矿用悬臂式掘进机在地铁暗挖隧道施工中的应用

矿用悬臂式掘进机在地铁暗挖隧道施工中的应用

摘要：本文结合悬臂式掘进机在贵阳地铁区间暗挖隧道的施工情况，从设备选型、工装配套、工艺工法、通风降尘、施工安全等方面介绍了悬臂式掘进机在地铁暗挖隧道施工中的应用和适应性。结合掘进机的机型特点和工艺特点，阐述了掘进机在施工应用中存在的不足和应对措施。

关键词：悬臂式掘进机 城市地铁 暗挖隧道 施工应用

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，使得人们对非爆开挖及其工程设备的研究不断深入，也给矿用悬臂式掘进机在城市地铁施工中的应用一些发展空间。

1掘进机施工技术简介

悬臂式掘进机最早是作为煤及煤巷道掘进机，近些年才逐步推广应用于建筑工程隧道掘进施工，适应于全岩巷道及隧道掘进施工。

悬臂式掘进机不同于盾构机，是一种敞开式隧道掘进机。盾构法是盾构机在掘进的同时利用设备前端圆柱体钢组件壳体即护盾构建或铺设隧道之“盾”，在护盾的掩护下完成挖掘、排土、衬砌等工序作业，一次成洞。而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

贵阳市为山地城市，城市规划和发展相对落后，城市轨道交通工程建设起步相对较晚，目前尚无地铁线路通车运营，在建地铁项目有1号线、2号线两条，区间暗挖隧道均采用矿山法施工。本项目位于贵阳市云岩区，为贵阳地铁2号线金鸭村站～马王庙站区间，区间隧道全长1492.5m，为2号线第二长大区间，线路穿越三马片区棚户改造区和金钟河，地面建（构）筑物密集，多为2～6层民用建筑，且修建年代久远，多为60年代所建，人口密度大。沿线勘察范围地貌类型为溶丘和溶蚀洼地相间地貌，隧道埋深为1.5～44m，围岩等级为Ⅳ级和Ⅴ级，岩性主要为白云岩和泥质白云岩，岩石抗压强度为30～70Mpa，局部岩石抗压强度达到90Mpa，溶洞、溶槽、溶沟、溶隙等不良地质普遍发育，岩溶管道连通性好，地下水位埋深较浅，岩溶水丰富，断层破碎带发育。隧道设计开挖工法以机械开挖为主、爆破开挖为辅。区间设置一座斜井作为辅助通道组织施工，作业面最大掘进长度850m。

3掘进机在隧道施工中的应用

3.1设备选型

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。

设备选型时，应结合掘进机的机型特点、工艺特点及项目的工程特点，综合考虑各机型的相关技术参数，优先考虑以下技术参数：

（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。

在优先考虑以上两项技术参数的同时，还应综合考虑以下技术参数：

（1）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。

①设备的作业线长度关系设备在隧道内的临时停靠场所和转场通道转弯半径尺寸的设置；

②设备的铲板是设备各构件中宽度最大的构件，决定设备通行的最小限界宽度，应匹配隧道内各相关的操作平台宽度；另外铲板为设备主体的配套部件，可根据实际需要更换铲板尺寸。

（2）最大不可拆卸件尺寸和重量

设备的最大不可拆卸件尺寸和重量关系到设备在隧道内的组装和拆卸。

（3）配套供电设施

悬臂式掘进机供电电压1140V，需配备专用的矿用变压器和专用直通电缆。

综合考虑以上因素，选用三一重装STR260型悬臂式掘进机，悬臂式掘进机的选型参数对比详见表3.1。

表3.1 悬臂式掘进机选型参数对比表

3.2开挖工装配套

本项目采用斜井组织进洞施工，双线双向共四个开挖作业面，隧道开挖主要工装设备配套有：STR260型掘进机2台、挖掘机3台、液压锤2台、自卸式渣土运输车10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外，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；另外，在隧道上方分段设置通风排烟孔，加快空气排放。

3.4开挖工艺方法

本项目隧道采用全断面开挖施工工法，拱墙一次开挖成型。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。

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。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。

3.5 渣土运输及临时堆渣场

STR260型掘进机对隧道70Mpa以下的软质至硬质围岩有极强的适应能力，掘进速度快，掘进效率高；设备整机质量和外形尺寸大，转场时间长，为了提高施工效率，施工时往往单循环施工进尺大，渣土运输量大；加之设备自身具有掘进、出渣连续作业的特性；因此，渣土运输设备的运输能力和临时堆渣场的渣土容量在生产组织过程中发挥着极其关键的作用。而地铁项目往往以小断面隧道为主，以竖井辅助进洞施工，且井口临建场地狭小，临时渣场容量受限制；因此，渣土水平运输设备、垂直提升设备和临时渣场的选择和规划要综合考虑生产工期、城市渣土运输受限等的要求，与掘进机的掘进能力相匹配，既保证设备的有效利用，又满足生产的有序开展。

本项目采用斜井辅助进洞施工，每台掘进机配备5台自卸式渣土运输车，洞外设置容量不小于3000m3的临时堆渣场，基本满足生产施工需要。

3.6 设备转场和临时停放

掘进机自身存在着机身外形尺寸大、整机质量大及行走速度慢等不足之处，造成设备转场时间相对较长，也在很大程度上降低其施工效率。为了缩短设备转场时间，提高设

备作业效率，结合隧道作业长度，分段（100m左右）增设左右线线间联络通道，缩短转场距离，降低工序作业循环时间，提高设备利用率，从而加快施工进度。同时，线间联络通道亦可作为设备作业间隙的临时停靠点，保障洞内运输通道畅通。

3.7洞内文明施工

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。尤其是岩溶地貌、可溶性岩质隧道，地层富水，破碎后的渣土颗粒和粉尘遇水浸泡产生大量泥浆，无论是洞内排水还是渣土运输都相对困难，给隧道文明施工造成极大困扰。因此洞内文明施工首当其冲要解决排水问题，统筹规划，加密分级沉淀抽排，及时抽排积水，确保排水符合排放标准。其次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。三是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。另外，有条件的情况下定期采用石渣对道路进行换填处理。

3.8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。设备自身笨重，行走缓慢，掘进时遇到作业面坍塌、涌泥及冒顶等险情不能快速撤离，存在安全风险。因此隧道施工过程中，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。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。掘进机在掘进施工时，受大臂摆动角度和圆形截割头限制，靠近钢架附近的岩体无法截割，为了保证截割范

围，钢架支护往往滞后掌子面50～80cm距离，人为制造了围岩裸露，加大了作业面的安全风险，此时围岩自身的稳定性和超前加固措施更显得尤为重要。

3.9掘进机在地铁暗挖隧道施工的适应性

（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，有效缩短了工序循环时间。

4 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。

参考文献

［1］陈同宝，钱沛云，陶峥．我国悬臂式巷道掘进机技术的现状与发展［J］．煤矿机电，2000，（5）．

［2］雷升祥，尹宜成．悬臂式掘进机在铁路隧道施工中的应用探讨［J］．铁道工程学报，2001，（1）．