□□ 胡拔香，李東斌，張永嬌

(1.陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 渭南 714000；2.昆明鐵路局，云南 昆明 650011；3.中鐵二十局集團(tuán)市政工程有限公司，甘肅 蘭州 730000)

引言

渝懷鐵路涪陵至梅江段增建第二線工程是國(guó)家中長(zhǎng)期鐵路網(wǎng)規(guī)劃的重要建設(shè)項(xiàng)目。建成后，將有利于提高路網(wǎng)的輸送能力和運(yùn)輸服務(wù)質(zhì)量，加強(qiáng)區(qū)域之間的溝通，對(duì)促進(jìn)武陵山區(qū)區(qū)域發(fā)展有著積極作用。

涪秀二線新白沙沱隧道全長(zhǎng)為10.004 km，為特長(zhǎng)單洞單線隧道，是渝懷鐵路涪秀二線唯一的控制性工程。隧道地處“蜀道”烏江天險(xiǎn)，穿越涪陵區(qū)烏江右岸武陵山脈，由于熔巖強(qiáng)烈發(fā)育，灰?guī)r、頁(yè)巖、煤層、斷層角礫巖與基巖裂隙水相繼賦存，極易突發(fā)坍塌、沉降、涌水、突泥災(zāi)害。該隧道鄰近營(yíng)業(yè)線施工，距營(yíng)業(yè)線中線距離在20～50 m范圍的需采用Ⅲ級(jí)要點(diǎn)控制爆破施工，每天最多要點(diǎn)組織一次爆破作業(yè)，且春運(yùn)和重要節(jié)假日、特殊鐵路貨物運(yùn)輸期間嚴(yán)禁進(jìn)行任何爆破作業(yè)，開(kāi)挖支護(hù)必須停工；傳統(tǒng)鉆爆法施工安全風(fēng)險(xiǎn)高、制約因素多、施工進(jìn)度慢；為此，投入STR260型懸臂掘進(jìn)機(jī)，非爆開(kāi)挖不受營(yíng)業(yè)線影響，可每天多循環(huán)進(jìn)行開(kāi)挖支護(hù)施工，提高了隧道施工質(zhì)量、保證了鐵路運(yùn)營(yíng)安全，縮短了施工工期，節(jié)約了施工成本。

1 工作原理

懸臂掘進(jìn)機(jī)是一種集圍巖開(kāi)挖、鏟碴、裝碴為一體的電力驅(qū)動(dòng)履帶式隧道開(kāi)挖施工機(jī)械，開(kāi)挖分上、下臺(tái)階交替進(jìn)行；其施工作業(yè)流程是通過(guò)機(jī)身前端的截割頭對(duì)開(kāi)挖面中部進(jìn)行截割、破碎土石，當(dāng)前方土石達(dá)到一定數(shù)量時(shí)，啟動(dòng)機(jī)身前端下部的液壓鏟板和旋轉(zhuǎn)星輪，機(jī)身通過(guò)履帶適當(dāng)前后移動(dòng)，鏟板鏟入土石，同時(shí)星輪將土石撥入機(jī)身上的輸送帶，再經(jīng)輸送帶上的鏈條和刮板將土石卸入機(jī)身后方的自卸汽車(chē)。懸臂掘進(jìn)機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1-截割部；2-鏟板部；3-運(yùn)輸機(jī)；4-本體部；5-行走部；6-拖纜部；7-電器系統(tǒng)；8-液壓系統(tǒng)；9-除塵系統(tǒng)；10-水系統(tǒng)；11-潤(rùn)滑系統(tǒng)；12-護(hù)板部；13-卷筒組件圖1 懸臂掘進(jìn)機(jī)結(jié)構(gòu)圖

開(kāi)挖完成后，在機(jī)身前端懸臂上安裝可拆卸的臨時(shí)作業(yè)平臺(tái)，進(jìn)行隧道支護(hù)作業(yè)，支護(hù)作業(yè)完成后，拆除該作業(yè)平臺(tái)，進(jìn)入下一循環(huán)作業(yè)。

2 施工工藝及操作要點(diǎn)

2.1 施工工藝流程

懸臂掘進(jìn)機(jī)施工工藝流程如圖2所示。

圖2 懸臂掘進(jìn)機(jī)施工作業(yè)流程圖

2.2 操作要點(diǎn)

2.2.1 施工準(zhǔn)備

懸臂掘進(jìn)機(jī)組裝如圖3所示。采用平板貨車(chē)將懸臂掘進(jìn)機(jī)整機(jī)組件裝運(yùn)至隧道洞口，分解裝運(yùn)的組件包括：履帶及履帶架、主機(jī)、鏟板、輸送帶、懸臂和截割頭，組裝順序?yàn)椋郝膸Ъ奥膸Ъ堋鳈C(jī)→鏟板→輸送帶→截割頭懸臂；隧道洞口提供長(zhǎng)為20 m，寬為15 m的組裝場(chǎng)地。

