杜铖
中铁六局集团有限公司交通工程分公司 100000
摘要：本文对悬臂掘进机的优势，在邻近营业线的铁路隧道施工中可行性以及在铁路隧道施工中的开挖方案、机械化配套方式、施工中的辅助工艺进行了分析并提出了具体实现方式。并对钻爆法与掘进机法技术安全、质量、进度和经济比较，可从在研究邻近营业线隧道非爆破开挖方案时参考。
关键词：悬臂掘进机；邻近营业线；铁路隧道；施工方案
1引言
20世纪70年代，我国开始引进国外悬臂式掘进机运用于煤矿开采中，以煤矿巷道掘进为代表，悬臂掘进机在煤矿地下巷道施工中得到广泛应用。总而言之，非爆破开挖技术在中国地下工程实践中得到了长足的发展。悬臂掘进机在我国煤矿部门得到了大力的推广应用，而在交通隧道施工中应用的事例寥若晨星，之所以它在交通隧道施工中得不到推广应用，主要原因在于悬臂掘进机一次开挖断面受限，对围岩的适应性差以及其他经济技术方面的原因。在国外，悬臂掘进机在交通隧道施工中得到了大量应用，悬臂掘进机因其调动灵活、可靠性强、成本较低、效率高，因而在英国、德国、奥地利、日本、澳大利亚得到了大量的研究、开发与应用。
2工程概况及掘进机施工背景
2.1 工程概况
新建新友谊隧道起止里程为DK325+685～DK326+365，全长680m，其中V级围岩82m、Ⅳ级围岩598m，为单线隧道。既有友谊隧道起始里程为K325+749～K326+365，全长616m，衬砌类型均为直墙，经现场实际勘测既有友谊隧道与新友谊隧道线间距为28～60米。其中既有隧道自K325+827～K326+365段共计538m与新建新友谊隧道DK325+809～DK326+365段共计556m线间距在42m范围，新建隧道采取控爆方法开挖，为确保既有铁路运营安全，新建隧道开挖前，需先对既有隧道采取I12.6型钢钢架进行加固，并对既有隧道衬砌存在病害部位进行注浆进行加固。
本工程位于云南省昆明市晋宁县昆阳镇境内，属月河阶地丘陵区，海拔1910~1988m，地形起伏较大。隧道进、出口主要为强风化砂岩夹泥岩及膨胀土，埋深较浅，隧道出口处有一天然气管道，施工前需对该管道进行迁移。
2.2 掘进机施工背景
（1）新友谊隧道全长680m，其中有556m紧邻既有铁路隧道施工，为确保既有铁路运营安全而寻求一种对围岩扰动更小，更为安全的施工工法。
（2）既有隧道加固为营业线施工，营业线施工难度大、施工安全风险高，对既有铁路运营造成一定的安全隐患。
（3）新友谊隧道主要为弱风化砂岩夹泥岩夹砾岩，岩石强度不大于70Mpa，隧洞断面较小，通过前期考察，满足采用悬臂式掘进机施工要求。?
（4）掘进机技术发展迅速，未来必将广泛的应用，为积累掘进机施工经验和技术，考虑采用掘进机施工。
3 悬臂掘进机法与钻爆法施工比较
TBM法与钻爆法的优劣有很多专家学者对此做过一些论述，硬岩掘进机同钻爆法在投入上、技术上难以比拟。而悬臂掘进机法与钻爆法施工可比性强，其最大的区别在于前者采用非爆破作业，后者采用爆破作业，其他工序基本相同。
4 悬臂掘进机对围岩的适应性
隧道围岩的可掘性可以从围岩的单轴抗压强度、节理裂隙发育程度、岩石的耐磨性等指标来衡量，单从围岩单轴抗压强度来看，目前悬臂掘进机可掘进的岩石单轴抗压强度达到150Mpa，悬臂掘进机掘进合理的岩石单轴抗压强度应在100Mpa以下，经济使用范围为80Mpa以下。
对软弱围岩，采用掘进机施工，对围岩自身的稳定性及防止隧道塌方，加快隧道施工进度优势十分明显。
5 悬臂掘进机的选型
国内外生产悬臂掘进机的厂家很多，国内主要有佳木斯煤矿机械厂、大连家瑞集团金恒达机电科技有限公司等生产，国外主要有德国、日本、英国、法国、奥地利等一些国家厂商生产。
