懸臂掘進(jìn)機(jī)在滇西紅層隧道中的應(yīng)用研究

朱廷宇， 王喚龍， 宋智來， 羅茂林， 張 磊

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司， 四川 成都 610031)

0 引言

鉆爆法是隧道施工較常用的破巖方式，而由于受特殊環(huán)境限制或火工品制約時，往往隧道采用非爆機(jī)械開挖。懸臂掘進(jìn)機(jī)法是一種非爆開挖方法，其切割臂可以上下、左右自由擺動，能切割任意形狀的隧道斷面，特別對于軟弱破碎圍巖條件，采用懸臂掘進(jìn)機(jī)開挖可減小對圍巖的擾動影響，能有效地控制隧道圍巖的收斂變形，以保障施工的安全[1]。此外，懸臂掘進(jìn)機(jī)集開挖、裝碴和自動行走于一身，操作靈活，便于支護(hù)，可以適應(yīng)圍巖強(qiáng)度適中的軟巖隧道施工，是小斷面軟巖隧道的理想開挖設(shè)備。

我國自20世紀(jì)60年代開始引進(jìn)懸臂掘進(jìn)機(jī)，主要應(yīng)用于煤礦巷道的掘進(jìn)施工中，其成巷效率高，每天成巷長度可達(dá)30 m以上，且經(jīng)過近30年的研究及實踐，其在我國煤礦行業(yè)已經(jīng)是十分成熟的煤巷綜合機(jī)械化掘進(jìn)設(shè)備。20世紀(jì)80年代末至今，隨著懸臂掘進(jìn)機(jī)的設(shè)計和制造水平逐步發(fā)展，重型機(jī)大批涌現(xiàn)，使用范圍不斷擴(kuò)大，逐步推廣到水利水電[2-3]、公路、城市軌道交通、鐵路等工程中。懸臂掘進(jìn)機(jī)在鐵路隧道施工的應(yīng)用尚屬探索階段，成功的案例屈指可數(shù)。涪秀二線新磨溪2號隧道[4-5]、改建鐵路陽安線月家壩隧道[6]、重慶鐵路樞紐新紅巖隧道[7]臨近既有運(yùn)營隧道或淺埋下穿構(gòu)筑物，為減少圍巖擾動對既有運(yùn)營線或構(gòu)筑物的影響，采用了懸臂掘進(jìn)機(jī)； 廣州地鐵6號線東湖車站存車線渡線段隧道[8]斷面型式頻繁變化，盾構(gòu)法開挖已無法滿足要求，采用了懸臂掘進(jìn)機(jī)； 蒙華鐵路銀山1號隧道[9]長距離穿油井區(qū)、淺埋下穿村莊，且下穿段落為白堊系砂巖地層，采用懸臂掘進(jìn)機(jī)解決了軟巖隧道沉降變形的問題； 項志敏等[10]、李國[11]對懸臂掘進(jìn)機(jī)銑挖施工的工藝進(jìn)行了研究。綜上，鐵路隧道懸臂掘進(jìn)機(jī)多應(yīng)用于臨近既有構(gòu)筑物隧道、斷面頻繁變化隧道以及特殊圍巖隧道等，目前尚未有在滇西紅層地區(qū)應(yīng)用的案例。

我國紅層大多形成于中、新生代漫長的地質(zhì)歷史時期，主要沉積時代為三疊紀(jì)、侏羅紀(jì)、白堊紀(jì)、第三紀(jì)，滇西紅層分布在以蘭坪—思茅為中心的云南西部地區(qū)[12]，以侏羅系與白堊系的地層為主。滇西紅層區(qū)位于金沙江—哀牢山斷裂帶和瀾滄江斷裂帶之間，南區(qū)東界為阿墨江斷裂，北區(qū)東南界為維西—喬后斷裂，構(gòu)造作用強(qiáng)烈[13]。滇西紅層隧道多地處于橫斷山滇西高山峽谷區(qū)，地形起伏較大，下伏基巖為侏羅系和白堊系的地層，以紫紅色、灰黃色泥巖為主，間夾砂巖層，巖體的強(qiáng)度低(平均為20～40 MPa)，抗風(fēng)化能力差，受區(qū)域構(gòu)造影響，巖體擠壓破碎，硬質(zhì)巖含量不均、變化頻繁、規(guī)律性不強(qiáng)，軟質(zhì)泥巖沉積相變大，隧道施工中溜塌、坍方、支護(hù)變形風(fēng)險較高。

