贾志亮
中铁二局第二工程有限公司 四川 成都 610000
发《城镇建设》2020年30期
摘要：悬臂掘进机是综合机械化掘进设备，可用于复杂地形的掘进施工。本文结合工程实例，分析悬臂掘进机在城市地铁中的施工应用，通过对比不同的地铁隧道开挖方式，分析悬臂掘进机的应用优势，并且探讨其实用应用要点，期望为相关工程研究提供参考。
关键词：悬臂掘进机；地铁施工；钻爆法
引言
地铁是缓解城市交通压力，提升出行效率的重要手段。随着我国城市化的进行，地铁逐渐增多，对于城市发展区的重要性更加凸显。在传统的地铁隧道施工中，钻爆法应用广泛，但是该方法振动大、噪声大，施工控制难度较大，对周边环境造成明显的影响。相比而言，悬臂掘进机可用于复杂地铁的掘进施工，该方法扰动较小，施工速度快，适用于繁华地区的隧道开挖。悬臂掘进机是一种综合机械化掘进设备，能够实现截割、装载运输、喷雾除尘一体化，有效提升施工效率，具有广泛的应用前景[1]。
1 工程概况
1.1 工程概况
某地铁工程全长742.525m，隧道埋深约20～25m，断面面积约为45m2，暗挖段按新奥法原理设计，采用复合式衬砌结构，矿山法施工。
1.2 地质情况
该区间隧道穿越岩层主要有砂岩、砂质泥岩、粉质黏土和素填土，隧道围岩主要以IV、V级围岩为主，左线隧道IV级围岩占85.64%，右线隧道IV级围岩占79.46%。
区间隧道所处原始地貌属构造剥蚀丘陵地貌，经后期人类活动，原始地形、地貌已基本不复存在，现状地形第四系覆盖层多为人工填土，基岩为主要砂质泥岩和砂岩，含水微弱。勘察区无断裂构造发育，地质构造较简单，岩层产状290～305°∠45°～55°，其优势产状约305°∠50°，层间结构面结合较差，属软弱结构面根据沿线地下水的赋存条件、水理性质及水力特征，沿线地下水可划分为第四系松散层孔隙水，碎屑岩类孔隙裂隙水。
1.3 施工重难点
从该地铁隧道工程来看，该地铁轨道周边环境复杂，施工风险较大。从地铁施工情况来看，地铁隧道暗挖区间需要通过市政道路等复杂环境，施工风险高。在隧道施工过程中，如果采用传统的爆破施工，对周边环境的干扰较大。由于地铁施工段需要经过人流量大的区域，爆破施工扰动大，容易引发市民强烈反应。同时该地段的地下管线复杂、地质环境复杂，为了在不影响相关设施的情况下保证施工效率，施工方式的选择难度较大。悬臂掘进机具有在复杂地形中快速施工的优点，可以应用于该工程中。
2 悬臂掘进机的应用优势
2.1 悬臂掘进机应用原理
悬臂掘进机主要是采用旋转的截齿刀头进行开挖，同时能够将破碎岩体装载运输的综合性设备。悬臂掘进机常用于矿产开采中，适用于相对复杂的地下施工。悬臂掘进机综合围岩切割、自动装运、喷雾灭尘于一体，施工灵活而且效率快，对环境干扰较小。在悬臂掘进机装机到位后，其掌子面底部切削出现一条槽，向前移动的过程中，切割头会采用自下而上的方式开始循环切削。在将岩石切斜破碎之后，将切削后的破碎岩石装载进入运输机内，然后通过碴车运输出洞外。根据岩石的硬度可以选择不同的截齿，小直径的切割头破碎能力强，掘进速度快；大直径的切割头的切割能力更强。
2.2 不同开挖方式对比
根据工程情况，可以选择钻爆法施工和悬臂掘进机施工，两种施工方案的对比如下：（1）钻爆法施工，该方法是地铁隧道开挖的常用方法，主要的施工流程包括钻孔、装药、爆破，施工流程相对简单，成本较低；由于钻爆法需要使用炸药，因此需要严格控制炮眼布置方法、炮眼位置以及周边的地质条件，钻爆法爆破过程震动较大，震动速度快，会对周边环境造成强大的冲击力，严重可能会出现坍塌，如果在繁华地带使用钻爆法，可能会导致地质结构出现改变，具有较大的安全隐患，钻爆过程会产生大量粉尘，对周围空气具有影响，也会产生较大的噪声；（2）悬臂掘进机施工，悬臂掘进机主要采用机械切割与装运的方式进行施工，该方法适用于围岩强度≤40MPa的区域施工，相比于钻爆法，悬臂掘进机的施工流程比较复杂，对于设备的要求高，对于地形复杂、地质较软的地段，悬臂掘进机的适用性较强，施工过程的切割也会产生噪声，但是随着机械制造精细化水平的发展，所产生的噪声越来越小，该方法将切削、装运以及喷雾灭尘于一体，可以有效地减少粉尘污染，减少对周围环境的影响。综合对比两种施工方法，爆破法施工简单，应用范围宽广，施工成本低；悬臂掘进机的施工相对复杂，对周围环境的干扰较小，但是对于设备的要求高。两种方法各有优缺点，可适用于不同地段的隧道开挖，为了减小对环境的污染，降低施工风险，可选用悬臂掘进机作为主要的施工方案[2]。
