浅谈上跨既有铁路隧道铣挖法施工技术应用

浅谈上跨既有铁路隧道铣挖法施工技术应用

刁操金

中铁十局集团第五工程有限公司 江苏省苏州市 215000

摘要：上跨既有铁路隧道开挖施工对既有铁路的运营安全风险高，传统钻爆法施工振动大，施工中受到一定限制，且进度缓慢。采用铣挖法施工在上跨既有铁路中开挖，减少围岩扰动、控制超挖、加快施工进度等优势；同时采用铣挖法安全性好，使用铣挖机取代人工在岩层中掘进，使施工人员离开掌子面，降低了前方施工人员在开挖时遇到的掉块、坍塌等危险，提高了隧道施工的安全性；施工过程中采用铣挖法施工安全、快速的跨越既有线。铣挖法在隧道不允许爆破、围岩强度适中、节理裂隙发育、变形控制严格的条件下，不失为一种经济有效的方法。

关键词：既有铁路；铣挖法；隧道施工；小间距

1 前言

兴泉铁路宁泉段3标七里亭隧道里程DK257+621与南龙铁路资坑隧道左线里程DK121+424相交，交叉角约49°2′39″。新建兴泉铁路轨面标高为234.63，既有南龙铁路结构物顶面标高为224.606，既有南龙铁路轨面标高为213.096，兴泉铁路与既有南龙铁路结构净距9.994m。在里程DK257+560-DK257+670（110m）范围内采用铣挖法进行施工。

根据南三龙跨资坑隧道设计图，DK121+370～475影响段落内资坑隧道位于W2白垩系坂头组凝灰质砂岩与炭质粉砂岩互层中，采用临时I18型钢拱墙加固，纵向间距1.0m；衬砌类型采用Ⅳ/V级复合式衬砌。

本施工技术主要针对小间距上跨既有铁路开挖困难的问题，以及传统方式情况下材料人员投入成本较高、安全隐患大的问题，在本工法中采用铣挖法施工在上跨既有铁路中开挖，减少围岩扰动、控制超挖、加快施工进度等优势；同时采用铣挖法安全性好，使用铣挖机取代人工在岩层中掘进，使施工人员离开掌子面，降低了前方施工人员在开挖时遇到的掉块、坍塌等危险，提高了隧道施工的安全性；施工过程中采用铣挖法施工安全、快速的跨越既有线。

2 技术特点

小间距上跨既有线铁路铣挖法施工工法比通常隧道开挖方法具有以下特点：

（1）该工法技术打破了小间距上跨既有铁路隧道钻爆法施工或人工开挖法施工的的传统施工方法，使隧道各类围岩地质条件下都能得到应用，应用范围广。

（2）该工法开挖效率高，可连续施工。

（3）该工法采用红外线精准定位装置，可有效控制隧道超欠挖，开挖面光滑平整，断面一次开挖成型，减少人工修复；节约后续施工的混凝土喷射量，降低施工成本。

（4）该工法少人化、安全性高：作业人员少，每班掌子面只需要3人，降低人工成本，防止重大人员事故。

（5）该工法掘进过程中对围岩损伤小、扰动小，安全性高。

（6）该工法出渣效率高：可将开挖的土体直接运输至装载车上，减少机械二次倒运成本。

（7）铣挖下来的物质粒径小且均匀，可作为回填料。

3 适用范围

本施工方法适用于小间距上跨既有铁路隧道IV、V级围岩地质情况开挖施工。

4 施工方法

在隧道开挖前，对现场施工岩层实地取样，通过测试岩石的节理发育状况、裂隙的含水率、硬度，结合悬臂掘进机的主要参数，对悬臂掘进机截割路线进行优化；通过激光定位装置精准定位开挖轮廓线，铣挖机安装既定的切割路线进行铣挖施工，过程中严格控制超欠挖；掘进过程中通过自动喷淋降尘减少粉尘对红外激光和视觉的影响；利用铣挖机掘进、自卸车配合出渣流水施工工艺保证设备、人员等的使用率最大化。在流水线上，施工人员实行定人定岗的工序细分，在各自的工序上，在规定的相应时间内独立完成各岗位应该完成的工作，提高了掘进的速度及稳定性，快速的跨越既有线。

图1 激光精准定位图

4.1施工工艺流程及方法

七 里亭隧道铣挖机掘进施工采用两台阶开挖掘进，上台阶高度约6.0m ，下台阶分左右幅开挖，仰拱二衬紧跟的施工步骤， 主要流程工序为上台阶铣挖机开挖及支护、下台阶左侧开挖支护下台阶右侧开挖支护、仰拱封闭成环左侧修斜坡供机械行走；施工流程和示意图如下所示。

图 2 V级围岩衬砌开挖断面 图3 IV级围岩衬砌开挖断面

图4 铣挖机施工流程图

图5 铣挖机施工顺序示意图

图6 仰拱台阶法施工示意图

（1）施工准备：施工之前，根据围岩地质情况,选取合理的机械设备型号，并进行合理的机械设备配套。在洞内布设好悬臂掘进机所需的高压电缆、输水管线，同时将掘进机与工作面齐头，并摆放妥当。

