悬臂式掘进机在硬岩地质下地铁暗挖隧道下穿既有线施工技术研究

孙荣SUN Rong

（中国水利水电第八工程局有限公司，长沙 410000）

0 引言

随着我国社会经济的不断发展，城镇化进程不断加快，城市的规模和空间不断扩张，城市轨道交通在技术和规模上均得到迅猛发展，盾构法（盾构机、TBM 掘进机）替代传统矿山法在城市地铁施工中得到广泛应用。然而，受区域地层条件和城市特殊施工环境的限制，一些城市的部分地铁项目仍采用矿山法施工。由于城市爆破施工的局限性，使得人们对非爆破开挖及其工程设备的研究不断深入，促进了悬臂式掘进机在城市地铁施工中的应用以及发展。

1 悬臂式掘进机施工技术简介

悬臂式掘进机是一种大型综合掘进设备，集切割、行走、装运、喷雾除尘于一体的非爆开挖掘进设备。悬臂式掘进机作为一款大型综合掘进设备，其截割功率从100kW至360kW，适应全岩巷道及隧道掘进施工，截割岩石硬度从f4 至f10，最大截割岩石单向抗压强度可达120MPa，适用中小断面以上的隧道施工，设备自身适应性很强。悬臂式掘进机作业线主要由主机和配套设备组成。主机采用履带式行走机构，作业时通过设备前端大臂带动截割头左右循环摆动向上向下截割岩石。配套设备主要有铲板刮板、皮带运输机、高压喷雾系统及自动卷缆装置。截割头截割切削岩石后，底部铲板刮板收料清底，通过内置中间运输机转载完成一运，再通过尾部配套皮带运输机完成二运装车；内、外高压喷雾系统完成截割头冷却及作业面除尘，实现掘进、出渣、除尘连续作业。

2 项目背景及概况

根据地质勘查报告显示，深圳地铁12 号线太子湾站～海上世界站区间施工段从上到下的地质依次为强风化粗粒花岗岩、中风化粗粒花岗岩、微风化粗粒花岗岩，2 号线蛇海区间受影响区域、2 号线与12 号线之间地层、12 号线隧道地层均位于微风化粗粒花岗岩，下穿段2 号线洞身、12 号线洞身及2 号线与12 号线之间的地层均为微风化粗粒花岗岩，12 号线隧道断面为马蹄形，宽6.2m，高6.76m；2 号线隧道断面为马蹄形，宽5.8m，高6.348m（图1、图2 所示）。

图2 区间隧道与2 号线隧道平面图

深圳地铁12 号线太海区间矿山法隧道近距离下穿既有地铁2 号线蛇口港-海上世界站区间，夹角为70°，与地铁2 号线蛇海区间最小竖向净距为4.11m，下穿段左线长22.714m，右线长23.231m（图1、图2 所示）。

下穿2 号线段原设计要求采用上下台阶法施工，减震孔+数码雷管爆破，振速不得超过1cm/s，单次爆破循环进尺不得超过0.5m，同时爆破时间为列车停运期间（凌晨1:30-6:00）。

既有2 号线控制参数表及安全控制指标如表1、表2所示。

表1 既有2 号线轨道静态尺寸容许变形值

表2 既有2 号线隧道结构安全控制指标标准值

若采用爆破施工，施工进尺缓慢、爆破振速不可控、施工时间受限；同时既有2 号线矿山法隧道也是采用爆破开挖，爆破施工可能会对隧道轮廓线外岩体造成破坏，造成下穿段12 号线与2 号线隧道之间岩层破碎，产生掉块、冒顶风险。为了加快施工进度，满足工期目标，减小对岩层的较大扰动，降低对既有2 号线隧道的行车影响。结合现场实际工况，积极开展技术方案优化，经专家咨询论证，现场通过试验段施工，分析相关控制数据，满足施工要求。最终拟定下穿段选用XTR6/260 悬臂式掘进机进行隧道开挖施工。

3 悬臂式掘进机在地铁隧道的应用

3.1 设备选型 设备选型时，应结合掘进机的设备参数、工艺特点，以及对12 号线太海区间矿山法隧道下穿段参数与2 号线蛇海区间矿山法隧道受影响区域参数对比（如表3），综合考虑以下技术参数：

