浅埋暗挖隧道全断面机械施工技术

浅埋暗挖隧道全断面机械施工技术

李乐

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摘要：目前城市暗挖隧道多采用人工开挖，由于隧道内灰尘弥漫，施工环境十分恶劣。为改善暗挖隧道施工环境，自主研发了多功能暗挖一体机对传统暗挖法进行改造升级，实现隧道全断面施工。在通州潞城地铁站附近的杂堆土地层进行了现场试验，结果证明使用暗挖一体机进行浅埋暗挖隧道全断面施工是可行的，相比传统暗挖法其在提高施工效率，降低施工成本的同时，可大大降低施工人员的工作强度。

关键词：暗挖隧道；暗挖一体机；杂堆土地层；全断面施工

浅埋暗挖法作为城市隧道修建的主要施工方法之一，从创立之初就在很大程度上依赖人工开挖，施工人员常常带尘作业，工作环境恶劣。随着中国社会老龄化的加剧，劳动力变得稀缺而昂贵；全民文化素质较30年前大幅度提高，施工人员对工作环境的要求越来越高，年轻一代不愿投身到隧道建设中，导致浅埋暗挖法的应用空间和市场份额逐渐被盾构法所取代。因此对浅埋暗挖法进行一定程度的机械化改造，降低施工人员工作强度，改善工作环境，提升该工法的市场生命力显得尤为重要。笔者所在单位自主研发了多功能暗挖一体机用于城市浅埋隧道全断面施工，下面结合具体工程实例对设备功能的可行性进行现场试验。

1试验段选址及地层情况

暗挖试验段选址要考虑以下因素：环境安全，水电交通方便、地层有一定代表性、暗挖隧道有一定的埋深、地层具备无水条件。

试验段场地位于通州潞城地铁站管廊一期项目部附近，隧道覆土1～10 m，土质为杂堆土，含建筑弃土，建筑垃圾、生活垃圾等。土体黏聚力5 kPa ，内摩擦角8°，含水率10%一15 % ，干密度1.4～1.7 g/cm³。

2试验方案

试验段隧道断面为地铁区间标准断面，高6.62 m，宽6.48 m，采用全断面施工。其支护参数为：初支厚度25 cm，格栅间距0.75 m，小导管沿隧道拱顶开挖轮廓线120°范围布设，间距30 cm，共打设21根，支护长度8 m，开挖6 m，搭接2m。

掌子面通过玻纤锚杆注浆加固，约束超前核心土挤出变形，保证施工安全。掌子面具体加固参数为：玻纤锚杆加固长度12 m，开挖8 m，搭接4m。小导管上半断面加固密度1.5 mx1.5 m(6根)，下半断面加固密度1.0 mx1.0 m(15根)。

3试验材料准备及施工过程

3.1试验材料准备

1)多功能暗挖一体机

试验段采用自主研发的多功能暗挖一体机进行全断面施工，测试设备性能及全断面机械施工工效。该设备包括9部分：①钻进部，②扒斗装置，③装运部，④本体部，⑤行走部，⑥护板部，⑦液压系统，⑧电气系统，⑨润滑系统，集成了超前钻孔、超前支护、开挖、出渣以及辅助拱架安装等功能。

2)玻纤锚杆

为实现隧道全断面开挖，需对掌子面核心土进行预加固，以免其挤出变形过大引起掌子面土体滑塌。试验采用玻纤锚杆注浆加固掌子面土体，其具体参数为：L=12m， 025 mm，壁厚6.5 mm，抗拉强度700 MPa，抗剪强度150 MPa ，弹性模量40 GPa ，端头注浆。

3.2现场施工过程

由暗挖一体机钻杆直接将042 mm的小导管打入土层，形成棚护作用；暗挖一体机钻机更换076 mm钻杆成孔，现场工人进行玻纤锚杆安装，并注浆加固；超前预加固完成后进行全断面开挖、出渣，暗挖一体机挖斗存在一定的工作面盲区，因此由机械开挖配合人工辅助进行隧道轮廓线全断面土体一次开挖成形；由挖机机械臂配合人工完成格栅拱架架立，最后喷混凝土完成初支施工。