按设计断面铣挖掘进，先进行试掘，然后根据试掘效果调整断面设计等铣挖参数。铣挖时分部分条块铣挖，左右分部,每部从下到上按条块依次铣挖，顺截齿 旋转方向，每一条块铣挖时，从左到右铣挖,并不断摆动或调整铣挖头。当铣挖速度或效率降低时将铣挖头 游离工作面，等速度回升后再抵近铣挖。铣挖效果的控制以降低粉尘、提高岩碴块度、单位铣挖量为标准。 提高悬臂掘进机铣挖效率，边角及卧底部位等铣挖效率低的部位，由人工或其他机械设备清理。质量控制要求开挖循环进尺需满足设计；断面轮廓线虽然不能修整到位，但能铣挖到的地方，必须修整整齐，并要保证隧道中线及高程控制。

（2）测量放线，精准定位激光设备位置：隧道开挖前，采用带激光全站仪掌子面后方5-8m处沿环向等间距初支面设置5处激光设备位置，采用三根膨胀螺丝，三角固定牢固，位置精准；对定位装置进行复测，确保定位精准；开设激光掌子面形成开挖激光定位点。

（3）铣挖机掘进施工。现场1名指挥人员根据激光定位点，现场指挥掘进机红外线定位开挖轮廓，然后开始掘进作业。采用台阶法施工，上台阶6.0m，切割方式由下向上左右循环切割；掘进机现场掘进施工同时，弃碴通过其自身传带至自卸车，及时出碴，保证隧道内整洁。

（4）铣挖同时，采取流水线作业，一边开挖，一边通过机械设备配套实现出碴。为控制粉尘，降低对激光折射和司机开挖视线的影响，需适当喷雾，既达到降低粉尘目的又不引起岩渣泥化，喷雾装置为悬臂掘进机自动装置。

（5）轮廓修整。铣挖至接近轮廓线是，为防止超欠挖，采用掘进机环形修整轮廓方式不断调整轮廓线至达到设计要求。

（6）开挖质量检查、验收。在一循环掘进作业完成后，现场操作员按照测量标注的轮廓线进行重新修整，保证基本轮廓，确保超欠挖在规范允许范围内，符合规范要求。

4.2施工要点及注意事项

（1）做好超前地质预报。施工同步做好超前地质预报工作，以便提前准备物资；当地质变化时，可提前决策施工。

（2）铣挖过程中通过喷淋降尘装置降低粉尘减少对激光折射的影响和司机视觉的影响；使施工一线工人对掌子面可见度增高，对开挖轮廓线能够清晰可见，保证开挖一次成型。

（3）定位装置安装完成，对定位装置进行复测，确保定位精准，确保精准复测结果≤5mm。采用三根膨胀螺丝，三角固定，确保开挖过程中围岩扰动不受影响。

（4）做好施工监测、超前地质预报。施工期位间做好新、旧隧道的拱顶沉降、水平收敛、地表沉降、附近建筑物变形等项目监测，真实反映施工期间的变化情况，确保施工安全。

（5）根据围岩情况，控制掘进速度和围岩切割顺序。

5 材料与设备

（1）材料：本工法主要材料为激光定位装置所用材料、喷淋用水、超前小导管/锚杆、C25湿喷混凝土。

（2）设备

表1 主要设备配置一览表

6 质量控制

6.1质量保证体系

对于隧道开挖的施工质量，应在项目项目部从上到下各负其责，组建质量管理组织机构，保证本工法应用的施工质量。

图7 组织机构图

6.2原材料检验

（1）所用开挖涉及主材原材料必须经检验合格。

（2）湿喷C25混凝土所使用的水下混凝土的原材及外加剂必须检验合格且其配合比、流动性、抗渗性等应专门进行实验且过程中应严格控制浇筑过程。

6.3过程控制措施

（1）质量管理措施

各工序工作完成后，由分管工序的技术负责人，质量检查人员组织工班长，按技术规范进行检验，凡不符合质量标准的，坚决返工处理，直到再次验收合格。

2. 施工前有针对性地对各专业工种进行技术培训，制定各工序标准化作业细则，提高施工人员的整体技术水平，特别对使用新型设备人员要确保培训质量，为创合格工程创造条件。

3. 认真执行设计图纸审核制度，并做好施工技术交底，使现场领工员及每一位施工人员做到心中有数，严格按技术要求施工，保证设计意图的实现。

4. 保证砼质量的措施。混凝士的质量形成过程分为:原材料检验及配合比设计、混凝土拌和及运输、混凝土浇注及养护，三个阶段中混凝土本身质量均来自相关部门检验合格的商品混凝土，较容易得到控制;而混凝土的运输、混凝土浇注及养护阶段影响混凝士质量的因素较多,为确保本工程结构混凝土质量，采取如下措施保证混凝土质量。

