紧邻高铁小间距隧道悬臂掘进机开挖技术

紧邻高铁小间距隧道悬臂掘进机开挖技术

张成武

中铁二十四局集团浙江工程有限公司 浙江杭州 310009

摘 要 随着铁路网的高速发展及不断完善，邻近铁路既有线工程项目越来越多，对邻近既有线施工的要求也越来越高，施工的安全控制是关键，意味着邻近铁路既有线隧道施工的安全技术要更安全可靠，文章以新建金华至台州铁路石锦隧道施工为例，从工程概况、施工难点分析、设备介绍、施工方法与工艺以及需要解决的问题等方面展开叙述，参照煤矿采煤掘进技术，将悬臂掘进机在紧邻高铁小间距并行隧道开挖施工中进行了拓展应用，成功解决了实际遇到的施工难题，可为类似工程提供经验参考。

关键词 小间距 复杂环境 隧道开挖 技术拓展

中图分类号 文献标识码

Excavation technology of small spacing tunnel adjacent to high-speed railway by cantilever tunneling machine

Zhang Chengwu

（China Railway 24th Bureau Group Zhejiang Engineering Co. Ltd. , Hangzhou Zhejiang 310009, China）

Abstract With the high-speed development and continuous improvement of the railway network, there are more and more existing railway projects in the vicinity of the railway, and the requirements for the construction of adjacent existing railway lines are also getting higher and higher, the article takes the construction of the Shijin Tunnel of the new Jinhua-Taizhou railway as an example, from the Engineering Survey, the construction difficult point analysis, the equipment introduction, the construction method and the craft as well as the question which needs to solve and so on launches the narration, refers to the coal mine coal mining tunneling technology, the cantilever tunneling machine is applied in the excavation of parallel tunnels with small spacing adjacent to high-speed railway, and the practical construction problems are solved successfully.

Keywords Small spacing1; Complex Environment2; Tunnel excavation3; Technology Development4

1工程概况

1.1 设计概况

新建金华至台州铁路工程石锦隧道位于浙江省永康市江南街道，进口里程SDK1+579，出口里程SDK3+655，全长2076米，隧道最大埋深213米，SDK3+655~647.659段位于R=2000m的曲线上，SDK1+835.71~ SDK2+455.274段位于R=1200m的曲线上，SDK2+598.561~ SDK3+655段位于R=1000m的曲线上，其余段均位于直线上。线路纵坡4.2‰/171m， 3‰/1370m、-3‰/535m的人字坡。隧道设计为单线电气化铁路隧道，设计时速为120km/h。

隧道进口DK1+579~DK2+700段与既有金温扩能铁路蝙蝠岭隧道最小净距约17m，与G330公路最小净距约55m，隧道SDK2+100~SDK2+300段线路右侧约30m有高压铁塔，SDK1+850~SDK2+060线路右侧为南都禅寺既有建筑，最小净距仅为25m；隧道出口距离既有铁路桥梁新店特大桥最近距离357m。

图 1 石锦隧道与金温铁路平面位置图

1.2 地质概况

隧道基岩为白垩系下统馆头组砂砾岩，弱风化，层状结构，Ⅴ级次坚石；节理的裂隙较发育，岩体呈碎石状结构，Ⅳ级次坚石。侏罗系上统九里坪组流纹岩，岩体破碎，块状结构，FBF2断层处呈角砾碎石状松散结构，Ⅴ级次坚石；节理裂隙较发育段，Ⅳ级次坚石。

1.3 水文概况

地下水主要为第四系孔隙潜水和基岩裂隙水，第四系孔隙潜水的水位埋深受地形的影响较大，水量一般较小，受区域季节性降雨补给。基岩裂隙水总体水量较小，在断层带、节理密集带、侵入接触带水量较大。