考慮到滇西紅層隧道圍巖強(qiáng)度適中，懸臂掘進(jìn)機(jī)對其具備一定的適應(yīng)性，且從以往的應(yīng)用來看，懸臂掘進(jìn)機(jī)具有圍巖擾動小、施工進(jìn)度快的優(yōu)點(diǎn)，大瑞鐵路秀嶺隧道首次在滇西紅層地區(qū)特長鐵路隧道施工中采用懸臂掘進(jìn)機(jī)，本文對其適應(yīng)性、設(shè)計參數(shù)等方面進(jìn)行研究，并與鉆爆法在投資、進(jìn)度、質(zhì)量、安全等方面進(jìn)行對比分析。

1 工程概況

秀嶺隧道位于大瑞鐵路漾濞車站與太平車站之間，全長17 623 m，速度為140 km/h的單線電氣化鐵路隧道。隧道最大埋深為1 120 m，全隧穿越巖性為白堊系、三疊系砂巖夾泥巖及泥巖夾砂巖地層，共穿越5個斷層及1個向斜構(gòu)造。地下水主要為基巖裂隙水及構(gòu)造裂隙水，最大涌水量為4.1萬m3/d。

綜合考慮工期、排水、通風(fēng)及防災(zāi)疏散救援等問題，本隧采用“貫通平導(dǎo)+出口橫洞”的輔助坑道模式，于線路中線左側(cè)設(shè)置了貫通平導(dǎo)。為解決出口施工場地及車站隧道施工的問題，于隧道出口端設(shè)置1座橫洞，平導(dǎo)及橫洞均采用有軌運(yùn)輸。根據(jù)現(xiàn)場工程地質(zhì)條件及輔助坑道的設(shè)置情況，本隧共分進(jìn)口、出口2個工區(qū)，其中，進(jìn)口工區(qū)擔(dān)負(fù)正洞施工長度為8 948 m、平導(dǎo)施工長度為8 700 m； 出口工區(qū)擔(dān)負(fù)正洞施工長度為8 675 m、平導(dǎo)施工長度為8 898 m、橫洞施工長度為642 m。秀嶺隧道平面示意如圖1所示。

圖1 秀嶺隧道平面示意圖

秀嶺隧道進(jìn)口平導(dǎo)下伏基巖主要為白堊系下統(tǒng)景星組砂巖夾泥巖以及侏羅系上統(tǒng)壩注路組泥巖夾砂巖、中統(tǒng)花開左組泥巖夾砂巖，圍巖以弱風(fēng)化泥巖為主，呈紫紅、灰黃色，巖石抗壓強(qiáng)度為25～60 MPa，黏聚力為20 kPa，內(nèi)摩擦角為55°，為典型的滇西紅層隧道。此外，秀嶺隧道作為大瑞鐵路大理至保山段最長的隧道，工期壓力巨大，且受控于輔助坑道設(shè)置條件，無法充分實現(xiàn)“長隧短打”，加之平導(dǎo)采用有軌運(yùn)輸，斷面凈空僅3.5 m(寬)×4.6 m(高)，小斷面無法通過增加常規(guī)的機(jī)械設(shè)備和勞動力組織進(jìn)行快速施工，其施工進(jìn)度與正洞持平，無法實現(xiàn)平導(dǎo)超前正洞，增開正洞工作面。解決平導(dǎo)快速施工問題，成為秀嶺隧道成功建設(shè)的關(guān)鍵。

2 懸臂掘進(jìn)機(jī)適應(yīng)性分析研究

懸臂掘進(jìn)機(jī)對于隧道施工的適應(yīng)性主要取決于圍巖可掘性(包括圍巖強(qiáng)度及節(jié)理裂隙發(fā)育程度)以及地下水。

2.1 圍巖強(qiáng)度

從圍巖單軸抗壓強(qiáng)度來看，目前懸臂掘進(jìn)機(jī)可掘進(jìn)的巖石單軸抗壓強(qiáng)度達(dá)到150 MPa，懸臂掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)的合理巖石單軸抗壓強(qiáng)度應(yīng)在100 MPa以下[14]。為進(jìn)一步探究懸臂掘進(jìn)機(jī)適用的圍巖強(qiáng)度范圍，本次對國內(nèi)外采用懸臂掘進(jìn)機(jī)施工的隧道工程開展了調(diào)研。懸臂掘進(jìn)機(jī)在部分隧道工程中的應(yīng)用情況如表1所示。

表1 懸臂掘進(jìn)機(jī)在部分隧道工程中的應(yīng)用情況

隧道施工進(jìn)度與圍巖條件、隧道斷面、施工方法、施工組織等有密切關(guān)系，對于懸臂掘進(jìn)機(jī)而言，其與圍巖強(qiáng)度關(guān)系較大。從秀嶺隧道前期鉆爆法施工進(jìn)度來看，鉆爆法施工最高月進(jìn)度為130 m。為探索在秀嶺隧道圍巖強(qiáng)度下懸臂掘進(jìn)機(jī)能否有效提高施工進(jìn)度，本次將以上調(diào)研數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析研究。施工進(jìn)度與圍巖強(qiáng)度關(guān)系如圖2所示。

