深豎井條件下暗挖隧道施工機(jī)械配套分析*

邱居濤 林 銳 江 杰,3,4 崔紅利

(1.廣西大學(xué)土木建筑工程學(xué)院， 530004， 南寧； 2.中鐵隧道集團(tuán)四處有限公司, 530003， 南寧； 3.工程防災(zāi)與結(jié)構(gòu)安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 530004， 南寧； 4.廣西防災(zāi)減災(zāi)與工程安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 530004， 南寧∥第一作者， 碩士研究生)

科學(xué)合理的施工機(jī)械配置方案在地鐵施工中有著舉足輕重的作用，相關(guān)學(xué)者對此已經(jīng)做了大量研究[1-6]。但是，目前國內(nèi)針對明暗挖同時(shí)施工、工序復(fù)雜交錯(cuò)、周邊建筑物密集、地質(zhì)條件差的地鐵車站施工方法的研究較少。本文以南寧地鐵3號線青秀山站工程為依托，在非爆破開挖方法的基礎(chǔ)上提出了1套暗挖隧道機(jī)械配套方法。本著優(yōu)化施工效益、減少施工擾動、提高施工效率、確保安全可行的原則，本文著重分析了該方法下的施工機(jī)械選型和各作業(yè)線交叉配套，并提出配套機(jī)械的優(yōu)化方案。

1 工程概況

青秀山站(見圖1)總長184.7 m，其中明挖站廳結(jié)構(gòu)長度為82.4 m，標(biāo)準(zhǔn)段寬度41.8 m。車站南端結(jié)構(gòu)為地下4層(局部5層):站廳采用明挖法施工;站臺層采用暗挖法施工，分別設(shè)置了左右線主隧道、5個(gè)橫通道、2個(gè)斜扶梯通道和4個(gè)豎向通道，結(jié)構(gòu)交錯(cuò)復(fù)雜。車站東端設(shè)置了60 m深的活塞風(fēng)亭，用于承擔(dān)相鄰站點(diǎn)4臺盾構(gòu)機(jī)到達(dá)后吊出的任務(wù)。該風(fēng)亭的截面尺寸大，底面兩平行短邊的高差達(dá)10 m。

該站的地勢起伏較大，總體呈南高北低、東高西低的特征。鳳嶺南路從南到北為下沉式走向，且道路整體呈立體交叉式，車流量大，交通繁忙。車站南側(cè)不遠(yuǎn)處有1棟2層高的管委會大樓，基礎(chǔ)較差，除此之外，車站毗鄰5A級的青秀山風(fēng)景區(qū)。車站北側(cè)分布有低層餐飲商業(yè)建筑，西側(cè)為秀山花園居民住宅小區(qū)(8層)。為緩解工期壓力，施工開始后在車站的北端新增了1座55 m深的豎井。

2 施工方法

2.1 隧道開挖設(shè)備的選配

青秀山站暗挖隧道以泥質(zhì)粉砂巖、粉細(xì)砂巖的半成巖地層為主，車站工程影響范圍內(nèi)的地下水以松散巖類孔隙水、碎屑巖類孔隙裂隙水為主。采用超深管井降水等措施后，用高頻破碎錘對巖層間的裂紋進(jìn)行高頻振擊，使待開挖巖體與原來的結(jié)合體分離而脫落，該施工方法用于泥巖、粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖等地層開挖時(shí)，施工效果明顯。銑挖機(jī)適用于質(zhì)地軟弱、節(jié)理裂隙發(fā)育、巖體完整性差、抗壓強(qiáng)度小且不宜爆破、難以挖動的軟弱圍巖和土質(zhì)圍巖[7]。

圖1 青秀山站平面布局示意圖

根據(jù)隧道設(shè)計(jì)開挖斷面的大小，本文對雙牙高效振動破碎錘及銑挖機(jī)的參數(shù)進(jìn)行了比對分析，在此基礎(chǔ)上確定開挖設(shè)備和及高頻破碎錘的型號配置。設(shè)備選配方案如表1所示。

表1 隧道開挖設(shè)備參數(shù)及選配方案

2.2 開挖施工工藝

本文重點(diǎn)對設(shè)備選型配置后的開挖操作進(jìn)行可行性分析。根據(jù)不同的斷面尺寸確定對應(yīng)的開挖臺階高度，以確保選配后的設(shè)備在隧道內(nèi)能有效開展工作。根據(jù)機(jī)械對作業(yè)空間的要求，本文確定臺階開挖參數(shù)的原則如下：上臺階的開挖深度大于等于4.6 m，長度3～5 m；中臺階的開挖深度大于等于2.6 m，長度6～8 m；下臺階的開挖深度大于等于2.9 m，長度2～3 m。