2 隧道施工难点

2.1 紧邻高铁施工，防护难度巨大

新建隧道紧邻既有高铁金温线，其中进口段SDK1+579-SDK2+030与既有高铁净距从17m渐变至50m，SDK2+030-SDK3+655段与既有高铁净距从50m渐变至350m。不论采取何种施工方法，隧道施工存在危及既有设备和营业线行车安全的隐患，同时，相关设备单位对邻近高铁线施工要求高，隧道施工防护压力相当大。

2.2 常规钻爆法难以满足安全、工期要求

根据既有线相关文件及规范，邻近既有线控制爆破施工，天窗点内爆破振速按不大于3cm/s控制，天窗点外爆破振速不大于1cm/s控制。由于与既有隧道小间距并行，爆破振速控制难度大，施工监控观察成本高，同时受运营高铁限制，作业时间有限，工期难以满足合同要求。

2.3 隧道进口为浅埋段，施工难度大，安全风险高

石锦隧道进口自明暗交界处SDK1+605至SDK1+635段为下穿既有花白线乡村道路，埋深深度仅3m，在确保道路交通正常运行的情况下，施工难度大、安全风险高。

2.4 地质复杂，质量控制难度大

石锦隧道存在多处断层破碎带，部分断层破碎带属于浅埋段，其中SDK1+875-SDK1+900段洞顶埋深11米，右侧为消防水池，与新建隧道净距近1m，同时根据隧址所在地晴雨表揭示，围岩整体性、裂隙发育及岩层强度在不断变化，且多数浅埋段施工为雨季，地下水较发育，因此对隧道开挖、支护及防排水施工安全质量要求极高。

2.5 隧道存在重要建筑物，沉降控制难度大

石锦隧道SDK1+850~SDK2+060线路右侧存在既有建筑南都禅寺，最小净距仅25m，且SDK2+060~SDK2+100下穿既有南都禅寺正在新建构筑物，因此对建筑物沉降观测及地表沉降观测要求高，安全生产控制难度大。

3 施工方法与设备

3.1 施工方法

根据工程现场实际，结合工程施工难点可知，常规的钻爆法、TBM法、盾构法等施工方法均在适应性、经济性等方面均有缺陷。

悬臂式掘进机开挖是一种采用悬臂式掘进机直接进行掌子面掘进开挖的隧道施工方式，将传统矿山法爆破开挖隧道的施工布孔、钻孔、清孔、火工品运输、装药、连线爆破、排炮排烟等多道工序简化成一道掘进开挖工序。

悬臂掘进机切割方法是从扫底开始切割，再按S型或Z型左右循环向上切割路线逐层切割以上部分。

选择右旋截割头截割硬岩，先由右向左从扫底开始截割，再按从左至右、自下往上方法或从右往左、自上而下逐步进行切割。如遇节剪发育较高岩石，则应选择岩石节理方向逐步切割。

针对不一样硬岩岩石可制订不一样截齿，科学合理截齿螺纹线排布，确保机器有愈加好掘削能力，并含有自洁功效，可依据实际工况条件选择最好截割头，提升施工效率。当局部再有硬岩时，能够选择小直径切割头，切割力大，破岩能力强，以降低掘进难度及截齿消耗量，或者可先掘周围软岩, 使大块硬岩坠落^[1]、[2]。

3.2 掘进机法主要优点

⑴ 确保了既有线的运营安全，提高了隧道开挖质量。

采用掘进机开挖，避免了爆破振动对既有线运营中的安全隐患，同时采用掘进机开挖实现了控制开挖轮廓，提高了开挖工作面的规整。

⑵ 大大缩短了施工工期。

采用机械化施工，避免了利用爆破开挖的影响，减少了既有线施工手续的报批，避免了利用铁路天窗封锁点内施工，实现24小时作业，加快了施工进度，缩短了施工工期。

⑶ 节约了施工成本。

采用掘进机开挖，避免了爆破对既有线造成的影响，同时避免了对既有线的监测、维护等的成本。

⑷ 降低了施工难度。

采用掘进机开挖，简化了开挖工艺，避免了爆破施工，利用单台机械即达到开挖掘进效果，降低了施工难度，避免了既有线配合。

⑸ 震动较小，易于沉降控制。

掘进机法不会产生爆破冲击波，减少围岩的扰动，确保既有高铁线正常运营，避免因爆破振动对既有设备，构筑物产生安全隐患^[3]。

2.2 设备介绍

2.2.1 主机设备

根据石锦隧道的特点，岩石硬度低，设计岩石抗压强度最大约43.4MPa，隧道开挖施工时，采用三一重工生产的隧道硬岩掘进机EBZ260H（如图2所示），机身宽度2.8米，石锦隧道开挖最小宽度为6米，满足EBZ260H掘进机的施工要求。