圖3 懸臂掘進(jìn)機(jī)組裝

動(dòng)力電源提供1 140 V電源如圖4所示。在洞口安裝變壓器，輸出1 140 V電壓電源，引接至隧道洞口專(zhuān)用配電箱，再將懸臂掘進(jìn)機(jī)卷線盤(pán)高壓電纜接入到此配電箱，接通電源。

圖4 輸出電壓1 140 V變壓器

懸臂掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行隧道開(kāi)挖時(shí)，采用吸塵裝置將灰塵通過(guò)機(jī)體內(nèi)部的霧化裝置將灰塵變?yōu)槟嗨?，在懸臂掘進(jìn)機(jī)尾端連接排污軟管，將泥水引排至洞口沉淀池。

懸臂掘進(jìn)機(jī)需提供水源，一是對(duì)機(jī)體和截割頭進(jìn)行降溫，二是機(jī)體除塵設(shè)備需要霧化水；采用供水軟管一端連接至機(jī)體供水管口，另外一端連接至隧道施工供水管完成機(jī)體供水。

2.2.2 測(cè)量放樣

采用全站儀與紅外光柵定位裝置相結(jié)合的方式進(jìn)行測(cè)量放樣，在初期支護(hù)表面環(huán)向安裝紅外光柵定位裝置，并進(jìn)行粗定位，后經(jīng)全站儀及紅外光柵定位裝置360°旋轉(zhuǎn)螺桿進(jìn)行精確定位，準(zhǔn)確投射出隧道開(kāi)挖輪廓線控制線。如圖5和圖6所示。

圖5 光柵定位裝置投點(diǎn)

圖6 光柵定位裝置

2.2.3 長(zhǎng)臺(tái)階法施工

結(jié)合懸臂掘進(jìn)機(jī)作業(yè)條件及單線隧道作業(yè)環(huán)境，充分發(fā)揮機(jī)械化優(yōu)勢(shì)，加快施工進(jìn)度，單線隧道懸臂掘進(jìn)機(jī)開(kāi)挖采用臺(tái)階法施工。

第1步：開(kāi)挖上臺(tái)階中部，中部開(kāi)挖完成后修挖周邊圍巖至設(shè)計(jì)輪廓位置，在懸臂掘進(jìn)機(jī)機(jī)身上安裝支護(hù)作業(yè)臨時(shí)作業(yè)平臺(tái)，完成支護(hù)作業(yè)，拆除臨時(shí)支護(hù)作業(yè)平臺(tái)，完成1個(gè)循環(huán)開(kāi)挖支護(hù)；上臺(tái)階開(kāi)挖面距下臺(tái)階開(kāi)挖面50 m時(shí)，同時(shí)距仰拱端頭75 m，轉(zhuǎn)入下臺(tái)階開(kāi)挖支護(hù)。

第2步：開(kāi)挖支護(hù)下臺(tái)階，距上臺(tái)階開(kāi)挖面25 m時(shí)停止。

第3步：下臺(tái)階開(kāi)挖面填筑坡道，再將懸臂掘進(jìn)機(jī)移動(dòng)至上臺(tái)階開(kāi)挖支護(hù)。

第4步：上臺(tái)階開(kāi)挖支護(hù)的同時(shí)，施工仰拱，二次襯砌同步跟進(jìn)施工。

上、下臺(tái)階交替施工中，始終保持仰拱端頭距上臺(tái)階開(kāi)挖面≯75 m，仰拱端頭距下臺(tái)階開(kāi)挖面≯50 m，二次襯砌端頭距上臺(tái)階開(kāi)挖面≯100 m。如圖7所示。

圖7 長(zhǎng)臺(tái)階施工縱斷面圖

2.2.4 掌子面S形破碎開(kāi)挖

先對(duì)中部進(jìn)行S型開(kāi)挖，保持周邊圍巖的穩(wěn)定，中部開(kāi)挖完成后，上臺(tái)階從隧道拱部向兩側(cè)修挖輪廓；先開(kāi)挖中部有利于保證周邊圍巖的穩(wěn)定，也有利于截割頭快速進(jìn)入截割形成臨空面；通過(guò)S型開(kāi)挖方法迅速開(kāi)挖完成中部圍巖，再根據(jù)測(cè)設(shè)點(diǎn)，將周邊圍巖修鑿平整、圓順，完成開(kāi)挖。如圖8和圖9所示。

