铣挖机在城市隧道开挖中的应用论文_单治政

摘要：城市隧道岩石地层开挖因受地面建构筑物影响，对地表沉降要求较高，采用传统的爆破或者破碎锤等施工方法开挖，容易引起超挖量过大，如何减少开挖超挖并控制地表沉降，确保工程施工安全，是施工过程中需要研究的重点方向，本文结合长株潭城际铁路树木岭隧道出口段隧道开挖的施工经验，介绍铣挖机在城市隧道开挖中的应用，有效地控制了开挖超挖，节约了成本，并确保了工程的安全和顺利实施。

关键词：城市隧道；岩石地层；隧道开挖；铣挖机

1 引言

随着我国国民经济的快速发展，国家不断加大对基础设施建设的投资，特别是城市交通体系的规划和建设，城市隧道的建设在城市交通体系中占有非重要地位，尤其是在城市地铁，城际铁路、城市地下交通等重要基础设施建设中扮演越来越重要的角色。为减少城市隧道开挖造成的沉降和震动对临近建构筑物的影响，降低噪音对附近居民生活的干扰，有效控制城市隧道施工风险，寻求经济适用安全可靠的开挖方式，对于隧道开挖变形控制以及节约人力物力等资源具有重要意义。

2 工程概况

长株潭城际铁路树木岭隧道汽车南站～出口暗挖区间位于长沙市雨花区与天心区核心地段，地面交通发达，城市公路纵横交错。该区间（左线DK13+935～DK12+098，右线YDK13+919.197～YDK12+107.737）设计为双洞双线隧洞，矿山法施工，隧洞埋深9～16m，隧道多下穿1-4层房屋。隧道开挖断面面积为73㎡，围岩等级为V级，岩体为强～中风化泥岩；强风化泥岩饱和抗压强度为Rc=0.5-0.7MPa,软化系数0.35，属极软岩。风化岩为半岩状，力学性能较差。中风化泥岩饱和抗压强度为Rc=0.8-1.5MPa,软化系数0.5，属极软岩，自稳性较差。

3 隧道洞身超挖控制难点

隧道设计采用台阶临时仰拱法开挖。根据以往类似施工经验，软岩隧道采用爆破开挖，超挖现象较严重，对围岩扰动大，易掉块或坍塌，对地面建筑物扰动较大，且该段隧道多处下穿民房、酒店、立交桥，存在较大的安全质量隐患。单纯的采用破碎锤开挖，超欠挖控制不均衡，超挖现象仍比较严重，并且开挖效率低。如何解决超挖及地面沉降问题，是城市隧道施工需迫切解决的问题。

隧道施工技术难点主要体现在:

(1）隧道埋深较浅，最大埋深约为50m,最小埋深不足11m,地面建筑物多且房屋基础形式薄弱，易变形破坏，穿越多条市政道路，地面变形控制要求严；

（2）若采用爆破施工，爆破振动将影响地表建筑安全、爆破噪声影响居民正常生活；

（3）施工风险高，下穿南三环立交桥、高升村酒店、中意一路、多处地表建筑群、高压电塔、加油站等敏感地带。

在隧道施工中需对众多建（构）造物采取临时安置、加固、监测等措施。其中DK12+098～DK12+200段地表建筑民房采用临时安置、加强监测；DK12+550～DK13+500段地表建筑民房设计需拆除，实际未拆除需进行临时安置、并加强支护、加强监测；DK13+495～DK13+500段地表建筑物为高升村酒店需采用加固、加强监测；DK13+650～DK13+850段地表建筑物采用正穿线路中线外15m范围内临时安置、加强支护、加强监测；DK13+600段南三环匝道立交桥采取加强支护、加强监测； DK13+873段地表建筑南三环立交桥需采取加强支护、加强监测。

4 开挖方案比选

根据树木岭隧道围岩强度、断面大小、开挖时安全风险等实际情况，项目部拟定三种开挖方案：1、爆破开挖，2、破碎锤开挖，3、铣挖机配合单钩开挖；

通过费用、质量、安全、环境等方面综合比较，我们最终确定采用小松270-7挖掘机配备德国艾卡特公司的ER1500-1XL型铣挖机进行隧道掘进开挖。（见图1）具体方案对比见表1、表2。

图1 艾卡特ER1500-1XL型铣挖机配备小松270-7挖掘机

表1 三种方案费用比对

表2 三种开挖方案对比表

5 隧道开挖方案

隧道结构根据围岩级别、水文地质条件、埋置深度、施工方法、周围环境和结构工作特点，结合施工条件等，按照工程类比法辅以必要的计算分析，确定支护、衬砌设计参数，采用信息化设计，施工时必须根据现场地质条件、施工量测反馈信息及时调整、修正相关设计参数，以确保隧道结构稳定和施工安全。在隧道埋深较浅、地质复杂、环境敏感的施工地段，采用铣挖机开挖施工技术，同时应进行地表监测与控制，调查周边范围内的建（构）筑物现状，作出相应的评估，必要时采取措施确保其在铣挖机施工时的安全。

本区间为V级围岩，隧道开挖严格遵循“管超前、严注浆、短开挖、强支护、快封闭、勤量测”十八字方针进行暗挖施工，严格控制超欠挖，严格控制洞体开挖稳定及初期支护质量，确保工程内外风险安全控制。

隧道采用铣挖机结合单钩开挖，即掌子面掘进及各台阶拱架掏槽开挖采用铣挖机，以控制开挖轮廓，减少超挖，洞身范围土体（包括核心土）内则采用单钩取出，挖机为小松270-7，施工图见图2、图3。