图2 EBZ260H悬臂掘进机

其主机参数与切割设备参数如表1所示。

表1 主机与切割设备参数表

2.2.2 变压器配置

根据悬臂掘进机的特点，采用高压进洞方式提供动力，悬臂掘进机切割电压达到1140V，切割额定功率达到260KW，因此必须配备大型变压器，根据需要，在洞口配备800KVA高压箱变，输出电压为10KV，由于距离太长电压降减小的太快，超过300m电压就很难保证正常供应，因此在隧道内300m的地方再配备提压装置。

4 主要施工流程

4.1 施工总流程

悬臂掘进机法开挖施工总流程如图3所示。

图3 施工总流程图

4.2 施工步骤

文章以石锦隧道出口洞口地段V级围岩开挖为例进行介绍，其他级别围岩可参照实施。

4.2.1 测量放样

结合设计文件以及现场实际，按照图4规定开挖顺序，对拟开挖面测量放样，将设计开挖轮廓线测出，并做好参照标记。

图 4 正台阶临时仰拱法开挖顺序横断图

4.2.2 通过掘进机对开挖面进行机械开挖

具体步骤如下：

⑴ 在超前支护防护下，机械开挖上台阶①部→施作①部周边的初期支护；初喷混凝土、铺钢筋网、架立钢架（设锁脚锚管），钻设径向锚杆，复喷混凝土至设计厚度。

施工上台阶过程中，同时进行仰拱施工，仰拱浇筑每循环6m。

说明：①部开挖每次进尺1榀钢架，后进行初期支护，①部开挖进尺4榀后进行下台阶施工。开挖过程中利用小松P160小型挖机进行装渣运输，运碴车为6m³小型自卸车，便于掉头运输，机动灵活。

⑵ 机械开挖下台阶②-1部→施作②-1部后边墙初期支护，即初喷混凝土、架立钢架（设锁脚锚管），钻设径向锚杆，复喷混凝土至设计厚度。

②-1部施工过程中，进行仰拱填充施工，仰拱填充每次浇筑6m。

说明：②-1部开挖每次进尺2榀钢架，后进行初期支护，开挖进尺4榀后进行下台阶②-2施工。开挖过程中利用小松P160小型挖机进行装渣运输，运碴车为6m³小型自卸车，便于掉头运输，机动灵活。

⑶ 同②-1部施工工序，开挖及支护②-2。同时下台阶临时仰拱跟进。

说明：②-2部施工同②-1部施工，施工前先将此侧坡道弃渣翻转至②-1侧进行重新修筑坡道，开挖过程中的弃渣暂不运出洞外，利用弃渣进行坡道加宽，确保掘进机行进。

⑷ 机械配合开挖仰拱③部→施作③部仰拱初期支护，即初喷混凝土、架立钢架，复喷混凝土至设计厚度。

⑸ 重复以上开挖操作。

新建隧道开挖完成后及时、尽早进行初期支护整体封闭成环，达到应力自稳，仰拱、二衬紧跟施工，尽量缩短与掌子面的距离^[4]。

4.3 施工注意要点

掘进机开挖需采用台阶法开挖，由于机械尺寸的原因，施工过程中台阶长度比正常台阶长，存在安全红线超标的安全隐患，应坚持“管超前、短进尺、强支护、早封闭、勤量测”的原则，事前控制，以确保施工安全。

