城市敏感区域大跨连拱隧道机械掘进施工技术*

江焕春,刘龙坤,鄢文龙,刘晓鸿,吴诚云

(中建三局集团(深圳)有限公司,广东 深圳 518000)

0 引言

在城市山岭隧道施工中,由于城市人口稠密、建筑密集,传统爆破施工所产生的噪声、振动等不利影响难以被接受,若周边存在地铁、密集建筑群、重要国防建筑等敏感建筑物,爆破施工需经各权属单位的方案审批,方案通过的难度大,施工作业限制多,难以满足安全、快速施工的要求。

随着悬臂式掘进机在软岩隧道工程应用的成功,掘进机加工制造能力的日益提升,再加上其机械掘进震动小、掘进质量好、可截割任意形状隧道断面的特点,使悬臂式掘进机也被应用于城市地下隧道掘进建设中,在城市敏感区域隧道工程中的应用成为了一种趋势。

1 工程概况

深圳市望海路微波山隧道工程位于深圳市南山区,穿越微波山,为连拱隧道,双向六车道,隧道长度166m,最大开挖宽度30.2m,最大开挖高度10.83m。隧道进口洞口位于深圳市南山区南海希尔顿酒店围墙位置,隧道上跨地铁2号线蛇口港站至海上世界站暗挖段区间,新建隧道平面与地铁部分重叠,水平投影重叠距离0～13.8m,重叠长度约118m,新建隧道底部距地铁区间隧道顶部最近约8m,新建隧道位于地铁保护区范围内。隧道出口洞口上方有132kV高压电缆线。隧道周边环境纵断面如图1所示。

图1 隧道周边环境纵断面

经数值模拟计算,采用爆破施工,爆破振动对地铁隧道影响难以满足地铁运营安全指标要求,故本隧道需采用非爆破的机械掘进方式进行开挖。

2 悬臂式掘进机围岩适应性提升技术

2.1 技术背景

新建微波山隧道围岩为中～微风化花岗岩,实测岩石抗压强度90～130MPa,围岩裂隙少,岩石强度高,属硬质岩隧道。根据以往悬臂式掘进机应用经验,悬臂式掘进机在硬岩隧道中开挖适应性较差,普遍存在开挖掘进速度慢、截齿消耗量大等问题,在施工过程中,需通过技术手段对掘进机截割性能进行分析研究、改进,提高其截割性能。通过应用实践,结合理论计算,研究出适合微波山隧道花岗岩地质的掘进机截割头最佳参数,提高掘进机围岩适用性,达到适用、高效、节能、减耗的效果。

2.2 掘进机硬岩适应性提升

2.2.1掘进机截割头适应性提升

截割头是掘进机进行截割岩石工作的核心部件,结构复杂,组成部件较多,由头体、齿座、截齿、螺旋叶片和喷嘴等组成,截齿以螺旋线形式布置在头体上,如图2所示。由于工作环境恶劣,振动产生冲击荷载,荷载波动范围较大,受力复杂,截割头性能的好坏直接影响掘进机施工范围、效率和成本,是掘进机施工经济性的关键,是评价掘进机整机性能的重要依据。

图2 掘进机截割头及其组成

截割性能影响因素众多,包括:①截割头结构参数 如几何尺寸、截齿类型及尺寸、截齿布置参数等;②岩石特性 如硬度、强度、裂隙、弹塑性等;③截割工艺参数 如截割头转速、悬臂摆速、钻进速度、截割厚度等。这些因素之间相互影响、相互制约,截割性能与上述参数匹配的合理与否息息相关。

针对硬岩截割的改进提升,需研究岩石物理特性、影响截割性能截割头截齿的各因素。

1)隧道岩石物理特性采集

首先掌握截割对象物理特性,采集花岗岩样块进行试验(见图3)。在受到外力作用时,岩石所表现出来的抵抗外部干扰的能力为其力学性能,决定了岩石截割形式、截割参数及刀具选择,岩石力学性能主要指密度、抗压强度、弹性模量、泊松比、黏聚力、内摩擦角等。

2)截割头切削角、崩落角、切削角优化

针对截割对象,进行截割头切削角、崩落角、切削速度等参数试验(见图4)。

图4 掘进机截割头参数试验

以相同截线间距和截深为前提,开展不同切削角(角度工装)截割试验研究(见图5),通过对比分析截齿所受截割阻力,确定截齿最优切削角,得出圆柱段、圆锥段不同位置最佳切削角。

图5 掘进机截割头切削角试验

3)截割头截线间距、截割头优化

根据不同岩石崩落角、截齿线速度对截割的影响差异进行试验,通过理论计算(见图6)和试验模拟,最终得出适合截割花岗岩的截线间距(见图7)和截割头尺寸、转速。

图6 最佳截线间距理论计算

图7 截线间距试验(单位:cm)