由圖2可知: 除藍(lán)那隧道、東內(nèi)隧道因高強(qiáng)度圍巖占比較高，新磨溪2號隧道臨近既有線施工，致使施工進(jìn)度較慢以外，其余隧道采用懸臂掘進(jìn)機(jī)施工進(jìn)度均高于秀嶺隧道前期鉆爆法施工最高進(jìn)度，表明懸臂掘進(jìn)機(jī)進(jìn)度優(yōu)勢明顯。

秀嶺隧道圍巖抗壓強(qiáng)度為25～60 MPa，該強(qiáng)度處于調(diào)研工程圍巖強(qiáng)度重疊率最高的強(qiáng)度區(qū)間范圍內(nèi)，充分說明了秀嶺隧道圍巖強(qiáng)度適用于采用懸臂掘進(jìn)機(jī)施工。

圖2 施工進(jìn)度與圍巖強(qiáng)度關(guān)系圖

2.2 圍巖完整性及節(jié)理裂隙發(fā)育程度

懸臂掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)工作面一般采用“一次截割成形”，即截割頭從工作面中間截面的底部開始截割，利用截割部的多方位移動以及行走功能，按S型或Z型采取自下而上、左右循環(huán)的截割路線逐級截割上部巖體。

若圍巖破碎、節(jié)理裂隙發(fā)育較好，則懸臂掘進(jìn)機(jī)破巖容易、截齒消耗低，同時可選擇沿巖石節(jié)理方向進(jìn)行切割，大大加快切割效率，提高施工進(jìn)度。但對于圍巖呈角礫碎石狀松散結(jié)構(gòu)或節(jié)理裂隙極其發(fā)育(多為V級圍巖)，圍巖易變形坍塌時，由于懸臂掘進(jìn)機(jī)超前預(yù)加固施工困難，則不宜采用該類工法。

綜上所述，懸臂掘進(jìn)機(jī)適用于圍巖較破碎—破碎、節(jié)理裂隙較發(fā)育—發(fā)育的隧道工程，參考TB 10012—2019《鐵路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》[15]，其最佳適用范圍為: 圍巖完整性指數(shù)Kv為0.35～0.55，巖體體積節(jié)理數(shù)Jv為10～20條/m3。在秀嶺隧道施工過程中，并未對圍巖完整性及節(jié)理數(shù)指標(biāo)的量化數(shù)據(jù)進(jìn)行收集分析，上述結(jié)論有待進(jìn)一步研究完善。

2.3 地下水

因懸臂掘進(jìn)機(jī)多用于軟質(zhì)巖隧道，圍巖遇水后軟化成泥狀，容易糊住掘進(jìn)機(jī)截割頭，降低開挖工效； 同時，地下水發(fā)育的軟巖隧道溜坍及塌方的風(fēng)險也較高，懸臂掘進(jìn)機(jī)應(yīng)對不良地質(zhì)能力較弱，施工風(fēng)險高，故懸臂掘進(jìn)機(jī)比較適用于地下水不發(fā)育或弱發(fā)育的隧道。參考TB 10003—2016《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》[16]，地下水弱發(fā)育表現(xiàn)的出水狀態(tài)為潮濕或點(diǎn)滴狀出水，圍巖滲水量不大于25 L/(min·10 m)。

2.4 滇西紅層隧道適應(yīng)性分析

通過以上分析，懸臂掘進(jìn)機(jī)適用于圍巖強(qiáng)度適中、圍巖(較)破碎、節(jié)理裂隙(較)發(fā)育以及地下水不(弱)發(fā)育的隧道。

滇西紅層隧道下伏基巖為侏羅系和白堊系的地層，以紫紅色、灰黃色泥巖為主，間夾砂巖層，圍巖強(qiáng)度平均為25～60 MPa，且從秀嶺隧道近5.4 km鉆爆法開挖揭示情況來看，滇西紅層隧道受地質(zhì)構(gòu)造影響強(qiáng)烈，巖體破碎、節(jié)理裂隙較發(fā)育，加之圍巖以泥巖為主，地層具有隔水性，隧道地下水弱發(fā)育。

綜合以上因素分析，認(rèn)為懸臂掘進(jìn)機(jī)對于滇西紅層隧道具有一定的適應(yīng)性，且從調(diào)研情況來看，其施工進(jìn)度要快于鉆爆法施工。為解決小斷面隧道快速施工的難題，并進(jìn)一步驗證懸臂掘進(jìn)機(jī)在滇西紅層隧道的適應(yīng)性，秀嶺隧道進(jìn)口平導(dǎo)先后采用了徐工集團(tuán)生產(chǎn)的EBZ200型及XTR6/260型掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行工藝性試驗。

