边墙内的洞室，在浇筑边墙混凝土前，安设钢筋及预埋件后，一次浇筑完成。

5 洞内地质超前预测预报

地质超前预报是控制坍塌的有效办法，在提前预知围岩状况的情况下，可以及时调整开挖进度和初支形式，防止坍塌。

5.1 洞内地质超前预测预报程序

5.2 地质和支护状态观察

每次开挖后，由地质工程师对开挖工作面进行观察调查并作地质素描记录。调查项目包括掌子面正面及侧面稳定状态、岩性风化程度、裂隙间距、形状、涌水情况、水的影响等等。素描记录工作面的岩层产状、构造及特殊地质现象，同时对靠近工作面的初期支护进行观察，喷射砼是否开裂、是否有掉块现象等。

6 监控量测

6.1 监控量测的目的

监控量测作为施工程序中不可缺少的内容，不仅监测各施工阶段围岩和支护动态，确保施工安全，而且可为调整初期支护设计参数，提供反馈信息，作为变更设计的依据。

6.2 监控量测项目

按照监测项目内容的不同，本隧选择量测项目、方法和仪器如下

7 结束语

隧道开挖施工安全风险高、质量控制难、施工进度影响因素多，本工程通过前期调查、比选，确定了掘进机开挖的方法，充分利用掘进机的振动小、噪音小、开挖进尺可随时调整等优点，大大降低了施工风险，提高了施工进度，保证了开挖质量，减少了因处理超欠挖造成的经济损失，使石景山隧道得以顺利贯通。本文通过总结掘进机开挖的工艺特点，让我们了解了掘进机开挖法在城市隧道施工和对振动有特殊要求的地段隧道施工的优越性，可作为后续类似工程施工参考依据。

参考文献

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[4]刘颀；浅谈如何加强铁路隧道施工管理[J]；江西建材；2017年03期

（作者单位：中铁六局集团有限公司）