通过理论和试验数据,最终研究出适合花岗岩截割的截割头,达到高效、节能、减耗效果。

2.2.2掘进机截齿性能优化

截齿是掘进机械中的最重要元件,是开挖岩石的主要工具,其性能好坏直接影响单臂式掘进机生产能力的发挥、功率的消耗、工作平稳性和其他相关零部件使用寿命。掘进机采用的截齿在外形上基本相同,均为镐形截齿,上部为硬质合金刀头、下部为齿体柄。

根据微波山隧道地质勘察资料和试开挖情况揭示的隧道围岩情况,包括岩石轴心抗压强度、岩石完整性、裂隙发育程度,综合判定该隧道围岩为硬质岩,需采用适应硬质岩开挖的配套截齿。进场初期选定截齿类型为S135-42型, 截齿柄直径42mm。经过不断试验研究,不断优化截齿材料、参数,截齿消耗不断降低。

主要改进提升项为:①增大截齿断面尺寸并进行局部加强,提高其抗折能力;②增加头部合金包裹面积和合金使用量,提高其抗磨能力;③采用圆润刀头设计。截齿优化过程如图8所示。

图8 截齿优化过程

2.3 连拱隧道掘进机开挖施工工艺

按连拱隧道施工工艺,先开挖中导洞,中导洞贯通并施工中隔墙后开挖主洞。

2.3.1中导洞开挖

隧道洞身中导洞全断面采用掘进机开挖,尺寸为6.0m(宽)×6.8m(高),开挖面积38m2,采用悬臂式掘进机全断面法开挖,开挖后及时施工初期支护,每开挖循环进尺根据围岩状况确定,待中导洞贯通后开始浇筑中隔墙。

中导洞开挖时,掘进机在前方施工,机器后方连接第二运输机(见图9a),掘进机后的渣料通过运输机掉落于卡车中,卡车穿过支护台车将渣料排至隧洞外。当掘进机截割完1个循环后,机器后退,支护台车挑到掌子面(见图9b),开始初期支护。

图9 中导洞掘进机开挖流程

2.3.2主洞上台阶开挖

主洞采用台阶法施工,上台阶开挖面积约60m2,下台阶开挖面积约30m2。台阶长度30～50m,上台阶开挖完成后及时施工初期支护。

1)左、右主洞上台阶采用掘进机开挖。主洞超前30m后开始仰拱施工,仰拱开挖面积约30m2,每个施工段长度为9m,开挖完成后及时施工初期支护封闭成环,浇筑仰拱二次衬砌及仰拱填充混凝土。仰拱超前30m后开始拱部二次衬砌施工,使二次衬砌混凝土封闭成环。

2)双连拱隧道两洞平行施工时,先行主洞与后行主洞掌子面错开距离35m,开挖先行主洞前,后行主洞围岩与中隔墙之间的间隙采用土石方进行回填。

3)掘进机在前方开挖施工,挖掘机和卡车在机器后方运渣出料。当掘进机向前推进1个循环后,掘进机后退至支护台车后方,支护台车进到掌子面,开始主洞初期支护工序施工。

2.4 技术实施效果

悬臂式掘进机围岩适应性技术提升的研究及应用,成功解决了微波山隧道硬岩开挖难题。通过对悬臂式掘进机截割头技术改进与提升、优选截齿材料与类型,隧道开挖进度不断加快,截齿消耗不断降低,中导洞全断面开挖进度达1.5m/d,主洞上台阶开挖进度达2m/d,施工进度基本与控制爆破法开挖进度相当,同时隧道上台阶开挖后,在隧道内部形成了水平临空面,为下台阶开挖提供了较好作业条件。

3 悬臂式掘进机与其他机械开挖方法组合开挖技术

3.1 技术背景

大断面隧道一般采用分部开挖,包括台阶法、单侧壁导坑法、双侧壁导坑法、三导洞法等,微波山隧道左、右主洞采用上、下台阶法施工。上、下台阶可同时展开施工,若上、下台阶均采用悬臂式掘进机开挖,则掘进机数量需加倍投入。由于掘进机属于专用设备,一次性投入较大,上、下台阶同时采用掘进机施工不经济,因此,需利用上台阶开挖后形成的有利条件,在下台阶开挖过程中采用其他低成本的非爆破开挖施工技术,保证上、下台阶同步施工,提高整体施工效率,降低施工成本。最常用的非爆破开挖方法为挖掘机带破碎锤施工。