3 悬臂掘进机施工技术
3.1 施工流程与施工要点
悬臂掘进机的施工包括开挖、出碴、控尘等工序，具体的施工技术如下：（1）开挖，悬臂掘进机采用台阶法分部开挖的方式进行施工，首先对地形地质进行分析，通过试验了解围岩强度，选择合适的悬臂掘进机和刀头，在设备到位后装机，由于挖掘空间较小，需要确保悬臂掘进机履带前缘和掌子面的距离≥6m，停靠落脚点与开挖顶部的掌子面≥5m，采用短台阶的方式进行掘进开挖，结合地质条件、施工方案以及施工范围选择台阶施工方案的长度以及断面尺寸，从底部从下往上开挖；开挖过程中，需要严格控制断面超前挖，由于无法实现对掘进机开挖进行不间断测量，需要采用施工控制网进行开挖施工控制，由激光指向仪进行指引施工；（2）出碴，悬臂掘进机掘进过程中的扒碴能力较弱，为了提高施工效率，可以将碴置于周边部分，施工结束后利用切削鼓进行出碴作业；在本工程中，由于地层地下水渗入较少，可以采用二次运输的方式进行，如果地下水渗水严重，可以配置小型挖掘机进行出碴作业，提升施工效率，保障施工进度[3]；（3）控尘，悬臂式掘进机的控尘是其施工特点，在开挖以及出碴过程中，均会产生大量粉尘，可以采用通风和喷淋等方式进行控制，施工过程中如果只采用通风控尘，会导致隧道内的粉尘浓度聚集，高粉尘会影响施工效率，也会对施工人员身心健康产生不良影响，在悬臂掘进机切割头装设喷淋设备，同时洞口加装密目网、防尘棚控制粉尘，能够降低粉尘对周围环境的影响，也能够减少粉尘带来的施工影响。
3.2 现场监控
本工程地下环境复杂，为了确保施工顺利进行，需要采用现场监控的方式，及时了解施工情况，优化施工控制。根据隧道施工情况，选取相应的施工点，对地表沉降、水平收敛和拱顶沉降进行监测，现场监控的方式如下：（1）地表沉降，在地面开孔，并且打入螺纹钢筋，将螺纹钢筋顶部磨成椭圆形，采用细砂和木屑将钢筋周围夯实，监测地面沉降的影响，为了避免周围环境的影响，需要加上铁盖保护，检测频率为2天1次，控制地表沉降≤3mm/d，累计值≤30mm；测量可知施工前期地表沉降速度较快，后期沉降速度逐渐趋于稳定；（2）水平收敛，采用水平收敛计进行水平收敛观察，采用格栅上焊接成对挂钩的方式埋设水平收敛仪，控制地表沉降≤2mm/d，累计值≤10mm；施工20d后水平收敛逐渐平缓，稳定性增加，施工期间水平收敛都在合理范围内；（3）拱顶沉降，采用钻孔的方式预埋，合理选择观测点，通过在拱顶观测处埋设反光膜片，采用全站仪进行观测，控制地表沉降≤3mm/d，累计值≤20mm；经测量可知，拱顶沉降前期变化较大，采用初期支护后拱顶沉降明显平缓，拱顶沉降累计值为7.2mm，在合理的范围内。
3.3 综合效果评价
从本工程的隧道开挖可知，悬臂掘进机的震动较小，噪声低，可以精确控制开挖面，所挖掘得到的石头也可以作为填料重复利用。悬臂掘进机应用于地铁隧道开挖，能够有效降低隧道施工风险，避免落石、塌方等安全风险，也可能提升机械化程度，提升施工效率。在隧道开挖过程中，悬臂掘进机在遇到市政道路、建筑物、桥梁等区域时，能够顺利穿过，在确保施工安全的同时，施工质量也得到保障。因为悬臂掘进机集合切割、装碴和控尘于一体，既能够提升施工进度，减少施工成本，也能够控制施工粉尘，减少对环境造成的污染，优化现场施工环境。
4 结语
地铁是城市交通的重要组成部分，在城市化进程中发挥着重要的作用。相比于钻爆法等隧道开挖方法，悬臂掘进机具有施工安全、施工振动小、对周围环境造成污染小等，而且施工进度快，在地铁施工中具有广泛的应用前景。但是悬臂掘进机施工影响因素较多，施工局限性较大。努力推动悬臂掘进机的使用，需要不断优化施工方案，改进悬臂掘进机的机械精细化程度，总结出能够适用于不同地段、不同地质条件的悬臂掘进机技术，更好发挥悬臂掘进机的技术优势，推动我国地铁工程的发展。
参考文献
[1] 高生苗．临近既有线隧道铣挖法施工技术研究[J]．北方交通，2017(07):153-156．
[2] 张慧鹏.城市复杂地质条件下隧道掘进机选型[J].城市建设理论研究：电子版，2013（2）：36
[3]欧兵，何波，廖梓屹．悬臂式掘进机在武引二期工程隧道施工中的应用[J] 四川建材，2017，43(04):176+178
作者简介：
贾志亮（1986一）男，汉族，西南科技大学本科，工程师，主要从事项目全面管理工作。