2.2.1 中臺階機(jī)械聯(lián)合開挖

如圖2所示，采用1臺CAT313挖機(jī)搭載高頻振動破碎錘，以及1臺小松200-8機(jī)搭載ER-1500型銑挖頭2臺，對中臺階②部進(jìn)行聯(lián)合開挖。

a) 橫斷面

b) 縱斷面

2.2.2 上、下臺階機(jī)械同步開挖

②部開挖完成后，因受施工斷面尺寸限制，本項(xiàng)目采用CAT313挖機(jī)搭載1臺高頻破碎錘開挖上臺階①部，同時(shí)用另1臺CAT313挖機(jī)載銑挖頭開挖下臺階③部，如圖3所示。高頻破碎錘的開挖效率為20 m3/h，可靈活轉(zhuǎn)動大臂，有效控制隧道的開挖成型。銑挖頭的開挖效率為10 m3/h。根據(jù)該項(xiàng)目的工程量，基本上可同步完成上、下臺階的土體開挖。隨后高頻破碎錘和銑挖頭互換位置，進(jìn)行開挖和修邊的工序轉(zhuǎn)換，以確保開挖成型質(zhì)量。

a) 橫斷面

b) 縱斷面

開挖過程中，在掌子面后方12～15 m處設(shè)置監(jiān)測點(diǎn)，埋設(shè)SW820型高靈敏度振速測試儀，以監(jiān)測開挖對圍巖的擾動程度。測試結(jié)果顯示：圍巖振動平均速率為0.1 cm/s，豎向加速度為0.03 m/s2，圍巖受擾動的程度較小。

2.3 施工效果分析

本項(xiàng)目采用機(jī)械設(shè)備聯(lián)合作業(yè)，在軟弱圍巖采用非爆破開挖方法進(jìn)行隧道開挖。該施工方法技術(shù)先進(jìn)，有效控制了地表沉降，避免了因爆破振動對巖層產(chǎn)生過大的擾動，確保了地表建筑物和隧道結(jié)構(gòu)本身的安全。此外，該施工方法的工序循環(huán)時(shí)間短、開挖斷面封閉成環(huán)速度快。與傳統(tǒng)單一的設(shè)備施工功效和工期相比，本項(xiàng)目的施工方法在作業(yè)效率上可提高39%。

3 機(jī)械選型及配套

3.1 挖裝運(yùn)作業(yè)線

1) 挖、裝碴。由于隧道施工場地有限，裝載機(jī)的選型配套在不干擾整條施工作業(yè)線的前提下，還要考慮定性與定量兩方面的因素。機(jī)械設(shè)備的安全使用為首要考慮。對于裝載機(jī)而言，其定量因素包括能裝運(yùn)土石方的最大容量、正常工作狀態(tài)下每小時(shí)的耗油量、發(fā)動機(jī)的最大轉(zhuǎn)速以及裝載機(jī)的機(jī)身大小等。考慮到購置成本和施工作業(yè)空間有限，本項(xiàng)目選取柳工ZL50作為整條作業(yè)線的裝載機(jī)，挖、鏟碴土配套的機(jī)械選用卡特履帶式挖掘機(jī)。與一般的挖掘機(jī)相比，卡特履帶式挖掘機(jī)具有尾氣排放量少、挖掘性能強(qiáng)大、底盤穩(wěn)定性能極佳等優(yōu)點(diǎn)，且在機(jī)器內(nèi)配制了液壓緩沖器，可極大地降低挖掘機(jī)工作時(shí)的晃動幅度，有效保證操作人員的安全。此外，卡特履帶式挖掘機(jī)內(nèi)柴油與油缸因晃動產(chǎn)生的摩擦少，可提高燃油利用率，延長設(shè)備使用壽命。

2) 運(yùn)碴。在基坑周邊設(shè)置環(huán)形通道，方便施工的機(jī)械設(shè)備、車輛進(jìn)出，保證交通暢通?；游鱾?cè)的場地平整后用于修建渣土場，碴土的堆放采用就近堆放原則?？紤]到自卸汽車的購置成本，本項(xiàng)目分配了5輛型號為XC3260的自卸車，依次有秩序地到抵達(dá)掌子面，把碴土運(yùn)送到碴土堆放區(qū)。堆放區(qū)的碴土送往其它施工場地用于土方回填。