4超前核心土挤出变形监测

隧道开挖产生的围岩变形反应是由超前核心土体的变形特性决定的，通过研究发现隧道区域至少30 %的收敛变形是在掌子面到来之前产生的。

传统暗挖法由于留有核心土，因此只注重隧道洞壁收敛变形及拱顶、地表沉降变形的监测。不留核心土实现全断面开挖后，掌子面稳定性是隧道安全施工的关键，因此更要注重对掌子面前方土体的加固以及对掌子面挤出变形的监控量测，根据监测结果评价土体的稳定性，指导隧道安全施工。

4.1掌子面挤出变形监测

采用多个激光位移传感器对掌子面土体进行实时监测，具体监测方法为：将多个激光位移传感器安装到预制的十字或米字铁架上，待下一环掌子面土体开挖完成后，将铁架放置到距掌子面一定距离的地方，在掌子面激光打到的位置安放反光贴片。监测时间为上循环掌子面土体开挖结束到下循环掌子面土体开挖开始，所有的监测数据通过电信号传输到监测平台实时显示。

5施工工效及成本分析

5.1各施工步序工效统计

1)小导管施工工效统计

超前小导管单根平均施工耗时约12 min，共打设21根，总耗时4.2 h。

2)掌子面成孔及安装玻纤锚杆耗时统计

掌子面成孔及安装玻纤锚杆单孔耗时18 min，成孔21个，总耗时6.3 h。

3 )土方开挖耗时统计

全断面土方开挖1m3耗时1.2 min ，开挖进尺1m，掌子面面积约42 m2，总耗时0.84 h。

4)格栅架立及喷射混凝土耗时统计格栅架立用工5人，耗时45 min/榴；喷射混凝土每榴耗时1.4 h。

根据现场施工耗时统计可以得出，采用暗挖一体机施工1d进尺3～4 m，月进度90～120 m。考虑到该设备为初代样机，尚存在一些问题，经不断改良后，月进度可以达到120 m。

5.2施工成本对比分析

1)施工效率对比

全断面机械开挖目前日进尺3 m，预计最终可达到4 m；传统人工开挖日平均进尺约2 m。以完成1000 m暗挖隧道计算，全断面机械开挖可缩短工期250 d ，节约管理费280万元。

2)人工投入对比

全断面机械开挖需配备5名工人，昼夜两班共10人；传统台阶法人工开挖需配备6名工人，昼夜两班共12人。人工费300元/d，以完成1000 m暗挖隧道计算，全断面机械开挖可节省劳务费15万元。

3)节约格栅成本

相比传统暗挖方法，全断面机械开挖格栅间距由0.5 m变为0.75 m，以完成1 000 m暗挖隧道计算，格栅节省约666榴，可节约成本168万元。

4)掌子面加固成本

以完成1 000 m暗挖隧道计算，玻纤锚杆费用20.9万元，掌子面注浆费用5.6万元，全断面机械开挖相比传统暗挖方法增加费用总计26.5万元。

综上所述，全断面机械施工相比传统暗挖法效率更高、成本更低，以完成1000 m暗挖隧道计算，全断面机械施工可节约总成本436.5万元。

6结论

1)在软土地层中通过对掌子面采取超前预加固措施，在保障防塌陷条件下进行全断面暗挖施工是可行的。

2)自主研发的多功能暗挖一体机可满足浅埋暗挖全断面机械化施工成孔、开挖出渣，辅助架设钢格栅等现场施工需求，并且在施工工效、节约施工成本和人力投入等方面要优于传统暗挖法，因此浅埋暗挖隧道全断面机械化施工是未来发展的趋势。

3)通过试验发现，暗挖一体机还存在一些问题，需不断改进优化。例如掌子面全断面开挖后，格栅拱架可一次架立成环，减少分段拼接数量，提高格栅拱架安装质量。但格棚拱架全环安装重量较大，因此下一步考虑研发格栅拱架整环安装台车，以降低工人劳动强度，提高施工效率。

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