闻民臣

（中铁十八局集团有限公司，天津 300222）

1 引言

盾构法隧道施工虽已成为城市轨道交通区间隧道施工的主要工法，但在多项目交叉施工等特殊工程环境下，盾构施工所必需的场地难以满足要求，即盾构机进出场所必需的道路、场地要求难以保障，而且在区间地质以中风化石灰岩为主且无地下水区段常规盾构法难以实施，需要采用替代工法施工。

文献[1-5]研究了悬臂掘进机在铁路隧道应用技术，文献[6-9]研究了悬臂掘进机在采矿及水利工程中的应用技术；惠文军，赵涛等[10]研究了悬臂掘进机在半盖挖地铁车站的应用技术；漆泰岳，李斌[11]研究了悬臂掘进机在复杂断面隧道中的应用技术；王梯普、李远征[12]从施工成本、文明施工方面研究了小断面隧道采用悬臂掘进机的可行性；文献[13-15]研究了地铁隧道应用悬臂掘进机的相关施工技术；汪超[16]以深圳地铁工程为例研究了悬臂掘进机近距离下穿既有地铁线路的施工控制要点并总结了其优缺点；文献[17-18]以实际工程为例研究了悬臂掘进机在岩溶隧道中的应用技术；谢达文[19]研究了控制爆破与悬臂掘进机的组合法施工技术。综上，少有文献研究禁爆区域采用悬臂掘进机开挖地铁隧道的相关技术，本文研究在狭小地面工程环境条件下，采用悬臂掘进机开挖地铁隧道的施工技术，成功解决了禁爆区域中风化石灰岩地层矿山法开挖地铁隧道的技术问题，获得了良好的经济效益、社会效益和环境效益。

2 工程概况

济南市中央商务区与济南市轨道交通合建项目中工业南路站为盾构始发车站，轨道交通项目开工后，周边地块相继进入建设期，既有场地已不能满足盾构机吊装、掘进施工条件，施工工艺由盾构法施工变更为矿山法施工。工业南路站—绸带公园站区间左线517 m、右线373 m，区间隧道拱顶埋深13.1～15.2 m，左线和右线间距为17.2～20.2 m，采用单洞单线马蹄形断面，工业南路站临近居民楼，区间隧道沿线建（构）筑物均处于建设期，周边施工人员、车辆多，工程施工风险大。

区间隧道主要穿越地层为胶结砾岩、含碎石粉质黏土、强风化石灰岩、中风化石灰岩，围岩等级为Ⅳ ～Ⅴ级。地下水类型为上层滞水，地下水位于隧道底板以下，对隧道施工无影响。隧道穿越胶结砾岩层单轴抗压强度11.77 MPa，中风化石灰岩层饱和单轴抗压强度49.20 MPa，强风化石灰岩层饱和单轴抗压强度 15.50 MPa。

3 悬臂掘进机局部改造

悬臂掘进机铣挖不同岩层交界面时，岩层硬度不同会出现不易破碎的较大块状石块，悬臂掘进机边双链刮板式溜槽断面宽620 mm×高508 mm，但其底部设计宽度450 mm、高度400 mm，需在调整可满足600 mm×500 mm的块状物顺利排出的需求，同时为限制大于最大通过粒径的石块卡在第一输送机上，在星轮与第一输送机增加粒径控制门型架，有大粒径挤在门型架处时，反转星轮将石块排到铲板部外侧后单独处理。图1为单轴悬臂式掘进机主机结构图，图2为局部改造后悬臂式掘进机示意图。

4 悬臂掘进机施工流程

4.1 工艺流程

悬臂掘进机开挖隧道施工工艺流程主要包括，上台阶开挖和初期支护，下台阶开挖和初期支护，防水层及二衬施工。悬臂掘进机开挖隧道施工工艺流程图如图3所示，隧道横断面开挖示意如图4所示，隧道纵断面开挖示意如图5所示。

4.2 上台阶施工

（1）掌子面附近清理整平。掌子面附近场地应清渣完毕，地面利用碎渣略做找平，以满足掘进机及辅助设备进出场地及工作稳定性要求为准。

（2）测量放样。利用平面及高程控制点，以隧道中线、高程点为基准，据此在掌子面上以偏距及高程标示隧道开挖轮廓线。开挖过程中由专业测量人员采用全站仪测量放样，进洞后在已支护成型洞段埋设红外线激光指向仪进行测量控制。

（3）掘进机及辅助设备就位。掘进机移动至隧道掌子面前，接通过电源；挖掘机移动至悬臂掘进机的第一运输机尾部，挖掘机、运输车辆就位；机械设备正式运行前，需对其机械性能和安全设置进行检查，并确认满足安全施工要求。

（4）掌子面土方开挖及土石外运。掘进机启动，用截割部切削掌子面土体，铲板部收集切削下来的土体并将其送入第一运输机，第一运输机将开挖土石输送到掘进机尾部；挖掘机与运输车辆配合，将掘进机尾部渣土及时装载并清运至竖井底部，井口吊车将渣土吊运至地表外运；掘进机根据地层围岩条件和施工控制要求，完成规定的循环进尺量，停止掘进；待本循环开挖土石全部清运出洞后，机械设备退出工作面，为初期支护和超前地层加固让出工作面。

（5）初期支护和超前加固。隧道围岩条件较差，且地面土体沉降变形控制要求严格时，需施作初期支护结构、掌子面围岩超前加固。

4.3 下台阶施工

待上台阶开挖进尺达到一定长度后，再进行下台阶开挖。下台阶工作面的开挖按照场地清理→开挖轮廓放样→掘进及出渣机械准备→开挖出渣→初期支护的顺序进行，与上台阶掘进施工流程类似。