3.2 支護(hù)作業(yè)線

1) 本項(xiàng)目超前大管棚的施工范圍在正線隧道與橫通道處。正線隧道與橫通道的斷面均較大，三岔口處的開挖暴露后出現(xiàn)了較大的三角形不穩(wěn)定區(qū)域。針對此不穩(wěn)定區(qū)域，本項(xiàng)目采用水循環(huán)跟管導(dǎo)向鉆進(jìn)成管法，將管棚鋼管作為鉆桿，在第1節(jié)管棚鋼管前端安裝帶有導(dǎo)向探棒的楔形板鉆頭。其施工步驟如下:① 采用水平定向鉆機(jī)將裝有楔形板鉆頭的管棚鋼管打入土中;② 通過絲扣將其它管棚與前一節(jié)管棚連接,將管棚依次打入土中，并跟蹤監(jiān)測管棚鉆進(jìn)方向，以保證管棚按設(shè)計(jì)方向打入;③ 進(jìn)行封孔、注漿。

2) 本項(xiàng)目暗挖隧道區(qū)間(Ⅴ級圍巖)的支護(hù)難度大、占用時(shí)間長，給施工帶來了很大困擾。隧道內(nèi)空間狹窄，噴錨作業(yè)施工頻繁，因此噴射混凝土施工選用Aliva-285混凝土濕噴機(jī)，初期支護(hù)采用厚35 cm的C25網(wǎng)噴混凝土加格柵鋼架聯(lián)合支護(hù)。與普通的混凝土濕噴機(jī)相比，Aliva混凝土濕噴機(jī)的優(yōu)點(diǎn)在于：① 有效利用率高，混凝土的噴射有效利用率在88%以上；② 完成一道工序耗時(shí)短，節(jié)約了時(shí)間成本；③ 機(jī)械化程度高，無需多人操作。

3) 二次襯砌采用復(fù)合式襯砌。如圖4所示：D型和B型斷面的襯砌厚度為700 mm；A、C型斷面的襯砌厚度分別為600 mm、800 mm。2、3號橫通道襯砌的設(shè)計(jì)厚度為900 mm。因站臺隧道斷面類型多、不同斷面間的差別大，臺車不能適用于全部斷面。對應(yīng)的措施為:① A、C型斷面采用液壓模板臺車，各配備1臺HBT60型混凝土輸送泵,混凝土輸送泵將混凝土泵送入模，再用插入式振搗棒振搗混凝土;② B、D型斷面采用在臺車骨架上改裝的方法;③ E型斷面、橫通道、斜通道及4個(gè)小豎井采用支架模板，沿整個(gè)圓拱斷面布設(shè)工字鋼。

尺寸單位：mm

3.3 通風(fēng)作業(yè)線

本隧道拱頂埋深50 m，通風(fēng)難度大。此外，考慮到壓入式通風(fēng)拆裝簡便，且能有效改善工作面空氣質(zhì)量等特點(diǎn)，故采用壓入式通風(fēng)方式。在計(jì)算出隧道內(nèi)的需風(fēng)量、風(fēng)機(jī)的供風(fēng)量、通風(fēng)阻力后，根據(jù)需要配置一定數(shù)量的風(fēng)機(jī)。

以壓入式通風(fēng)作為通風(fēng)方式，需以最小風(fēng)速計(jì)算所需風(fēng)量Qa、供給隧道內(nèi)工作的最高人數(shù)所需風(fēng)量Qb、沖淡耗油機(jī)械尾氣所需風(fēng)量Qc。工作面需風(fēng)量Q取Qa、Qb、Qc的最大值。

3.3.1Qa的計(jì)算

Qa=VminTSmax

(1)

式中：

Vmin——隧道內(nèi)最小風(fēng)速；

T——通風(fēng)持續(xù)時(shí)間；

Smax——隧道最大開挖斷面的面積。

式(1)中，Vmin取0.25 m/s，T取60 s，Smax取93 m3，則可得Qa為1 395 m3/min。

3.3.2Qb的計(jì)算

Qb=qmk

(2)

式中：

q——每min內(nèi)每人呼吸所需的空氣量；

m——洞內(nèi)工作的最高人數(shù)；

k——風(fēng)量備用系數(shù)。

式(2)中，q取3 m3/min，m取94人，k取1.2，則可得Qb為338.4 m3/min。

3.3.3Qc的計(jì)算

Qc=k∑N

(3)

式中：

k——耗油機(jī)械設(shè)備的平均利用率；

∑N——耗油機(jī)械設(shè)備的總功率。

式(3)中，耗油機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)過程中平均每1 kW所需風(fēng)量取3 m3/min，k取70%，∑N取980 kW，則可得Qc=2 058 m3/min。