掘进机开挖最大高度为5.4m，基于隧道设计净空尺寸，施工过程中挖掘机等机械选择不合理，支护台车的高度设计不合理都容易导致洞内交通不畅、施工时长增加等问题，应合理选型配套设备。

掘进机总重量较大，开挖过程中洞内排水系统不通畅，会出现掘进机陷入泥泞无法行走的问题，需及时调整优化洞内排水系统。

围岩强度的提高，会导致掘进机振动大，截齿、电缆、油管等设备磨损严重，导致机械损坏、成本增加，同时电缆摩擦易发生火灾存在安全隐患，应做好机械保养，同时根据施工情况及时调整施工参数。

钢架之间纵向链接钢筋应及时施作并连接牢固，上台阶与下台阶锁脚锚管进行加强，每处设4根，每根长4m，以确保钢架基础稳定，下台阶安全，防止坍方。

加强监控量测，在掌子面开挖过程中加强监测频率，及时反馈量测数据，根据监控量测的结论进行分析，特别是在岩体极破碎自稳性较差时，必要时可喷混凝土封闭掌子面或掌子面预留核心土。

下台阶施工过程中应进行临时仰拱封闭成环，确保临时仰拱封闭成环至掌子面距离小于35m。

加强超前地质预报，及早判定围岩情况，做好分析，确保开挖稳定性，对加强支护提早做出判断。

5 需要解决的问题

5.1 灰尘控制问题

悬臂掘进机法施工过程中会不断地产生粉尘，尤其在围岩比较完整、强度高的情况下，其灰尘量非常大。

在施工过程中，悬臂掘进机需要不断地进行通风来达到控尘的目的，单靠通风方式，很难将粉尘扩散到质量要求范围内^[5]。

在现场采用了喷淋设备、除尘风机等来对粉尘进行控制，但是效果不明显反而造成了隧道内部泥水过多现象。也就是说在灰尘控制方面仍需要从掘进机本身、施工辅助措施等方面进一步改进，优化工作环境，提高工作效率。

5.2 电力耗能过高问题

悬臂掘进机法由于自身重量大、在围岩比较完整、强度高的情况下，其电力耗能非常大，据统计，其完成每延米开挖耗能在800至1000千瓦时，同时其锯齿磨耗也成倍正在，但与传统钻爆法相比较仍有优势。

5.3 工序顺畅衔接问题

石锦隧道为小断面隧道，全断面开挖面积为61m

²,在采用悬臂掘进机法完成围岩开挖后，受空间限制需要退出工作面一段距离，为出渣、初支等工序提供方便。

6 结束语

悬臂掘进机隧道开挖是利用悬臂掘进机开挖煤矿工作原理，利用悬臂机械头将岩层进行切割，达到破碎减小目的，从而起到开挖掘进的效果。

随着特殊岩土和不良地质条件隧道工程、特殊工程条件及施工环境要求的增多，掘进机开挖在隧道下穿公路、建筑物、管线、采空区、既有隧道等无法实施爆破的或对围岩变形、地表沉降、扰动要求严格的工程中得到越来越多的应用，目前在贵阳、青岛等地铁施工中也有具体应用案例。

参考文献

[1] 杨秀才. 悬臂式掘进机在贵阳地铁暗挖隧道中的施工 应用技术[J]. 黑龙江交通科技，2016（10）：137.

[2] 张希良. 悬臂式掘进机在软岩隧道施工中的应用[J]. 铁道施工技术，2001（4）：28.

[3] 岳海飞. 邻近运营线隧道悬臂掘进机施工技术[J]. 施工技术，2018（1）：620.

[4] 田磊. 水工隧洞悬臂掘进机法与普通钻爆法施工的对比分析[J]. 防护工程，2019（14）：104.

[5] 李云. 矿井掘进机截割煤巷自动化控制技术研究[J].机械开发管理，2019（6）：226.

基金项目：中铁二十四局集团有限公司科技计划研发项目[科研（2017）10号]。

作者简介：张成武（1985.09），男，工程师，主要从事设备物资管理以及建设工程项目施工技术管理工作。

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