悬臂掘进机的选型关键要紧密结合隧道的地质条件，岩石单轴抗压强度在50Mpa～100Mpa之间，应选用重型悬臂掘进机，即截割头功率在160kW以上的悬臂掘进机，如EBZ200R、EBZ230、EBZ260型号；岩石单轴抗压强度在50Mpa以下，可选用轻型悬臂掘进机，即截割头功率在100kW以下，如EBZ90、EBZ75型号。
由于交通隧道与煤矿巷道有着不同的条件，在交通隧道施工中，应选用截割功率在200kW以上的重型悬臂式掘进机，以提高掘进机对围岩的适应性及对一次开挖断面的要求，以期实现能掘进围岩单轴抗压强度在100Mpa以下的隧道掘进，一次定位开挖宽度×高度达到6m×5m左右，以提高功效。对于交通隧道的平行导坑施工选用掘进机更有其技术优势，一次定位即可实现全断面开挖，选型时，除了要考虑围岩的可掘性外，还应考虑设备的外形尺寸与作业空间要求。
从岩石的单轴抗压强度以及本隧道的断面大小综合考虑，最终选用EBZ260型悬臂掘进机进行隧道开挖。
6 铁路隧道采用悬臂掘进机施工方案
6.1 开挖方法
6.1.1 开挖分步
受掘进机一次掘进高度影响，铁路隧道可采用两步台阶法开挖。上部断面一次开挖高度在5m左右，具体开挖高度应结合地质、所选型的掘进机技术参数以及隧道本身断面大小等因素来确定，一台掘进机移动一次即可满足开挖宽度要求。下台阶也可采用悬臂掘进机施工，也可采用其他办法开挖跟进。根据国外工程实践，一般采用长台阶法施工，台阶长度为50～100m左右，对地质条件差的隧道，也可采用中长台阶或短台阶法施工。
铁路隧道施工中由于受《安全步距关于进一步明确软弱围岩及不良地质隧道设计施工有关技术规定的通知铁建设2010第120号文》限制，同时结合设备的外形尺寸与作业空间要求，故本隧道施工采用中长台阶法施工，台阶长度控制在35m左右。
6.1.2 切割方法
为了确保隧道开挖断面圆顺，控制超欠挖，一般应先开挖初步断面，然后进行二次修整以达到准确的设计断面，切削采取自下而上、左右循环。
软岩：先进行拱部环形开挖，然后进行上台阶下部开挖，上台阶开挖完毕，立即初喷一层3～5cm混凝土进行封闭，然后进行锚杆、钢筋网、钢架等施工。对于富水隧道，应利用超前管棚注浆再进行掘进。
中硬岩：采取自下而上、自左至右，最后进行拱部环形开挖，开挖完成后立即初喷一层3～5cm混凝土进行封闭，然后进行锚杆、钢筋网、钢架等施工。依次循环，一次开挖进尺V级围岩上台阶控制在1榀拱架间距、下台阶控制在2榀拱架间距。
软岩及中硬岩，一次开挖进尺V级围岩上台阶控制在1榀拱架间距，IV级围岩控制在2榀钢架间距。
硬岩：由中间向外逐渐扩大，近似同心岩掘进，上台阶一次开挖完毕，开挖完成后立即按设计支护参数进行施作，一次进尺一般为3m～3.5m。当断面遇有局部硬岩时，可先掘周围软岩，使大块硬岩坠落，以减少掘进难度及截齿消耗。
6.2 机械化配套
在采用掘进机开挖的铁路隧道中，根据隧道的断面大小和长度因素既可采用有轨运输，也可采用无轨运输方式。有轨运输配套方案可采用悬臂掘进机开挖，电瓶车牵引。无轨运输配套方案可采用悬臂掘进机开挖，通过第二皮带机转载，大型自卸轮胎运输车出砟或直接采用装载机配合自卸车出砟。下半断面采用悬臂掘进机开挖，有轨运输时用立爪式趴砟机装砟，电瓶车运输；无轨运输时，采用挖掘、装载机装砟，自卸车外运的方法。
6.3 施工用电
重型悬臂掘进机机器供电电压为一般在660V～1140V之间，同一般隧道机械工作电压有区别，但只要洞口有10kVA供电变电站，即可满足要求。
6.4 通风防尘
洞内采取两个通风管道，组成送、抽风循环回路，同时掘进机设备自带喷淋装置，可以有效的降低隧道内的粉尘。洞口出风管口通过自制的喷淋装置，将抽出洞外的粉尘进行雾化，同时在隧道洞顶设置一雾炮机，将洞内流出洞外粉尘进行雾化，确保洞内外空气满足要求。
7 安全、质量、进度分析
7.1安全分析?
