中交隧道工程局有限公司 北京 朝阳 100102
摘要：介绍XTR260型悬臂掘进机在黑山共和国南北高速公路IV、V级围岩开挖掘进技术，就掘进机的选型及性能、掘进施工方法、安全质量控制等进行了阐述，同时结合工程实践对掘进机施工的适应性、效率、安全性初步总结分析，提出采用掘进机施工的一些改进方法。
关键词：欧洲 公路隧道 悬臂掘进机 台阶法 开挖技术 适用性分析
1引言
目前采用“矿山法”施工的地下工程，主要是采取“钻爆法”开挖技术，“钻爆法”应用时间久，技术成熟，开挖进度快，但其安全性较差、振动对周边环境及建筑物影响大、产生地烟尘对人身健康影响高等。在中交隧道局黑山南北高速公路隧道施工中，根据当地环保要求，结合隧道IV级、V级围岩占比大的特点，选择了XTR260型悬臂掘进机在黑山自然保护区进行隧道开挖作业，体现出了安全、质量、环保等方面的优越性。
2 工程概况及开挖方式选择
黑山共和国南北高速公路为巴尔港至北部保加利主干道中的一段，中交隧道局承建的第四标段（K31+800~K40+866段）地处黑山国家自然保护区内，线路海拔1010～1140m，所经之处山势陡峭，地形条件极为复杂。本标段隧道共6座，总长为7029单幅米，占线路总长的40% 。
地质条件差，软弱围岩占比大：主要为复理石地层，强-中风化，节理、裂隙发育，泥质胶结，层理结构，稳定性较差，岩石最大强度为50Mpa；地处保护区，环境保护和质量控制要求高。高速公路采用4车道，分幅设计，隧道采用双车道断面。
综合考虑工程的安全、质量、环保及进度要求，尽可能降低工程成本，采用XTR260型悬臂掘进机进行隧道开挖施工。
3 单臂掘进机掘进施工
3.1台阶法开挖方法
黑山项目的隧道由于开挖断面较大，受到掘进机开挖高度的限制，在Ⅳ级段落采用上下台阶法施工， V级围岩采用上下台阶预留核心土法施工。
在V 级围岩中环状（1部）开挖进尺，根据地质条件每次开完1～2榀钢拱架长度，根据地质条件及当地监理要求，V a级围岩每循环开挖1m，V b开挖0.8m， Vc开挖0.6m。在Ⅳ级围岩中，每循环开挖进尺：Ⅳa级围岩每循环开挖1.5m，Ⅳb开挖1.2m,Ⅳc开挖1.5m。
3.2切割掘进
3.1.1轮廓线定位
采用激光测量定位仪定位。由测量人员在已支护段固定点上设置8个红外激光仪，掘进机司机根据红外线定位进行截割，每次测量时移动红外定位点。
3.1.2切割作业步骤
（1）在上台阶选择一侧开始施工。隧道掘进机就位后，先进行扫底作业，而后根据一定切割路线切割，大致切割顺序为自下而上、左右循环切削。
（2）根据围岩情况，确定首次掘进距离。首次以0.5m为尝试掘进距离，而后递进分层切割，直到上台阶单侧符合快速掘进的目标值，修正轮廓线后，进行另一侧切割，同时装载机进入，在已开挖一侧进出渣作业。
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（3）当切割较软的岩石时，采用左右循环向上的截割方法；当截割稍硬岩石时，采用由下至上从左到右截割的方法；当断面节理较发育时，应沿节理方向切割；当局部遇到硬岩时，先掘进周围软岩，使大块硬岩坠落，采用改炮方式另行处理，以降低掘进难度及截齿消耗。
（4）若有大量泥岩，且地下水丰富时，选用螺旋叶片式截割头，配长型截齿，避免泥岩粘附于截割头表面。
（5）下台阶开挖时，先开挖两侧，后开完中部，保证格栅钢架及时接长及锁脚锚杆的施工。
（6）仰拱开挖采用掘进机和挖掘机相结合的开挖方式，有效提高开挖效率。
3.3配套设备