3 懸臂掘進(jìn)機(jī)法設(shè)計參數(shù)研究

鑒于懸臂掘進(jìn)機(jī)法在破巖機(jī)制、施工機(jī)械設(shè)備配置、施工工藝等方面與鉆爆法差異較大，制定適用于該工法的設(shè)計參數(shù)，實現(xiàn)針對性設(shè)計，已經(jīng)成為保證施工安全、加快施工進(jìn)度的迫切需求。本文基于秀嶺隧道施工圖設(shè)計原則，并結(jié)合懸臂掘進(jìn)機(jī)法特點(diǎn)及工藝性試驗情況，重點(diǎn)對超前地質(zhì)預(yù)報、初期支護(hù)體系、監(jiān)控量測等設(shè)計參數(shù)進(jìn)行研究，具體如下。

3.1 超前地質(zhì)預(yù)報

秀嶺隧道施工圖設(shè)計超前地質(zhì)預(yù)報采取常規(guī)地質(zhì)法、綜合物探法以及超前鉆探相結(jié)合的方法，其中，常規(guī)地質(zhì)法為短距離超前預(yù)報，對開挖掌子面進(jìn)行地質(zhì)素描、加深炮眼等探測；綜合物探超前地質(zhì)預(yù)報包括TSP、紅外線探水、地質(zhì)雷達(dá)等手段。

本次工藝性試驗仍然采用長短結(jié)合的綜合超前地質(zhì)預(yù)報方法，對開挖面前方圍巖情況進(jìn)行預(yù)判。其中，長距離超前地質(zhì)預(yù)報(130 m左右)采用TRT6000進(jìn)行，但對于短距離預(yù)報，由于懸臂掘進(jìn)機(jī)各級圍巖開挖循環(huán)進(jìn)尺長度(一般在6 m以上)均大于原設(shè)計短距離預(yù)報長度，故試驗段短距離預(yù)報以懸臂掘進(jìn)機(jī)銑挖頭一次伸長量0.5 m進(jìn)行，并可在開挖過程中根據(jù)掌子面揭示的圍巖情況隨時調(diào)整1個循環(huán)的掘進(jìn)進(jìn)尺。

鑒于試驗段TRT6000長距離超前地質(zhì)預(yù)報配合掘進(jìn)機(jī)銑挖頭短距離預(yù)報能夠滿足施工的需要，且懸臂掘進(jìn)機(jī)循環(huán)進(jìn)尺較長，故試驗中取消了加深炮孔的施作。

3.2 初期支護(hù)體系

秀嶺隧道進(jìn)口平導(dǎo)原設(shè)計初期支護(hù)采用錨網(wǎng)噴支護(hù)，Ⅲ級圍巖采用全斷面開挖，Ⅳ、Ⅴ級圍巖采用臺階法開挖，其中在Ⅳ級軟質(zhì)巖及Ⅴ級圍巖地段設(shè)置I14型鋼鋼架加強(qiáng)支護(hù)，Ⅴ級圍巖設(shè)置φ42 mm小導(dǎo)管超前支護(hù)。秀嶺隧道平導(dǎo)鉆爆法襯砌斷面及初期支護(hù)參數(shù)分別如圖3和表2所示。為實現(xiàn)圍巖安全穩(wěn)定的前提下加快施工進(jìn)度，同時兼顧考慮懸臂掘進(jìn)機(jī)的設(shè)備特點(diǎn)，本次對懸臂掘進(jìn)機(jī)施工段內(nèi)初期支護(hù)結(jié)構(gòu)及參數(shù)進(jìn)行了研究。

圖3 秀嶺隧道平導(dǎo)鉆爆法襯砌斷面圖(單位： cm)

表2 秀嶺隧道平導(dǎo)鉆爆法初期支護(hù)參數(shù)表

3.2.1 圍巖擾動分析

隧道在開挖過程中，由于應(yīng)力重分布往往將引起周邊圍巖的擾動，圍巖的擾動程度取決于多方面的因素，如開挖方法、巖體力學(xué)特征、初始地應(yīng)力場、裂隙分布等[17]。秀嶺隧道開挖方式主要為鉆爆法和掘進(jìn)機(jī)法，二者對圍巖的損傷或擾動也有所不同。圍巖擾動后，其巖體力學(xué)特征將發(fā)生明顯變化，如聲波波速及水力傳導(dǎo)系數(shù)將發(fā)生改變。已有研究及試驗表明[17]，深埋軟質(zhì)巖隧道掘進(jìn)機(jī)法施工時的聲波波速約為鉆爆法的70%～80%； 同時，采用掘進(jìn)機(jī)開挖時，水力傳導(dǎo)系數(shù)在淺層范圍內(nèi)開始下降，而鉆爆法開挖的水力傳導(dǎo)系數(shù)明顯高于懸臂掘進(jìn)機(jī)開挖。由此可以看出，懸臂掘進(jìn)機(jī)法開挖對圍巖的擾動要低于鉆爆法開挖?；谝陨辖Y(jié)論，為提高工效、加快施工進(jìn)度，本次懸臂掘進(jìn)機(jī)試驗施工時對支護(hù)措施進(jìn)行了減弱性試驗。