表3 隧道参数对比表

①定位截割高度和宽度。设备的定位截割高度和宽度决定设备的一次成型断面尺寸。若拟选机型的定位截割高度和宽度小于隧道开挖断面尺寸，掘进时不能一次成型，需二次垫高和左右移动设备主体，则会降低使用效率；若拟选机型的定位截割高度和宽度大大超过隧道开挖断面尺寸，则会造成设备的浪费，且受隧道作业空间的限制，不利于设备的使用。因此设备选型时，以设备的截割高度和宽度略大于开挖断面、满足一次成型为宜。②最大/可经济截割岩石单向抗压强度。设备的截割岩石单向抗压强度决定设备的掘进效率，与设备的截割电机功率相关联。设备选型时，一般按可经济截割岩石单向抗压强度考虑匹配隧道围岩抗压强度。③外形尺寸。设备自身的“悬臂”特点，使得设备的横截面尺寸一般远远小于其定位截割宽度和高度，因此设备的外形尺寸并非设备选型时的优先考虑因素。但综合考虑隧道的作业条件，设备的外形尺寸也应酌情予以考虑。

深圳地铁12 号线太海区间以中等风化粗粒花岗岩和微风化粗粒花岗岩为主，结合项目地质参数和工况，综合考虑以上因素，选用徐工XTR260 型悬臂式掘进机。

3.2 开挖工装配套 本项目通过明挖竖井组织进洞施工，双线共两个开挖作业面，单个隧道作业面开挖主要工装设备配套有：XTR260 型掘进机1 台、挖掘机1 台、装载机1 台、柴油发电机1 台、变压器1 台、自卸式渣土运输车3 台。

3.3 通风降尘 掘进机掘进过程中产生大量岩粉，大大降低隧道空气质量和空气能见度，开挖作业面附近尤为严重，对掌子面开挖作业和后续仰拱衬砌作业均造成极大影响。隧道通风降尘除掘进机自身配置的高压喷雾降尘系统外，结合隧道地层岩性和作业时产生的粉尘情况，在机身临时增设高压雾炮机降尘，以改善开挖作业面附近的空气质量和能见度。同时考虑隧道通风长度，结合洞外设置的轴流风机进行管道压入式通风，在隧道内设置移动射流风机，加快空气流通速度，解决隧道内局部风力不足和空气质量差的问题。

3.4 施工工艺方法 ①深圳地铁12 号线太海区间采用台阶法开挖施工，拱墙一次开挖成型。具体工艺如下：

1）开挖方式：采用上下台阶法开挖，隧道最高处为5.48m，最宽处为6.2m。开挖作业时，掘进机就位后，开始先从作业面底部切削出一道槽，然后调整机身再次就位，悬臂带动截割头自下而上、左右循环切削，在拱顶处超过掘进机的切割高度时，可用碎石垫起一个坡，以保证开挖断面不欠挖。在切削的同时，机身前端铲板部刮板将切削下来的石渣装入内置第一运输机，通过第一运输机同步转运至机身尾部第二运输机，再通过第二运输机直接装入出渣车运输至洞外。从底部切削开挖至顶部后，再进行切削修正以达到准确的设计断面。切割方式由下往上左右循环切割，当局部有硬岩时，可以选用小直径切割头，切割力大，破岩能力强。在开挖掘进过程中，受设备铲板尺寸的限制，铲板往往不能将隧道底板的渣土彻底清收，待开挖成型设备退场后，再通过挖掘机进行清底作业，清除剩余渣土。开挖作业时，掘进机的截割方式是从扫地开始截割，再按照S 型或Z 型路线左右循环向上逐级截割以上部分（图3 所示）。遇到节理发育较好的岩层，则沿岩石节理方向逐级切割。当局部遇有硬岩时，可以选用小直径切割头，切割力大，破岩能力强，以降低掘进难度及截齿消耗量。

图3 悬臂式掘进机掘进顺序图

2）出渣：掘进机切碎岩石后由传送带运至机器尾部送出，然后由装载机装入渣斗，由竖井内现有龙门吊垂直运输至场地内的堆渣池内，由挖机配合转运至自卸车运走。

3）仰拱开挖：仰拱开挖应滞后掘进机开挖掌子面不小于15m，采用数码雷管爆破。

②初期支护：1）距离既有2 号线隧道结构外边缘10m范围，每开挖进尺1m，立即进行初期支护，初期支护采用喷锚+格栅钢架支护，钢架间距0.5m，初支厚200mm。锚杆采用C22 砂浆锚杆，L=3m，环向间距1.2m，纵向间距1.0m（拱部150°）。2）下穿2 号线段，每开挖进尺0.5m，立即进行初期支护，初期支护采用喷锚+格栅钢架支护，钢架间距0.5m，初支厚200mm。锚杆采用C22 砂浆锚杆，L=2.5m,环向间距1.2m，纵向间距1.2m（拱部150°）。