圖8 上臺(tái)階開(kāi)挖示意圖

圖9 下臺(tái)階開(kāi)挖示意圖

因懸臂掘進(jìn)機(jī)開(kāi)挖對(duì)周邊圍巖損傷較小，充分發(fā)揮了隧道周邊圍巖的自穩(wěn)能力，根據(jù)圍巖情況，Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖每次可開(kāi)挖進(jìn)尺可達(dá)到2～3榀。

2.2.5 出碴

出碴作業(yè)通過(guò)懸臂掘進(jìn)機(jī)左、右側(cè)液壓星輪旋轉(zhuǎn)，星輪葉片將土石撥入機(jī)體運(yùn)輸機(jī)槽內(nèi)，鏈條帶動(dòng)運(yùn)輸機(jī)刮板，將土石輸送至后方自卸車(chē)貨箱內(nèi)，運(yùn)輸至棄碴區(qū)。如圖10和圖11所示。

圖10 星輪撥碴土進(jìn)入輸送帶

2.2.6 支護(hù)作業(yè)平臺(tái)

軟弱圍巖需施做超前導(dǎo)管，安裝鋼架、鋼筋網(wǎng)片、施做錨桿等支護(hù)作業(yè)，受單線隧道空間限制，設(shè)計(jì)一種可拆裝作業(yè)平臺(tái)，與懸臂掘進(jìn)機(jī)配套作業(yè)；平臺(tái)設(shè)計(jì)為3節(jié)，使用時(shí)將3節(jié)底部槽鋼扁擔(dān)梁與機(jī)臂采用螺栓連接，周邊插入鋼管欄桿做臨邊防護(hù)，底部鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)片作為施工人員的觸地平臺(tái)。如圖12所示。

圖12 支護(hù)作業(yè)平臺(tái)

開(kāi)挖作業(yè)完成后，將掘進(jìn)機(jī)調(diào)整至隧道中線位置，掘進(jìn)機(jī)懸臂調(diào)平，將截割頭旋入掌子面巖土中。支護(hù)作業(yè)人員再將作業(yè)平臺(tái)固定安裝在懸臂掘進(jìn)機(jī)懸臂上，支護(hù)作業(yè)完成后，將作業(yè)平臺(tái)拆除，其安裝和拆除時(shí)間約為20 min。

3 結(jié)語(yǔ)

該技術(shù)在涪秀二線鐵路新白沙沱隧道、曹家塘隧洞、新磨溪2號(hào)隧道成功應(yīng)用，成套技術(shù)具有創(chuàng)新性，達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，對(duì)其技術(shù)及應(yīng)用特點(diǎn)歸納如下：

(1)采用懸臂掘進(jìn)機(jī)施工，對(duì)運(yùn)營(yíng)的營(yíng)業(yè)線隧道無(wú)任何安全影響，確保了營(yíng)業(yè)線運(yùn)營(yíng)安全，每天可多循環(huán)施工作業(yè)，明顯提高了施工進(jìn)度；解決了鄰近營(yíng)業(yè)線施工進(jìn)度問(wèn)題，同時(shí)施工進(jìn)度的加快降低了施工成本投入。

(2)設(shè)計(jì)了組拼式可裝拆臨時(shí)作業(yè)平臺(tái)，與懸臂掘進(jìn)機(jī)配套施工，完成了隧道超前、初期支護(hù)及其他工序施工；解決了懸臂掘進(jìn)機(jī)開(kāi)挖作業(yè)與隧道其他工序施工的配套問(wèn)題。

(3)懸臂掘進(jìn)機(jī)施工后，對(duì)周邊圍巖損傷小，充分發(fā)揮了圍巖的自穩(wěn)能力，降低了安全風(fēng)險(xiǎn)，Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖一次開(kāi)挖距離可達(dá)到2～3榀，且施工安全可靠，解決了鉆爆施工上臺(tái)階Ⅳ級(jí)圍巖最多只能開(kāi)挖2榀、Ⅴ級(jí)圍巖最多只能開(kāi)挖1榀的施工難題；對(duì)周邊圍巖損傷小，無(wú)掉塊現(xiàn)象，有效地控制了隧道超挖，減少了初期支護(hù)噴射混凝土用量，降低了施工成本投入，解決了傳統(tǒng)鉆爆法難以解決的混凝土超耗量的難題。

(4)采用清潔能源提供動(dòng)力，改善了隧道洞內(nèi)作業(yè)環(huán)境；通過(guò)機(jī)械化減少了作業(yè)人員數(shù)量，有力地推進(jìn)了隧道機(jī)械化施工的進(jìn)程。