5. 确保激光定位装置位置的准确性。

6. 严格控制超欠挖。

7 安全措施

（1）建立健全各种岗位责任制，严格执行现场交接制度。

（2）铣挖机主要适用于IV级、V级围岩，铣挖机施工不得全断面开挖作业，严格按设计开挖工法施工。

（3）施工期间，必须有专门机电修理工,以便出现机械和电器故障时能及时处理。

（4）施工现场操作人员必须佩戴安全帽、手套、护目镜，救生衣，安全带等劳保用品，方可进行施工。

（5）施工现场的电工，钢筋工必须持证上岗，施工现场要有用电设施方案。

（6）隧道施工必须做好施工前期准备工作，编制施工组织设计，并向施工人员进行技术交底，合理安排施工。隧道施工各班组间，必须建立完善的交接班制度。在交接班时，交班人必须将本班组的施工情况及有关安全事宜及措施向接班人详细交待，并记载于交接班记录本上，工地值班负责人、领工员必须认真检查交接班情况。每班开工前未认真检查工作面安全状况，不得施工。

（7）施工中必须加强对围岩及支护的检查和测量，掌握围岩和支护的变形位移情况。如发现隧道内有险情，必须在危险地段设置明显标志或派专人看守，并迅速保管施工现场负责人，及时采取措施处理，情况危险时，必须将工作人员全部撤离危险区域，并立即向上级报告。所有进入隧道的人员，必须按规定佩戴好安全防护用品，遵章守纪，听从指挥。

（8）开挖人员到达工作地点时，首先应检查工作面是否处于安全状态，并检查支护是否牢固，顶板和两帮是否稳定，如有松动的石、土块或裂缝必须先予清除或支护。

（9）铣挖机掘进施工时，操作人员必须相互配合，并保持必要的安全操作距离。机械凿岩时，宜采用湿式凿岩机或带有捕尘器的凿岩机，可以降低粉尘对操作人员的危害，并按规定使用安全防护用品（如安全帽、防尘口罩等）。

（10）所有机械设备在施工中和移位时应放置平稳、牢固，防止倾斜倒塌。

（11）严禁司机酒后驾车和疲劳作业。各类进洞车辆必须处于完好状态，制动有效，严禁人料混载。所有进洞运载车辆不准超载、超宽、超高运输。装运大体积或超长料具时，应有专人指挥、专车运输，并设置示界限的红灯，物件应捆扎牢固。机械装渣时，坑道断面必须能满足装载机械的安全运转，装渣机上的电缆或高压胶管应有专人收放，装渣机操作时，其回转范围内不得有人通过。

8 环保措施

（1）对使用的工程机械和运输车辆安装消声器并加强维修保养，降低噪音。机械车辆途经居住场所时减速慢行，尽量不鸣喇叭。合理安排施工作业时间，尽量降低夜间车辆出入频率。在比较固定的机械设备作业附近，修建临时隔音屏障，减少噪音传播，减少噪音污染扰民。

（2）在施工设备选型时选择低污染设备，并安装空气污染控制系统。在运输水泥等易飞扬物料时用蓬布覆盖严密，并装量适中，不超限运输。配备专用洒水车，对施工现场和运输道路经常洒水湿润，减少扬尘。对汽油等易挥发品的存放要密闭，并尽量缩短开启时间。

9 效益分析

（1）经济效益

本工法相较于传统钻爆发或挖机掘进施工方法而言，采用铣挖法开挖用时，超欠挖控制较明显，后期工序影响较小，产生混凝土超方量较小。经过成本比较，采用铣挖法施工相比于爆破施工方法，开挖成本降低16998.59元/m，喷射混凝土消耗节约3819.3元/m，合计成本降低20817.89元/m,未考虑考虑缩短工期后减少的管理费用和作业人员的费用。具体如下表：

传统开挖施工平均每天进尺：1.2m；开挖110m需要92天；铣挖法施工平均每天进尺：3m；开挖110m需要37天；节约工期：55天。

表2 隧道钻暴法与铣挖法成本对比表

表3 隧道钻爆法与铣挖法喷射混凝土消耗成本对比表

（2）社会效益

采用小间距上跨既有线铁路铣挖法施工工法，完成了业主下达的节点目标，对既有铁路做出了保护，赢得了永安指挥部及监理单位的一致好评，并纳入其作业体系，为后续衬砌施工奠定了基础。

（3）环保效益

与传统钻爆发或挖掘机施工方法，对于既有铁路的震动较大，采用本施工工法进行隧道开挖的施工，施工过程中震动小、围岩扰动小、对既有铁路隧道无影响。

图8 铣挖机掘进施工

图9 悬臂掘进机铣挖面

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

[2]项志敏,苟彪,罗田郎,等.浏阳河隧道铣挖法工艺试验研究[J].铁道标准设计2007(11)