悬臂掘进机在城市地铁暗挖隧道CD法施工中的应用

悬臂掘进机在城市地铁暗挖隧道CD法施工中的应用

余季庭

广州地铁集团有限公司建设事业总部510220

摘要：随着城市地铁的快速发展，悬臂掘进机在暗挖隧道中得到广泛的应用，悬臂式掘进机具有连续掘进、无爆破震动的机动性，对围岩的扰动极小、截割效率高、机器稳定性好、操作与维护方便和运行安全可靠等优点，能够实现连续切割、装载、运输作业工作于一体，可有效解决岩层坚硬、开挖缓慢、工序衔接不紧凑等问题，较大地提高了隧道开挖进度。与常规爆破开挖相比，克服城市爆破施工对周边建（构）筑物的影响、火工品安全风险管理，爆破震速大等一系列问题。在大断面CD法施工中取得巨大的成效，具有传统钻爆法隧道施工无法比拟的优势。

关键词：城市地铁；悬臂掘进机；暗挖隧道；CD法

一、工程概况

贵阳地铁1号线人民广场站～朝阳影剧院区间为矿山法暗挖隧道，线路出人民广场站后，向南下穿河滨公园和南明河，过青云路后下穿展览馆及周边楼房，楼房均为1～6层砖混结构。人民广场站后设置停车线，除停车线外区间结构为双洞单线结构，停车线区段含9种衬砌断面，采用台阶法、CRD法及中洞法进行施工，其中双线断面与单线断面最小净距为1.04m。隧道开挖地层为松子坎组中风化泥质石灰岩、白云岩层，双线段洞顶岩层约10m，单线段洞顶岩层约12m。为尽量减小隧道开挖对周边地层的扰动，加快施工进度，采用了悬臂掘进机开挖。

二、悬臂掘进机工作原理及特点

悬臂式掘进机是一种综合掘进设备，集切割、行走、装运、喷雾灭尘于一体。悬臂式掘进机作业线主要由主机与后配套设备组成。主机把岩石切割破落下来，转运机构把破碎的岩渣转运至机器尾部卸下，由后配套转载机、运输机运走。切割出的表面精确、平整，便于支护。履带式行走机构使机器调动灵活，便于转弯、爬坡，对复杂地质条件适应性强。

掘进机在开挖支护方面采用了先掘进切削，后喷锚支护的方法，体现了掘进法通过中小断面软弱围岩的独特施工的特点，使施工进度和施工安全有了较大的提高。施工中，对围岩的扰动小、超欠挖小、不但提高开挖的施工质量，洞室断面的圆顺度高，便于喷混凝土支护，同时也提高了初期支护的施工质量。

三、施工方法

人民广场站～朝阳影剧区间设置暗挖停车线，双线断面与单线断面最小静距为1.04m，双线断面采用CD法施工。

3.1CD法施工工艺：

（1）CD法又称中隔壁法，先分步开挖隧道的一侧，采用台阶法分层开挖，并施作中隔壁，然后再分步开挖另一侧并进行相应的初期支护的施工方法。CD法主要用于Ⅴ级偏弱围岩地段，地质条件困难，围岩软弱，覆盖层薄，含水量大，基底承载力低等条件。采用CD法开挖，减小软弱围岩隧道及大跨度隧道分部开挖跨度和开挖高度，通过增加中壁墙等临时支护构件，形成分部开挖初期支护快速封闭环，使分部开挖环环相扣，最后完成全部断面开挖与初期支护。

根据人朝区间左线小里程现场施工实际分析，采用先右侧后左侧中隔壁法开挖，中隔壁采用Ⅰ18型钢做为临时钢架，临时支护锚杆采用Φ22砂浆锚杆（L=2.5m），采用掘进机开挖。施工工艺流程见下图：

3.2悬臂掘进机开挖施工工艺：

（1）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、涌土等地质灾害。采用地球物理探测技术有弹性波法、电磁波法（探地雷达探测技术）、声波探测法和红外探水法、超前水平钻探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。

根据本区间隧道实际开采出的岩石试验结果，饱和抗压强度Rc最高达为86MPa，根据地层情况采用型号EBZ260的掘进机进行施工，可一次完成隧道断面开挖（不含仰拱部分），掘进方量约为34m³/延米。