4.4 防水层及二次衬砌施工

因隧道洞径较小，为满足隧道开挖期间施工机械进出，防水层及二次衬砌结构须待隧道贯通后施工，施工条件及工艺流程与传统矿山法隧道相应部位的施工相同。

4.5 台阶长度确定条件

台阶长度根据悬臂掘进机、挖掘机、出渣车辆协同工作所需的工作空间及围岩情况确定，台阶软弱围岩，应采用较短台阶开挖，初期支护在较短时间内闭合，确保开挖安全。稳定性较好的围岩，宜采用较长台阶开挖，以利于提高机械设备的效率。区间隧道穿越Ⅳ～Ⅴ级围岩，台阶长度按20～25 m施工，在局部围岩稳定性较差时，采取网喷混凝土辅以锚杆加固的方法以提高局部围岩稳定性。

5 悬臂掘进机控制要点

5.1 开挖模式选择

（1）掘进机开挖效率受地层围岩条件影响较大，需根据岩层硬度采取相应的截割模式，当围岩硬度较低、破岩容易时，采用大半径钻头、高转速的截割模式，以提高开挖效率为主；当围岩硬度较高、破岩较困难时，采用小半径钻头、低转速大扭矩的截割模式，以提高破岩能力为主。

（2）当围岩硬度较低时，掘进机先在掌子面左下角掏槽，然后通过左右循环向上的顺序进行切割，如图6所示；当围岩硬度不同时，掘进机先在下部较软围岩区掏槽，然后通过左右循环向上的方式进行切割，如图7所示；当围岩硬度较高时，掘进机悬臂保持水平，且垂直于掌子面掏槽，然后通过左右循环向上（向下）的方式进行切割，如图8所示。

（3）截割头一次掏槽深度不应超过截割部的1/3，如需加大切割深度，须待截割部扩窝后，再加深掏槽，掘进机一次截割深度不应超过截割部有效长度的3/4。

（4）在洞径较小的条件下，隧道内施工机械调头、错车困难，达到理想的“上、下台阶独立的流水施工”模式比较困难，使用2组掘进系统并不经济，一般只选用一套掘进系统。因此优化施工组织，提升设备使用效率，是确保施工进度的关键因素之一。

5.2 隧道开挖施工

（1）地质确认。区间隧道局部地层稳定性较差，隧道开挖前进行详细的地质补勘，根据补勘结果，对特殊地层采取超前注浆加固等必要的预处理措施。

（2）超前小导管施工。隧道拱部150°范围布设超前小导管，小导管长度为3.5 m，环向间距0.4 m，纵向间距2 m，外插角15°，所注水泥浆水灰比1 : 1，注浆压力0.5～1 MPa。超前小导管施工工艺主要包括施工准备、钻孔、安设小导管、掌子面封闭、注浆、效果检验等，其工艺流程图如图9所示。

（3）区间隧道开挖方法。根据区间隧道的围岩情况，调整上、下台阶开挖长度。上台阶开挖时切割方式由下往上左右循环切割，在两侧拱脚处切割时，控制刀头切割深度，防止超挖过多后影响上台阶拱脚稳定。每个循环施工完成后为便于下个循环的切割开挖，最里面一榀拱架距离掌子面留出50～70 cm的作业空间，防止下个循环施工时掘进机对上一循环的拱架造成破坏，保证格栅安装的空间。下台阶开挖时，切割方式由上往下左右循环切割。掘进机开挖切割顺序示意图如图 10所示。

（4）开挖注意事项。区间隧道开挖过程中必须严格遵循“管超前、严注浆、短进尺、强支护、早封闭、勤量测”施工原则，根据测量监控反馈的数据信息，优化实际相关参数，以确保施工安全；采用上、下台阶法开挖施工，应根据地质情况及时调整台阶长度，严格控制超欠挖，对施工过程中出现的超挖或塌方现象，应采用喷混凝土回填密实，并及时进行回填注浆；区间隧道开挖前应备好抢险物资，并在现场堆码整齐，距离掌子面不宜超过20 m。

5.3 初期支护

初期支护的施做主要包括格栅拱架、纵向连接筋、钢筋网的安装和喷射混凝土作业。格栅拱架安装前应对开挖岩面进行初喷防护，检测断面尺寸，及时处理欠挖侵入净空部分，以确保安装质量符合设计要求。格栅拱架安装完成后，锁脚节点处各打设锁脚锚管（杆）2根，锁脚锚管打设角度为30°，每根长3 m。

5.4 喷射混凝土

喷射混凝土采用早强混凝土。掌子面开挖至设计尺寸后，及时封闭支护，确保掌子面的安全和稳定，先初喷35 mm厚混凝土封闭岩面，架设格栅拱架、打锚杆，再补喷混凝土至设计厚度，将钢格栅喷满。

6 结论

（1）悬臂掘进机可较好地适用于城市禁爆区域矿山法开挖地铁单洞单线隧道，在单轴抗压强度50 MPa以下的无水稳定地层具有较高施工效率；既解决了施工场地受限，人工配合常规机械开挖施工速度慢、成本高等问题，又规避了禁爆区域申请爆破施工难的系列弊端，经济效益、社会效益和环境效益显著。

（2）悬臂掘进机截割头旋转形成隧道轮廓线，能够较好地控制隧道的超欠挖，可适用于不同洞径、不同断面形式的隧道开挖；悬臂掘进机开挖隧道对围岩的损伤小，开挖面岩石松弛、掉块、崩塌风险极小，施工安全性高，对周边建筑物的振动影响小。