图2 单钩进行核心土施工

图3 铣挖机掌子面施工

6 铣挖机工作原理及工艺流程

6.1 铣挖机工作原理

铣挖机根据围岩强度情况安装在任何类型的液压挖掘机上，高效替代挖斗、破碎锤，通过直径为67cm、宽度为100cm的铣挖机头在掌子面横向掏一个槽，提供一个临空面，进而对槽周围的岩体进行开挖，铣挖机为隧道开挖提供了一种崭新的施工方法。

6.2 铣挖工艺流程

图4 铣挖工艺流程图

6.3 机械配置、技术参数及设备选型

根据本区间隧道设计的地质条件和工程地质特征，选择艾卡特ER1500-1XL型横向铣挖头:铣挖头直径670mm；铣挖宽度1m，铣挖刀数量48个；最大工作压力35Mpa；铣挖速度75r/min(流量在180～300L/min)；额定流量240L/min(最大320L/min)；输出扭矩13.6～23.4KN.m(P=35MPa)；切削力13.6～40～69.9KN(P=35MPa)；自重2550kg；最大输出功率120 KW；适用的挖掘机质量：20～40t,推荐的挖掘机功率110～190 KW。根据铣挖头参数要求,经过比选,选择小松PC200型挖掘机(日本产)。（见表3）

表3 艾卡特ER1500-1XL型铣挖机基本参数表

7 铣挖机施工方法

7.1 上台阶掏槽

铣挖机首先通过直径为67cm、宽度为100cm的铣挖机头在上台阶掌子面中心位置横向开一个槽，然后在对槽周围的岩体进行开挖，槽深度一般一次为90-100cm，横向宽度为隧道初期支护前导坑轮廓宽度。(见图5）

图5 铣挖机尺寸图

7.2 上台阶环向开挖

掏槽开挖完毕后，形成临空面，沿着槽口逐渐向外扩挖，由于铣挖机可以进行360度旋转，所以开挖时应尽量使其铣挖机头沿着隧道轮廓线进行开挖，减少超欠挖。（见图6-图8）

图6铣挖机掏槽示意图

图7铣挖机在上台阶掌子面开挖图 图8铣挖机环向开挖示意图

7.3 修边

开挖完毕后，用自喷漆标记出需开挖的深度，专人指挥铣挖机进行修边，修边完成后，测量组对开挖尺寸进行量测，对于欠挖部分继续用铣挖机沿隧道轮廓线进行修边，直至满足设计及规范要求，修边完成。（见图9-图11）

图9 欠挖修整 图10 危石清除 图11 铣挖机环向修边示意图

以右洞左上台阶YDK34+890破碎锤及铣挖机开挖后超挖为例，对开挖效果进行测量，量测结果如下表。

表4 破碎锤与铣挖机开挖超挖对比表

破碎锤环向开挖凸凹不平，超欠挖不均衡，单纯的用破碎锤对欠挖部分进行修整，不宜控制超挖，且超挖严重，破碎锤开挖效果如图13，铣挖机开挖轮廓线较圆顺，欠挖宜修整，超挖控制较好，铣挖机开挖效果如图14。

7.4 中下台阶开挖

中下台阶开挖为直接切槽开挖，工序方法如上台阶开挖，见下图14：

图 12破碎锤开挖后的隧道轮廓 图 13铣挖机开挖后的隧道轮廓

图14 铣挖机中下台阶开挖

8 注意事项

因前期未加工使用的连接板的耳板较短，且耳板前后一样长，施工时因开挖断面小，铣挖机工作时拱顶位置铣不到，根据这种情况调整连接钢板耳板前后分别加长10cm和20cm，增加了铣挖机向上弯曲的角度，解决了开挖不到位的问题。

如果调节连接钢板还不能满足开挖要求，可在连接板上焊接一个箱体以增加铣挖机长度。

9 结语

树木岭隧道采用铣挖机施工，平均超挖可控制在5cm内，比爆破开挖及单独采用破锤开挖超挖可减少5cm,每延米可节省混凝土约1.5m³，树木岭隧道暗洞长1837m，共可节省5511m³,按照喷射砼费用计算可节省费用约490万元。

铣挖机在隧道开挖时，不仅有效地减小开挖对围岩及支护拱架的扰动，较好的控制沉降，降低噪音，避免塌方、掉块的发生，保证隧道开挖的施工安全，而且铣挖下来的岩石粒径小且均匀，可直接作为回填料使用，创造直接效益，因此在软弱围岩隧道开挖中的具有巨大的潜力。

在本工程中我项目是唯一一家采用铣挖机进行隧道开挖的标段，在施工中不仅取得了良好的经济效益和社会效应，受到建设单位的好评，希望对今后类似工程的施工起到一定的指导和借鉴意义。

参考文献：

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[2]TB l0003-2005,铁路隧道设计规范[S].中华人们共和国铁道部,2005

[3]TB 10753,高速铁路隧道工程施工质量验收标注[S].中华人们共和国铁道部,2005

[4]李小玲.隧道洞口及洞身开挖施工技术探讨[J].黑龙江学，2016，7（17）：42-43.

[5]黎明.隧道洞身开挖初支施工技术[J].科技风，2019（10）：142-146.

作者简介：

单治政（1984年8月），男，汉族，河北省石家庄市，本科，中级工程师，研究方向：工程技术、工程管理

论文作者:单治政

论文发表刊物:《基层建设》2020年第2期

论文发表时间:2020/5/7