3.2.2 噴射混凝土

Q/CR 9653—2017《客貨共線鐵路隧道工程施工技術(shù)規(guī)程》[18]規(guī)定隧道噴射混凝土應(yīng)采用濕噴工藝，但由于平導(dǎo)斷面較小，受作業(yè)空間限制，噴漿機(jī)只能放置于懸臂掘進(jìn)機(jī)二運(yùn)下方已施作底板處，且懸臂掘進(jìn)機(jī)開挖后無法及時退出掌子面，此時噴漿機(jī)距離掌子面22～25 m，超過了濕噴機(jī)的額定噴射距離(20 m)，故平導(dǎo)懸臂掘進(jìn)機(jī)法無法采用濕噴工藝，只能采用干噴工藝，各級圍巖噴射混凝土厚度與原設(shè)計一致。

3.2.3 系統(tǒng)錨桿

秀嶺隧道進(jìn)口平導(dǎo)原設(shè)計系統(tǒng)錨桿為φ22 mm砂漿錨桿，由于采用懸臂掘進(jìn)機(jī)施工，施作系統(tǒng)錨桿需要借用懸臂掘進(jìn)機(jī)大臂上鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)作為操作平臺，作業(yè)空間狹小，施作系統(tǒng)錨桿困難。鑒于在滇西紅層軟巖隧道中設(shè)置系統(tǒng)錨桿的目的在于限制圍巖塑性區(qū)的產(chǎn)生及發(fā)展，盡可能減少圍巖變形，提高圍巖穩(wěn)定性，考慮到懸臂掘進(jìn)機(jī)開挖對圍巖擾動較小，塑性區(qū)范圍相對鉆爆法較小，故本次懸臂掘進(jìn)機(jī)工藝試驗段施工過程中針對Ⅳ級圍巖，進(jìn)行了取消系統(tǒng)錨桿的相關(guān)研究。

為對比分析懸臂掘進(jìn)機(jī)與鉆爆法施工在圍巖變形特征及量值上的差異，本次調(diào)取了秀嶺隧道進(jìn)口平導(dǎo)前期鉆爆法施工段內(nèi)的Ⅳ級圍巖(前期鉆爆法Ⅳ級圍巖施工段均采用了Ⅳ級加強(qiáng)錨噴襯砌，設(shè)置鋼架支護(hù))監(jiān)控量測數(shù)據(jù)。 鉆爆法Ⅳ級圍巖初期支護(hù)監(jiān)控量測情況如圖4所示。

圖4 鉆爆法Ⅳ級圍巖初期支護(hù)監(jiān)控量測情況

由圖4可知: 1)前期鉆爆法Ⅳ級圍巖施工段內(nèi)，初期支護(hù)沉降及收斂變形在量值上差異不大，其中最大沉降值約為23 mm，沉降值集中為5～15 mm； 2)最大收斂值約為25 mm，收斂值集中為4～16 mm，前期施工段的圍巖變形均處于設(shè)計及相關(guān)規(guī)范允許的閾值范圍內(nèi)。

以前期鉆爆法施工段圍巖變形情況為基準(zhǔn)，為研究確定懸臂掘進(jìn)機(jī)施工取消系統(tǒng)錨桿的可行性，本次選取了進(jìn)口平導(dǎo)PDK42+577～+582段5 m進(jìn)行取消系統(tǒng)錨桿試驗。該段圍巖級別為Ⅳ級，工程地質(zhì)條件與前期鉆爆法Ⅳ級圍巖施工段差異不大，且其余支護(hù)措施與鉆爆段一致。該段施工完成后，監(jiān)控量測情況如圖5所示(量測斷面位于PDK42+580)。

(a) 沉降變形

(b) 收斂變形

由圖5可知: 在取消系統(tǒng)錨桿條件下，PDK42+577～+582段拱頂沉降累計為5.5 mm，邊墻收斂累計為6.6 mm，該量值均滿足允許變形量的要求，且處于鉆爆段變形量值區(qū)間下限值附近，說明在Ⅲ、Ⅳ級圍巖條件下取消系統(tǒng)錨桿是可行的。

