悬臂掘进机在机场隧道工程的应用

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摘要：重庆江北机场隧道在钻爆法及普通机械开挖受限情况下，经过比较后选用悬臂掘进机开挖方法，并成功解决伴随的泥浆及尘土问题，安全快速地通过了近机场复杂环境区段，为以后类似工程提供参考借鉴。

关键词：悬臂掘进机；工法工艺；隧道；降尘措施

随着我国进入社会主义现代化建设的关键时期，城市规模不断扩大，城市隧道工程的建设遇到更复杂的地质环境和更严苛的文明施工要求。传统钻爆开挖、TBM法及普通机械开挖存在一定的局限性，从煤矿中引进的悬臂掘进机开挖方法成为了传统开挖方法受限情况下的新选择。悬臂掘进机开挖的显著特点是对围岩的扰动小、断面成型效果好、施工速度快。在滇西红层隧道，IV级围岩条件下悬臂掘进机开挖方法较钻爆法施工速度提升了近67%。鄂北地区水资源配置工程优良隧道埋深仅13~14m，V级围岩，采用悬臂掘进机开挖安全快速地通过了下穿公路段和临近构筑物段。赵克明依托贵阳地铁1号线提出并验证了系统的悬臂掘进机适应性分级方法，高效通过了临近既有建筑，围岩等级为IV级的白云岩和泥质石灰岩区段。如何兼顾施工速度，保障施工安全，同时又减少对周围环境的扰动一直以来是工程界的热点问题。考虑到重庆江北机场隧道适宜的围岩条件及对地表沉降和既有建筑的影响控制要求，结合悬臂掘进机以往成功应用的案例，经过比较后将其作为隧道开挖的主要手段。本文旨在介绍悬臂掘进机在近机场隧道应用的经验，为此后类似工程工法及相关规范的编写提供借鉴。

1工程概况

重庆江北机场隧道进口延伸段长1710m，见图1，由于隧道一端位于新填土地层，地质条件极差，加之地下水的影响，施工进度缓慢，另一端并未贯通，为确保工期，增设斜井开辟工作面。斜井位于机场2#跑道南端尽头，长约295m，与主线呈66°斜交。在斜井某掌子面取岩石试样检测，如表1，岩体强度约为35MPa，属于次坚石，综合其围岩完整程度分析，可认为斜井洞身围岩为Ⅳ级。又因隧区围岩基本为水平岩层，据此推断斜井工区正洞段落地质情况基本一致，同为IV级围岩地层。隧址内上覆第四系全新统人工填筑土、弃填土、坡残积层；下伏基岩为侏罗纪系中统沙溪庙组（J2s、J2xs）砂岩、泥岩。斜井下穿机场区域所属下穿道公路、机场既有跑道防吹坪及联络跑道，隧道进口段洞身下穿机场范围的场坪、结构物及边坡。

2超前地质探测及开挖设备选型

2.1超前地质探测

与一般隧道工程相比，本隧道存在以下几点显著区别：①隧道洞顶为机场场内运营区，地表环境极其敏感；②隧道拱顶埋深约为15m~20m，仅为一倍洞径左右；③前期地质勘查无法钻孔，隧道前方洞身围岩情况存在不确定性。由地层地表基岩出露的情况推测，砂岩地层厚度一般在15~35m，故随着隧道掘进，掌子面揭示的砂岩可能出现变薄或尖灭，变为岩体强度低、岩体较破碎的泥岩地层。因此，施工期间应加强地质调查与超前地质钻探，并将超前地质钻探的调查结果作为工法变更的依据和前置条件。以30m为一循环，具体要求如下：①每循环开挖后做好开挖后掌子面的地质素描并保存影像资料。②每循环在拱顶、掌子面中央、底部各布置至少一处超前探孔，每处探孔长35m，拱顶、底部探孔应以10°左右的张开角分别向掌子面前方上部及前方下部布设，并取末端2m较完整岩芯检测。见图2所示。③若掌子面出现地下水渗流，应在局部补充超前探孔，及时取水样化验。若随着隧道施工，地质条件出现显著变化，无法同时满足：①新开挖的掌子面围岩的完整程度良好；②超前探孔岩芯试样强度大于30MPa；③超前钻探揭示，隧道拱顶和底部砂岩岩层厚度超过5m；④地下水不发育等4项条件，则不能认为掌子面前方30m围岩为IV级，应对设计和施工进行强化调整。