为了最大发挥掘进机的效率，加快施工进度，最大限度降低工程成本，减少掘进机停工时间，配置了Boomer双臂液压凿岩台车、Spraymec8100VC型湿喷机械手、ROTO38.16型旋转作业平台安装格栅拱架，ULT200型装载机，同时配备了相应的运渣车，并配备了CAT-325型挖掘机带振动锤进行仰拱开挖作业。
3.4通风除尘
在南北高速隧道施工中，XTR260型悬臂掘进机应用过程中最大独头掘进850m,采用压入式通风方式，安装SFD-11/2-55KW型通风机，直径1.2m风管。
配置了高压喷雾除尘系统，配备封闭式水箱和高压喷雾泵，采用环向多角度喷雾，配合风机除尘，有效改善隧道除尘效果，降低隧洞内粉尘含量。
4.掘进机开挖工法分析
通过黑山南北高速公路隧道Ⅳ、V围岩施工实践，以及在II、III类围岩中的应用，现就掘进机开挖隧道的实用性、经济性进行简单分析：
4.1适用性分析
4.1.1掘进机对岩石的实用性
黑山南北高速公路隧道大多数地段属于复理石地层，最大单轴抗压强度50 MPa，层间距小于500mm,特别是在Ⅳ、V围岩中，由于强度低，适用掘进机开挖。如果围岩强度大于40 MPa，除非隧道局部特殊要求进行机械开挖，否则不建议采用掘进机施工。
4.1.2开挖工法的实用性
悬臂掘进机适用于上下台阶法及全断面开挖施工，由于黑山共和国采用“新奥法”设计理念，对仰拱跟进及衬砌紧跟不做要求，给其作业提供了很大的发挥的空间。
4.2开挖效率
采用悬臂掘进机施工，可以开挖与出渣同时进行，在上掌子面开挖完成后，进行初期支护的同时，移机进行下半断面的开挖，开完与排烟除同步，减掉了钻眼、装药、除尘及出渣的时间，在本工程中，Ⅳ围岩最高月开挖成洞80 m,V围岩最高月开挖成洞 65 m,大大提高了施工进度。
4.3 安全、质量、环境
采用掘进机施工，减少了开挖过程中的人员，减少了群死群伤的风险；在本工程中实现了超挖控制在7cm以内，欠挖控制在为0cm，切实解决了隧道的超欠挖的难题；配备了喷雾除尘系统，保证了洞内环境满足了欧洲标准；减少了爆破震动，满足了对自然保护区内房屋、野生动物影响的相关要求。黑山南北高速堵头掘进最长距离850m,采用压入式通风方式，与除尘机配合，由于开挖距离短，保证洞内作业环境，建议今后施工中如果开挖距离超过1500m,选用压抽联合通风方式。
5.结语
在黑山共和国南北高速公路四标隧道施工中，根据当地的相关要求，结合工程地质情况，选用了XTR260型悬臂掘进机开挖作业。目前全线最长的隧道Jabuka隧道（双线长2815m）顺利实现全线隧道首贯通。隧道机械化开挖方式正在逐步推广，具有安全、快速、安全、环保等优势，同时也受到开挖方法、围岩特征等条件的限制，通过不断改进，将逐渐成为隧道开挖的主要方式，具有很好的应用前景。
参考文献
[1]黑山南北高速公路工程隧道施工特殊技术条件
[2]EN 12111 隧道机械要求、ONNRM B2203隧道施工规范（奥地利）
[3]《公路隧道施工技术规范》 ，中华人民共和国交通运输部发布，2009年8月25日.
[4]《铁路隧道工程施工技术指南》 ， 铁道部经济规划研究院发布，2008年10月20日.
[5]漆泰岳 李斌 ，悬臂掘进机在复杂断面地铁隧道中的应用研究 ，现代隧道技术，（2011）04-0032-07.
论文作者:张士源
论文发表刊物:《防护工程》2018年第7期
论文发表时间:2018/8/15
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