3.2.4 鋼架

為縮短工序時間、提高工效、降低工程投資，并進(jìn)一步驗證懸臂掘進(jìn)機(jī)圍巖擾動小的優(yōu)點(diǎn)，本次在取消系統(tǒng)錨桿的前提下，再次對Ⅳ級圍巖條件下加大鋼架間距進(jìn)行了試驗研究。

與取消系統(tǒng)錨桿試驗同理，本次選取了進(jìn)口平導(dǎo)PDK40+840～+860段20 m進(jìn)行試驗。該段圍巖巖性主要為紫紅色泥巖，巖體較破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，無水，為Ⅳ級圍巖。原設(shè)計采用Ⅳ級錨噴加強(qiáng)襯砌，拱墻設(shè)置I14型鋼鋼架加強(qiáng)支護(hù)，間距為1.2 m/榀。本次試驗將鋼架間距加大至1.5～2 m/榀，除取消系統(tǒng)錨桿外其余支護(hù)措施與原設(shè)計一致。該段施工完成后，監(jiān)控量測情況如圖6所示(量測斷面位于PDK40+850)。

(a) 沉降變形

(b) 收斂變形

由圖6可知: 在取消系統(tǒng)錨桿并加大鋼架間距條件下初期支護(hù)變形明顯增大，PDK40+850試驗斷面拱頂沉降累計為9.1 mm，邊墻收斂累計為8.5 mm，但該量值仍滿足允許變形量的要求，且處于鉆爆段變形量值區(qū)間范圍內(nèi)，說明在Ⅲ、Ⅳ級圍巖條件下取消系統(tǒng)錨桿并加大鋼架間距是可行的。

基于以上試驗結(jié)論，為加快施工進(jìn)度、提高工效、降低成本，懸臂掘進(jìn)機(jī)在施工段內(nèi)按照試驗措施進(jìn)行了施工，即Ⅲ、Ⅳ級圍巖取消了系統(tǒng)錨桿，且Ⅳ級圍巖條件下鋼架間距調(diào)整為1.5～2 m。懸臂掘進(jìn)機(jī)Ⅳ級圍巖初期支護(hù)監(jiān)控量測情況如圖7所示。

由圖7可知： 1)懸臂掘進(jìn)機(jī)施工段Ⅳ級圍巖初期支護(hù)最大沉降值約為23 mm，沉降值集中為3～13 mm； 2)最大收斂值約為17 mm，收斂值集中為3～13 mm。

圖7 懸臂掘進(jìn)機(jī)Ⅳ級圍巖初期支護(hù)監(jiān)控量測情況

根據(jù)同等圍巖條件下鉆爆法與懸臂掘進(jìn)機(jī)施工后的監(jiān)控量測反饋信息，懸臂掘進(jìn)機(jī)施工段累計沉降及收斂值量值區(qū)間位于鉆爆法施工段量值區(qū)間范圍內(nèi)，且最大收斂值要低于鉆爆法，進(jìn)一步驗證了懸臂掘進(jìn)機(jī)施工對圍巖擾動小，斷面成型好，圍巖自穩(wěn)能力強(qiáng)，支護(hù)效果較好，取消系統(tǒng)錨桿及加大鋼架間距能夠滿足安全、快速施工的需求。

綜上，本次對秀嶺隧道平導(dǎo)懸臂掘進(jìn)機(jī)法施工段Ⅲ、Ⅳ級圍巖的初期支護(hù)進(jìn)行了優(yōu)化，最終形成懸臂掘進(jìn)機(jī)法襯砌斷面及初期支護(hù)參數(shù)分別如圖8和表3所示。

圖8 秀嶺隧道平導(dǎo)懸臂掘進(jìn)機(jī)法襯砌斷面圖(單位： cm)

3.3 監(jiān)控量測

為監(jiān)測各施工階段圍巖和支護(hù)動態(tài)，確保施工安全，并為調(diào)整初期支護(hù)設(shè)計參數(shù)提供依據(jù)，體現(xiàn)信息化設(shè)計，本次試驗段施工嚴(yán)格進(jìn)行了凈空水平收斂及拱頂下沉的監(jiān)控量測工作。鑒于懸臂掘進(jìn)機(jī)采用機(jī)械開挖，圍巖擾動小，其支護(hù)措施較同等圍巖鉆爆法進(jìn)行了減弱。為確保安全，試驗段量測斷面布置以及量測頻率與Q/CR 9218—2015《鐵路隧道監(jiān)控量測技術(shù)規(guī)程》[19]相關(guān)規(guī)定有所差異，具體如下。