（2）悬臂式掘进机就位后，开始从掌子面底部水平切削出一条槽，向前移动掘进机再一次就位，就位后截割头采取自下而上、左右循环切削。在切削同时铲板部耙爪将切削下来的碴装入第一运输机，第一运输机转运至第二运输机，第二运输机直接装入出碴车运出洞外。从底部开挖到顶部完成后，进行二次修整以达到准确的设计断面。

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。

CD法悬臂掘进机开挖施工图3.3施工对比分析

（1）进度对比

根据设计断面型式、围岩状态和其他标段施工经验，贵阳地铁1号线各标段采用不同的开挖方式，主要有劈裂机开挖、化学法（膨胀剂）开挖、爆破开挖、破碎锤开挖等，但功效较低，引进掘进机后，掘进功效有了极大的提高，使区间隧道施工在保证安全的前提下进度有了较大提升，以Ⅳ级围岩（标准断面39㎡）为例，开挖工艺比选对比情况详见下表：

进度指标：采用悬臂掘进机施工，根据相邻标段及本标段施工实际情况，标准断面（断面面积按39㎡计算）进尺50m/月指标，单洞台阶法作业每日进尺可达1.7m/天。大断面施工可达到30m/月的进尺指标。

（2）经济对比

爆破开挖：合同单价159元/m³，实际火工品+人工+电费等费用130元/m³，利润很低，受火工品影响，进度缓慢，功效较低；

破碎锤开挖：合同单价202~412元/m³，实际机械+人工+电费等费用205~350元/m³，利润较低，受岩石强度、机械等影响，每天进尺0.3m，进度严重滞后，功效极低；

掘进机开挖：合同单价610元/m³，实际机械+人工+电费等费用400~500元/m³，有一定利润空间，掘进机可24小时作业，每天进尺2m左右，进较快，功效较高；

四、施工优点

4.1安全性方面

（1）采用掘进机进行掘进施工，可以提高隧道机械化施工程度及其配套施工技术并降低施工安全风险。

（2）掘进机采用切削方式进行掘进，震动小，对围岩的扰动极小，和传统爆破相比：无爆破震动，无火工品安全管理风险。

（3）掘进机开挖功效高，支护能够及早跟进，极大的缩短了开挖面的临空时间。

4.2保证质量方面

掘进机施工对围岩的扰动小，对于大断面CD法施工，提高了施工安全指数，提高了隧道的开挖质量，洞室开挖断面圆顺度高，便于喷砼支护，同时也提高了初期支护的质量。

4.3施工进度方面

（1）悬臂式掘进机是一种集切削、装碴、转运和自行于一身，可以做到切削、装运同步进行。具有连续掘进、地质适应性强等优点。

（2）悬臂式掘进机具有多功能性及机动性，当遇到意外情况，便于及时调整方案，而不影响施工进度。

（3）悬臂式掘进机施工进度由支护工序时间控制，由于开挖断面规范，钢架、网片拼装快捷，喷射砼可节省大量时间。

（4）城市地铁工程爆破施工时，火工品供应与爆破时间均受制约，而掘进机施工则不受影响，具备24小时作业条件，最快每月可完成60m进尺。

（5）掘进机转弯半径小，方便在双隧道间转换作业，可实现一台掘进机施工两条隧道。

4.4作业环境方面

掘进机切割部带有自动喷水及吸尘设备，可减小因切割岩面产生的大量粉尘，尽可能的净化掘进操作现场的环境。

五、结论

采用悬臂掘进机施工，极大地提高了施工进度，保障了施工工期。避免了城市地铁爆破施工时，火工品供应与爆破时间限制的制约，同时，掘进施工中对围岩的扰动小，对于大断面CD法施工，提高了施工安全系数，充分的发挥了掘进机连续掘进、地质适应性强等优点，这项技术将会在城市地铁暗挖隧道中得到广泛的应用。

参考文献：

[1]王喜胜，王学成.悬臂掘进机在地铁施工中的应用.

[2]关则廉.悬臂掘进机在地铁工程暗挖隧道施工中的应用.

[3]王胜陆，等.悬臂式掘进机的发展状况及趋势[J].煤矿机械，2007.

[4]毛军，等.浅谈悬臂掘进机的发展及趋势[J].中国工程机械学报，2007.