2.2开挖设备选型

结合本工程特点，对比了液压破碎头、盾构机、铣挖机和单臂掘进机四种常用开挖设备的优缺点，见表2。经对比后选定悬臂掘进机作为本次开挖机械。根据悬臂掘进机在沪昆高铁关岭至普安区间捧古隧道、重庆曾家岩嘉陵江大桥隧道等工程的成功应用，见表3。斜井工区可从EBZ320和EBZ260两种功率的单臂掘进机进行选择。以正洞衬砌为例，其开挖面积为181.15m2，横向跨度为16.22m，以三台阶法施工，每层台阶高度约5m。而EBZ320和EBZ260H定位切割范围（高×宽）分别为8.8m×9.5m和7.1m×7.5m，一个断面需要两台设备才能被完全覆盖，从经济角度出发选择两台功率较小的EBZ260H型悬臂掘进机。

3悬臂掘进机应用情况

3.1施工工艺

掘进机配套使用电、水、风相关设备应提前准备。采用地质超前预报技术，减少或避免施工中可能遇到的诸如塌方、涌水、流砂、涌土、有害气体等地质灾害，采用声波探测法和红外探水法、超前水平钻探、加深炮孔等超前预报系统等措施将前方岩层地质情况探明，以保证设备及人员的安全作业。悬臂式掘进机就位后，首先在掌子面底部切削一水平凹槽以方便设备前进，以更好的姿态工作。开挖时，采取自下而上、左右循环切削，在切削同时铲板部耙爪将渣土由皮带运输机运至机器后方，装车后运出洞外。自上而下，初步开挖完成后，进行二次修整以达到准确地设计断面。当局部遇有硬岩（Rc>100MPa），可先掘周围软岩，使大块硬岩坠落，采用改炮方式另行处理或使用切割力大破岩能力强的小直径切割头，以降低掘进难度和截齿消耗量。悬臂式掘进机的截割方式是从扫底开始截割，再按S型或Z型左右循环向上的截割路线逐级截割以上部分。选用右旋截割头截割硬岩，先由右向左从扫底开始截割，再按从左至右、自下往上的方式或从右往左、自上而下逐步进行截割。如遇节理发育较好岩石，则应选择沿岩石节理方向逐步切割。如下图3所示。

3.2悬臂掘进机应用优缺点

悬臂掘进机在开挖时对围岩扰动极小，适应能力强，开挖质量高，断面圆顺度高，有利于初支的施作并控制超挖，从而缩短工期，保障安全。但施工会持续产生粉尘，即使对掌子面持续喷水降尘，效果也非常有限，而且会产生大量泥浆，工作面状态十分糟糕。为改善施工现场环境，同时达到机场对于文明施工的严格控制要求，采取了钻头自带喷淋降尘，拦尘台车，集中抽排，除尘过滤器，洞口雾炮喷淋降尘等一系列从掌子面到洞口的措施，取得了较好的降尘效果，如图4。对于施工产生的大量泥浆问题，可在洞内两侧增设排水沟，将产生的泥浆汇聚后沉淀集中清淤。在设置沉淀池的同时，可根据泥浆体量，灵活设置洞内临时沉淀盒（图5）。此外，由于设备易因钻头报废或机械过热停工检修或置换，工期安排应充分考虑维护时间，并备足机具元件以满足不间断施工的需求。考虑每班组开机前更换磨损得到钻头齿轮，保养修护时间（3h），及倒班施工间歇，悬臂掘进机月均有效工作日为22天。现将悬臂掘进机开挖段落施工进度情况统计如表4，经加权平均测算后实际日进约为1.45m/天，月均进尺约为45m/月。相比原定采用普通机械开挖（贯通工期46个月），悬臂掘进机贯通工期为34.5个月，缩短了1/4的时间。经济性方面，悬臂掘进机开挖费用为382元/m3，为爆破施工的3.82倍，为普通机械开挖的2.94倍。虽然加大了建造成本，但是事实证明，在近机场特殊条件下，按照既定工期完成开挖任务，悬臂掘进机是一种可行的方法。

4结语

随着城市地下空间的利用愈发密集，拥挤，悬臂掘进机将有着更为广泛的应用空间，优化悬臂掘进机开挖方法，合理解决开挖过程中产生的尘土及泥浆问题十分有研究价值。作者简介：刘东云（1985-），男，籍贯：甘肃永靖，学历：本科，职称：工程师，研究方向：铁路工程。

参考文献：

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作者：刘东云 单位：中铁二十四局集团西南建设有限公司