表3 秀嶺隧道平導(dǎo)懸臂掘進(jìn)機(jī)法初期支護(hù)參數(shù)表

3.3.1 量測斷面布置

本次懸臂掘進(jìn)機(jī)試驗段監(jiān)控量測方案： 各斷面布置1個拱頂下沉點(diǎn)和1條凈空水平收斂量測測線，量測斷面的間距根據(jù)圍巖類別確定。初期支護(hù)監(jiān)控量測斷面布置如表4所示。

表4 初期支護(hù)監(jiān)控量測斷面布置表

3.3.2 量測頻率

本次懸臂掘進(jìn)機(jī)試驗段初期支護(hù)監(jiān)控量測頻率如表5所示。

表5 初期支護(hù)監(jiān)控量測頻率表

通過秀嶺隧道進(jìn)口平導(dǎo)EBZ200型及XTR6/260型懸臂掘進(jìn)機(jī)近800 m的試驗施工，表明懸臂掘進(jìn)機(jī)對于滇西紅層隧道具有較好的適應(yīng)性。此后，秀嶺隧道進(jìn)口平導(dǎo)按照試驗確定的設(shè)計參數(shù)采用懸臂掘進(jìn)機(jī)繼續(xù)施工2 560 m，直至穿越隧道滇西紅層段落。

4 懸臂掘進(jìn)機(jī)與鉆爆法對比分析

鑒于懸臂掘進(jìn)機(jī)對于滇西紅層隧道具備良好的適應(yīng)性，其與鉆爆法在該類地層下的選擇成為一大問題，本文將進(jìn)一步分析研究懸臂掘進(jìn)機(jī)與鉆爆法的優(yōu)劣以及差異，具體如下。

4.1 經(jīng)濟(jì)性

根據(jù)秀嶺隧道進(jìn)口平導(dǎo)施工圖概算指標(biāo)，并結(jié)合懸臂掘進(jìn)機(jī)非爆破開挖隧道預(yù)算定額測定情況，對懸臂掘進(jìn)機(jī)近3.4 km施工段較鉆爆法施工的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行對比分析。鉆爆法與懸臂掘進(jìn)機(jī)單項概算對比如表6所示。

由表6可知: 懸臂掘進(jìn)機(jī)與鉆爆法在單項概算上僅開挖存在差異，各級圍巖條件下懸臂掘進(jìn)機(jī)開挖單價為鉆爆法的4～5倍。

雖然懸臂掘進(jìn)機(jī)開挖單價較高，但鑒于懸臂掘進(jìn)機(jī)對支護(hù)措施進(jìn)行了減弱，為得出2種工法在投資上的量化指標(biāo)差異性，本次基于上述單項概算指標(biāo)，并結(jié)合秀嶺隧道進(jìn)口平導(dǎo)各類襯砌延米工程數(shù)量，得出了2種工法在各級圍巖條件下的延米綜合概算指標(biāo)。鉆爆法與懸臂掘進(jìn)機(jī)延米概算指標(biāo)對比如表7所示。

表6 鉆爆法與懸臂掘進(jìn)機(jī)單項概算對比表

表7 鉆爆法與懸臂掘進(jìn)機(jī)延米概算指標(biāo)對比表

由表7可以得出: 各級圍巖懸臂掘進(jìn)機(jī)延米概算指標(biāo)均高于鉆爆法，其中,Ⅲ級圍巖高出43.4%，Ⅳ級圍巖高出20.4%，Ⅴ級圍巖高出23.4%。

秀嶺隧道進(jìn)口平導(dǎo)懸臂掘進(jìn)機(jī)施工段內(nèi)Ⅲ級圍巖共計200 m，Ⅳ級圍巖共計3 070 m，Ⅴ級圍巖共計90 m。根據(jù)上述延米概算指標(biāo)，對懸臂掘進(jìn)機(jī)與鉆爆法施工總投資進(jìn)行對比分析，結(jié)果如表8所示。

表8 鉆爆法與懸臂掘進(jìn)機(jī)投資對比表

綜上所述，懸臂掘進(jìn)機(jī)開挖單價較鉆爆法高，且早期設(shè)備投資較高，在不考慮工期前提下，經(jīng)濟(jì)性較鉆爆法差。

4.2 施工進(jìn)度

通過秀嶺隧道進(jìn)口平導(dǎo)懸臂掘進(jìn)機(jī)近3.4 km的施工，較鉆爆法而言，其在滇西紅層隧道施工中體現(xiàn)出明顯的進(jìn)度優(yōu)勢，特別對于Ⅳ級圍巖，進(jìn)度較鉆爆法提高了近67%。鉆爆法與懸臂掘進(jìn)機(jī)施工進(jìn)度對比如表9所示。