3.3.4 風(fēng)機(jī)供應(yīng)風(fēng)量的計(jì)算

通過上述計(jì)算可知，Qa、Qb、Qc中Qc最大，因此洞內(nèi)所需風(fēng)量Q為2 058 m3/min。本項(xiàng)目隧道右線的最大供風(fēng)長度為290 m，隧道左線的最大供風(fēng)長度為262 m，且考慮風(fēng)管在輸送空氣的過程存在“漏風(fēng)”現(xiàn)象，需要分別計(jì)算隧道左、右線要求風(fēng)機(jī)供應(yīng)的風(fēng)量。

隧道左線、右線掌子面要求風(fēng)機(jī)供應(yīng)的風(fēng)量Q左、Q右分別為：

(4)

(5)

式中：

L左、L右——隧道左線、右線的供風(fēng)長度；

β——風(fēng)管漏風(fēng)系數(shù)。

式(4)、(5)中，Q取2 058 m3/min，L左取262 m，L右取290 m，β取0.1，則可得Q左為2 113.0m3/min，Q右為2 119 m3/min。

3.3.5 風(fēng)機(jī)供應(yīng)風(fēng)壓的計(jì)算

暗挖隧道右線風(fēng)壓P右為：

P右=4.8αL右Q右/(360d5)

(6)

式中：

α——風(fēng)阻系數(shù)；

d——配用風(fēng)管直徑,m。

式(6)中，α取0.003，L右取290 m，Q右取2 119.0 m3/min，d取1.2 m，則可得P右為2 093.0Pa。

因?yàn)樨Q井與正洞彎道處有風(fēng)壓損失，所以需要隧道右線提供的風(fēng)壓為：

H右=ηP右

(7)

式中：

η——彎道處風(fēng)壓損失。

式(7)中，η取1.2，則可得H右=2 511.6 Pa。

同理可計(jì)算出要隧道左線風(fēng)機(jī)的供應(yīng)風(fēng)壓為2 256.5 Pa。

3.3.6 通風(fēng)設(shè)備的配置

井口設(shè)風(fēng)機(jī)1臺，風(fēng)管采用PVCφ1200 mm拉鏈?zhǔn)斤L(fēng)管，拉鏈?zhǔn)斤L(fēng)管百米漏風(fēng)率為0.01，摩阻系數(shù)為0.02，每節(jié)長度為10 m。施工開挖至右線隧道時(shí)，在北側(cè)新增豎井處再添設(shè)1臺風(fēng)機(jī)，采用壓入式獨(dú)頭送風(fēng)。隧道施工期間，隧道左右線各配備了1臺SFD-I-NO15軸流風(fēng)機(jī)。

3.4 防排水作業(yè)線

暗挖隧道排水分為開挖施工階段排水和二襯施工階段排水。暗挖隧道開挖施工時(shí)，在開挖面打設(shè)小凹槽用以臨時(shí)儲水，然后利用潛水泵將隧洞內(nèi)積水抽排至新增的北側(cè)豎井的集水井中，最后將水抽至洞口經(jīng)凈化處理后排放。

襯砌段的積水主要為襯砌施工時(shí)施工用水。在二襯仰拱施工段前方挖1個(gè)臨時(shí)集水坑，同樣通過潛水泵將洞內(nèi)水泵送到新增北側(cè)豎井的集水井，集水井的水經(jīng)凈化后再從洞口排出。開挖線路為坡率2%下坡，在隧道左線和右線的中間分別設(shè)置1個(gè)斷面尺寸為250 mm×150 mm的排水溝，用以排除隧道內(nèi)積水。各橫通道內(nèi)皆設(shè)有2 m×2 m集水井，再由隧洞內(nèi)集水井集中將積水抽排到新增的北側(cè)豎井的集水井內(nèi)。

4 結(jié)語

本項(xiàng)目結(jié)合壓入式通風(fēng)的特點(diǎn)計(jì)算出洞內(nèi)所需風(fēng)量，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果，在隧道左、右線各配置了1臺型號為SFD-I-NO15的軸流式風(fēng)機(jī)。施工期間隧道內(nèi)的通風(fēng)效果良好。

本項(xiàng)目的設(shè)計(jì)沉降量為150 mm，經(jīng)監(jiān)控實(shí)測數(shù)據(jù)反饋，拱頂最終下沉量為14.6 mm，很好地控制了施工沉降。本項(xiàng)目暗挖隧道采用非爆破開挖法施工，減少了對周邊圍巖的擾動，降低了隧道施工安全隱患。隧道開挖施工全過程從未發(fā)生任何安全事故，也未發(fā)出變形預(yù)警。本項(xiàng)目的成功實(shí)施，促進(jìn)了軟弱圍巖隧道非爆破開挖施工技術(shù)的發(fā)展，可為復(fù)雜環(huán)境條件下軟弱圍巖隧道快速安全施工提供參考。