3.2 液压破碎锤开挖施工原理

液压挖掘机带破碎锤施工方法主要由挖掘机增加液压破碎锤头,依靠液压破碎锤液压能转化为机械冲击能从而对岩石进行破碎。目前,在土石方工程中应用较多,施工周边居民对爆破施工比较抵制的情况下,采用液压破碎锤进行软岩甚至硬岩破碎开挖的应用越来越广泛。

隧道开挖直接应用液压破碎锤施工的情况较少,且主要应用在软弱围岩中,在硬质围岩中使用破碎锤直接开挖困难。主要原因是液压破碎锤施工时主要利用钎杆进行破碎施工,钎杆在进行竖直方向作业时,作业效果好,但隧道开挖(上台阶开挖)主要是进行水平开挖,液压破碎锤作业时,钎杆需垂直作业面,但受挖掘机结构限制,钎杆水平方向作用力较小,在隧道软弱围岩地段尚可进行破碎开挖,但在硬质围岩地段,尤其是围岩完整性好、裂隙少、强度高时,掌子面围岩整体受力,围岩作为一个整体无隧道径向临空面,破碎锤破碎岩石困难,即使勉强进行水平破碎开挖,作业效率也很低。

隧道下台阶施工时,由于上台阶已开挖完成,液压破碎锤钎杆可在上台阶形成的空间内对下台阶、仰拱进行竖直方向破碎开挖作业,此时,下台阶岩石有竖向和水平2个方向临空面,作业工况与普通石方破碎基本一致,作业效率成倍提高。

3.3 液压破碎锤开挖施工技术

主洞下台阶、仰拱采用大功率SY475H挖掘机配液压破碎锤进行破碎,由于有上台阶临空面,破碎锤可对下台阶、仰拱进行竖向破碎(见图10)。隧道下台阶及仰拱开挖深度4.2m,先开挖下台阶,再开挖仰拱,下台阶开挖高度2.2m,仰拱开挖高度2.0m。

图10 隧道下台阶、仰拱开挖示意

液压破碎锤机械相比悬臂式掘进机小,属通用机械,可采取增加破碎锤方式在下台阶布置多台破碎锤同时作业,提高破碎进度。下台阶开挖高度2.0m,开挖宽度14.1m,开挖进尺与上台阶保持一致(1.2m/1.6m)。开挖完成后立即进行拱墙部位拱架接长。根据左洞下台阶液压破碎锤开挖进度统计,在连续作业情况下,每循环开挖用时在12h左右,开挖进度与掘进机施工上台阶进度相当。

3.4 技术实施效果

悬臂式掘进机与其他机械开挖方法组合开挖技术的研究及应用,成功解决了隧道上、下台阶同时施工的难题,减少了专用设备及配套电力设施的投入,加快了隧道整体开挖进度,采用此技术,隧道主洞整体开挖进度可达2m/d,施工效率满足工程整体进度要求。

4 结语

1)在中微风化花岗岩地质、隧道围岩强度90～130MPa、最大围岩强度140MPa情况下,通过对悬臂式掘进机的技术提升与改造,大规模采用悬臂式掘进机施工技术,快速高效进行硬岩隧道开挖,施工进度指标与控制爆破施工相当,有效解决了在环境敏感地区无法进行爆破开挖的难题。

2)创新隧道开挖作业工艺,简化开挖作业流程,开挖与出渣可同时进行,开挖作业全部采用大型机械,作业效率高。

3)采用悬臂式掘进机与液压破碎锤组合隧道开挖技术,隧道分部开挖时,上台阶采用悬臂式掘进机水平开挖掘进,下台阶采用液压破碎锤利用上台阶形成的临空面进行竖向开挖破碎,2个甚至多个工作面平行作业,加快了施工进度,减少了大型设备投入,降低了施工成本。

4)机械开挖对围岩扰动小,有利于隧道围岩稳定及隧道施工安全和运营安全;隧道开挖全部采用机械化作业,施工作业人员大幅度减少,施工安全性大大提高,从根本上避免了隧道群伤事故的发生。

5 结语

通过在微波山隧道项目城市大断面硬岩隧道中整隧采用悬臂式掘进机开挖,起到了良好的示范效果,拓展了掘进机适用场景,促进了山岭隧道施工机械化水平和技术的进步,同时机械开挖综合施工技术安全性好,质量优,符合工程行业发展趋势,可应用在各类敏感区域(周边环境复杂,对爆破振动敏感区域)建设的隧道工程施工中,如城市内邻近、跨越、下穿既有地铁隧道工程,邻近既有管道、高压线塔、敏感建筑物(古建筑、名胜古迹、军事设施等)的各类隧道、管廊工程施工,推广应用前景广阔。