③自动化监测：距离2 号线结构外边缘50m 时，对既有2 号线隧道结构、轨道等进行自动化监测，并建立安全风险分析平台，通过该平台，将现场监测数据，及时传输至控制中心，进行分析、上报，并根据分析结果采取监管、应急、防范等措施。监测内容主要包含监测初始值采集、既有2 号线结构缺陷巡查、监测点布设、监测频率选取、监测预警等级划分及应对措施。

④施工监测：施工时，加强对已施工地段隧道拱顶竖向位移、洞内水平收敛、底板隆起及周边地表沉降、周边建构筑物地沉降的监测。本项目采用明挖竖井进洞施工，配备3 台自卸式渣土运输车，隧道内配备1 台装载机进行洞内水平运输，竖井场地内设置20t 龙门吊进行垂直运输，基本满足生产施工需要。

3.5 洞内文明施工 掘进机对围岩的破碎程度高，岩石强度越高，整体性越好，破碎程度越高，石渣颗粒越小，粉渣越多。本项目针对工况及时抽排积水，确保排水符合排放标准。对渣土运输车车厢进行必要的密封处理，保证运输过程不遗漏、少遗漏，减少洞内通道二次污染；同时存放在临时渣土场的渣土要进行必要的翻晒处理。开挖作业面的渣土要及时清理干净，避免越积越多，造成道路泥泞不堪。

3.6 掘进机施工安全 悬臂式掘进机不同于盾构机，是一种敞开式隧道掘进机，在掘进过程中对作业面围岩不能起到支撑作用，因此对围岩自身的稳定性和预加固措施的要求与矿山法相同。深圳地铁12 号线太海区间针对既有2 号线控制参数表及安全控制指标施工过程中，要加强超前地质预报，通过超前水平地质钻孔、TSP、地质雷达、红外探水等手段探测前方地质情况，并充分利用拱顶小导管钻孔加强拱部的地质探测，掌握地层变化。具体如下：①下穿前对既有2 号线蛇海区间现状进行调查，进行三维激光扫描并做好相应记录，对其安全性进行论证，以制定其安全状态，同时制定出变形预测及施工管理标准值，待下穿过后再对2 号线结构进行调查，与施工前状况进行对比分析。②对既有2 号线受影响地段每隔3 对短轨枕设置一根绝缘轨距拉杆。③对既有2 号线采取自动化监测，与既有线运营管理部门建立综合管理机制，根据监测结果，必要时采取洞内加固措施及对运营区间的限速措施。④隧道其次是针对前方围岩变化情况，及时调整施工工法，缩短循环进尺，确保施工安全；必要时调整超前小导管参数，加强拱部超前支护措施。

4 悬臂式掘进机在地铁暗挖隧道施工在本项目几点体会

深圳地铁12 号线太海区间下穿段与2 号线蛇海区间采用台阶法开挖施工中，悬臂式掘进机相对于其他传统矿山法隧道施工有着无可比拟的优势。①掘进机主体采用履带式行走机构，机身调动灵活，便于转弯、爬坡，对复杂地质条件适应性强；适用于全断面、短台阶及长台阶等隧道施工工法；②掘进机截割部的切削臂可以上下、左右自由摆动，能切割任意形状隧道断面；切削出的断面表面精确、平整、圆顺，不需要二次修形，机掘超挖量小，便于支护施工；③相比传统的爆破开挖，掘进机对周边围岩的影响深度小，极大地降低了安全风险；噪音低，能有效控制对周边环境的影响和减少外部施工干扰；④相比液压锤等其他非爆开挖设备，掘进机掘进效率高，能实现切削、装运连续作业，减少了渣土转载环节，总工序时间缩短了十天左右；⑤掘进机采用切削方式进行掘进，振动小，对围岩扰动极小，在2 号线内自动化振速监测基本没有振速，同时提高了隧道开挖精确性，开挖断面圆顺度高，便于喷砼支护，同时也提高了初期支护的质量；⑥掘进机开挖不受时间限制，可一天24 小时作业，同时开挖工效高，四级围岩（岩石强度约60MPa），每小时可开挖8m3；三级围岩（岩石强度约80MPa），每小时可开挖5m3；开挖的同时能进行出渣作业，大大减少了开挖面的临空时间，能及早的进行初期支护。

5 结束语

悬臂式掘进机在建筑工程隧道施工中的应用日趋广泛，掘进机施工技术也日趋成熟，掘进机以其施工技术先进、掘进速度快、掘进效率高、适应能力强等特点，具有较好的推广应用前途。结合掘进机在地铁暗挖隧道施工中的应用，进一步开展掘进机施工技术、施工工艺及对隧道施工适应性的研究，进一步改善设备自身存在的不足，有利于悬臂掘进机在地铁隧道施工中的推广应用。