表9 鉆爆法與懸臂掘進(jìn)機(jī)施工進(jìn)度對比表

秀嶺隧道進(jìn)口平導(dǎo)懸臂掘進(jìn)機(jī)施工段內(nèi)Ⅲ級圍巖共計200 m，Ⅳ級圍巖共計3 070 m，Ⅴ級圍巖共計90 m。采用懸臂掘進(jìn)機(jī)施工，較鉆爆法節(jié)約工期共計14.2個月，極大緩解了秀嶺隧道的工期壓力。

4.3 施工安全質(zhì)量

隧道采用懸臂掘進(jìn)機(jī)施工，開挖輪廓成型好，超欠挖控制好，減少了初期支護(hù)脫空的質(zhì)量隱患；加之初期支護(hù)與巖面密貼性好，支護(hù)效果較好，圍巖變形相對小，且避免了火工品的使用，消除了安全隱患。但對于塌方、突涌風(fēng)險高以及軟巖大變形等復(fù)雜地質(zhì)條件下，懸臂掘進(jìn)機(jī)超前預(yù)加固能力弱、靈活性差，施工風(fēng)險相對鉆爆法較高。

4.4 圍巖適應(yīng)性

懸臂掘進(jìn)機(jī)對圍巖強(qiáng)度及完整性比較敏感，若圍巖整體性好、節(jié)理裂隙不發(fā)育、強(qiáng)度高，則難以發(fā)揮懸臂掘進(jìn)機(jī)優(yōu)勢，如在秀嶺隧道PDK42+080～+135段懸臂掘進(jìn)機(jī)施工過程中，隧道左側(cè)拱部遇到青灰色砂巖，圍巖強(qiáng)度達(dá)到110 MPa，此時懸臂掘進(jìn)機(jī)無法正常向前掘進(jìn)，現(xiàn)場采取對硬巖段鉆爆法處理通過，施工進(jìn)度遲緩。

4.5 作業(yè)環(huán)境

懸臂掘進(jìn)機(jī)由于其工作特性，掘進(jìn)過程中持續(xù)產(chǎn)生粉塵，且受掘進(jìn)機(jī)設(shè)備限制無法進(jìn)行濕噴作業(yè)，洞內(nèi)作業(yè)環(huán)境較差，將極大地影響作業(yè)人員的職業(yè)健康和工作效率，如何有效地通風(fēng)降塵成為關(guān)鍵。為保障作業(yè)環(huán)境，秀嶺隧道懸臂掘進(jìn)機(jī)施工中配套采用了濕式除塵風(fēng)機(jī)以及濕式除塵器，雖采取一系列通風(fēng)降塵措施，但由于懸臂掘進(jìn)機(jī)作業(yè)過程中散熱量大，以及粉塵處理不徹底，作業(yè)環(huán)境依然相對較差。

5 結(jié)論與建議

1)通過大瑞鐵路秀嶺隧道進(jìn)口平導(dǎo)的工藝性試驗以及長距離應(yīng)用，充分證明了懸臂掘進(jìn)機(jī)在滇西紅層小斷面隧道施工中具備效率高、進(jìn)度快、圍巖安全穩(wěn)定的優(yōu)勢，可在滇西紅層以及類似地層小斷面隧道施工中推廣應(yīng)用。

2)制定了適用于滇西紅層小斷面隧道懸臂掘進(jìn)機(jī)法的設(shè)計參數(shù)，包括綜合超前地質(zhì)預(yù)報措施、初期支護(hù)體系以及監(jiān)控量測布置方法，其中初期支護(hù)相比較鉆爆法，可取消Ⅲ、Ⅳ級圍巖系統(tǒng)錨桿，并可加大Ⅳ級圍巖型鋼鋼架間距。

3)懸臂掘進(jìn)機(jī)早期投資較鉆爆法高，且各級圍巖條件下開挖單價為鉆爆法的4～5倍，但其進(jìn)度優(yōu)勢明顯，特別對于Ⅳ級圍巖，進(jìn)度較鉆爆法提高近67%。

4)懸臂掘進(jìn)機(jī)作業(yè)環(huán)境差，建議下步從掘進(jìn)機(jī)設(shè)備配套入手，減少掘進(jìn)機(jī)散熱量，并重點(diǎn)對通風(fēng)除塵工裝進(jìn)行研究，保障洞內(nèi)施工作業(yè)環(huán)境。

5)懸臂掘進(jìn)機(jī)通過圍巖軟硬不均的地段，往往采用鉆爆法對硬質(zhì)巖進(jìn)行提前處理，此時懸臂掘進(jìn)機(jī)與鉆爆法之前的工序及施工組織轉(zhuǎn)換成為制約施工進(jìn)度、安全的關(guān)鍵，即懸臂掘進(jìn)機(jī)施工軟硬不均地層是下步研究的重點(diǎn)。

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