安全文明施工方面，采用钻爆法施工对围岩扰动大，对既有铁路运营造成较大安全隐患，同时对周边居民生活影响较大；而悬臂掘进机施工对围岩基本无扰动，可以确保既有铁路的运营安全，同时噪声小，安全性相对较高，能有效减小对周边居民的扰动。
7.2 质量分析
在工程质量方面，采用掘进机方案施工，对地层扰动小，开挖断面成型规则，洞壁光滑美观，开挖成型面质量好，超欠挖小。钻爆法施工对岩层扰动较大，不宜控制超欠挖。
7.3 进度分析
7.3.1 悬臂掘进机开挖方案
上台阶每循环进尺2.4m（IV级围岩、钢架间距1.2m），开挖、出渣时间每循环约10～12小时，钢架、锚杆、钢筋网片、锁脚锚管施工等约需3～4小时，喷射混凝土约需3～4小时，上台阶综合循环时间为16～20小时每循环；下台阶每循环进尺2.4m，开挖、出碴时间每循环（双侧）约4～5小时，钢架、锚杆、钢筋网片、锁脚锚管施工等约需2～3小时，喷射混凝土约需3～4小时，下台阶综合循环时间为9～12小时每循环。每个月按30天计算，根据上、下台阶循环时间，上台阶施工约23～28个循环，进尺合计55～67m；下台阶施工约23～29个循环，进尺合计约55～69m。综合每个月掘进指标约60m，隧道贯通大概需要9个月。
7.3.2 采取控爆方案
首先需对既有隧道进行加固，既有隧道加固需在天窗点内实施，根据阳安铁路现状，每周最多3个天窗点，每个月按30天计，最多13个天窗点时间，每个天窗点90分钟，按每个天窗点加固3榀拱架，合计3m，每个月最多加固39m，新建隧道掘进相应最多39m，同时，后期还有对已架设的钢拱架进行拆除，既有线施工难度大，施工安全风险高，隧道贯通大概需要13个月。
综合比较，采取掘进机开挖具有快速、连续作业、机械化程度高安全等优势，可大大缩短施工工期，加快工程进度。
8 成本分析
8.1 原钻爆方案发生的开挖费用
（1）既有隧道加固费：劳务分包费+料费=378+50=428万元
（2）既有线施工防护费：4*10000*13=52万元
（3）既有线施工配合费：4*20000*13=104万元
（4）火工品及服务费：（总计用炸药约70T）300万元
（5）开挖费用：97*37636+14682*85=365万元
（6）天然气管道改迁费80万元
（7）村民可能造成的索赔30万元
以上总计发生费用：1359万元
8.2 租赁EBZ260悬臂式掘进机开挖方案发生的费用：
（1）设备调遣费：35万元；
（2）设备配套的变压器的增容增压费40万元；
（3）设备配套电缆费800*300=24万元
（4）设备租赁费：40万元/月;9*400000=360万元
（5）截齿磨耗费：100元/m3 *37636=376万元；
（6）通风机增容费：20万元
（7）电费：450*1.2*8*0.9*30=116.6万元
（8）节约喷射砼：24*538*0.10*600=77万元
以上总计发生费用1048.6万元
通过以上比选，租赁EBZ260悬臂式掘进机施工方案比钻爆方案节约开挖费用310.4万元。
9 结论
（1）在铁路隧道施工中推广应用悬臂掘进机，技术成熟，经济合理，快速高效，特别适应周边有建（构）筑物、铁路营业线等要求扰动小，长隧道平行导坑、隧道台阶法开挖。对瓦斯隧道更有其适应性。
（2）可结合工程实践，进一步开展钻爆法与悬臂掘进机法对围岩稳定性、支护结构受力的影响等项目测试分析，以完善在邻近既有铁路隧道的新建隧道开挖工法的技术指标统计与分析
参考文献：
1.田原.悬臂式掘进机导航技术现状及其发展方向[J].工矿自动化，2017，43（08）：37-43.