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摘要：悬臂式掘进机是煤矿系统中常见的机械开挖设备，将其在城市高难度复杂隧道中运用，取决于开挖方式的共通性、设备的适用性以及围岩的力学特性。工程实践研究表明，在城市高难度复杂隧道中推广应用悬臂式掘进机技术可行，施工中对围岩扰动小，适应力强，安全风险小，断面成型质量高，相比钻爆法施工具有明显的优势。本文依托实际工程，总结了掘进机在城市高难度复杂隧道中断面成型影响因素、控制方法及存在的问题，可供类似工程项目参考。
关键词：超小半径；螺旋隧道；掘进机；断面成型质量
引言
在普通的山岭隧道中，埋深大，各类制约因素小，隧道开挖为常规的钻爆法，其工序相对简单、效率高、成本低。但对于城市繁华地区，地面高楼林立，地下构筑物、管网星罗密布，显然无法满足严格的施工要求。因此，非爆开挖是近年来城市复杂隧道中较为常用的方法。非爆开挖分为机械开挖和人工开挖，机械开挖有盾构机、破碎机、劈裂机等，人工开挖则是水钻法。盾构机受限于断面频繁变化且成本高，破碎机、劈裂机、人工水钻弊端则是效率低、噪音大。
近20年来，我国掘进机国产化技术及应用快速发展，设计、制造接近国际水平，在国内煤炭系统已经是十分成熟的综合机械化掘进设备。城市隧道的机械化施工是隧道工程的发展方向，通过实际工程应用，阐明了悬臂式掘进机在超小半径螺旋隧道中的开挖断面成型质量，对类似工程具有一定借鉴价值。
1、工程概况
解放碑地下环道位于重庆市渝中区的解放碑核心区，包括“一环七线多连通”，根据建设时序由一二三期工程组成，三期工程是实现“一环”的最后重要拼图，也是连接嘉滨路的唯一路径。
嘉滨路连接道（下图蓝色区域）为超小半径螺旋隧道，东侧紧邻重庆网红景区洪崖洞，上部及西侧有大量老旧居民楼、2座高压铁塔以及重医附二院、市统战部等重要建筑物。隧道地质主要为砂岩、砂质泥岩。本工程施工难度大、安全风险问题突出，施工受限度高、工期紧。非爆破开挖段采用悬臂式掘进机进行切割开挖。
图1-1：3D模板图
2、设备选型
工程场区位于嘉陵江右岸坡麓地带，属构造剥蚀浅丘地貌。场地整体上为南高北低，地层由上而下依次可分为第四系杂填土（Q4ml），下伏侏罗系中统沙溪庙组（J2S）砂岩、泥岩。
目前使用较广泛且主要用于煤矿巷道掘进，通过对山西晋城寺河煤矿、四川攀枝花花山煤矿巷道现场实地考察，分别从切割岩石能力、工效进尺、截齿消耗成本费用对比分析，结合本工程特点，并取样实测该工程岩石单轴饱和抗压度。为了确保掘进机切割能力有足够的富余、截齿消耗最小、防止切割时机身振动、滑移，并确保工期得到保证，经论证决定选用EBZ260H型悬臂式掘进机。
3、断面成型影响因素
3.1 现状
嘉滨路连接道全线采用单侧壁导坑法开挖，遵循“非爆破、短进尺、强支护、早封闭、勤量测”原则，每分部开挖完成后必须及时进行支护，做到一掘一支，支护跟笼掌子面，严禁空顶作业。
隧道标准两车道断面且隧道紧临或下穿重要建构筑物段采用单侧壁导坑法施工。为确保建构筑物安全，有效控制地表沉降及周边收敛，全断面均采用掘进机配和破碎机开挖，施工时将图3-1中单侧壁导坑施工工法①部根据掘进机有效切割高度分成上下台阶两步开挖，每部开挖成型后施工初期支护及临时支护。②③部适当调整分部开挖高度，以满足掘进机有效切割高度，临时支护锚杆区域掘进机开挖时预留，待掘进机开挖完成后采用破碎机开挖，左右侧壁台阶长度控制在20m以内各分部之间的距离也控制在20m以内。
图3-1 单侧壁导坑法施工顺序
3.2 影响因素与控制方案
通过深入施工现场进行全面、详细地调查并对已施工完成的区域开挖面进行断面成型跟踪调查和统计分析，发现主要存在的影响因素包括：
（1）超欠挖误差大
通过现场调查，测3个循环平均进尺为3.3m，导致在小半径螺旋隧道中，很难按照隧道平面走向向前掘进，往往趋于直线掘进开挖，这样便会造成隧道内弧一侧欠挖、外弧一侧超挖的现象。通过跟踪测量3各循环断面超欠挖，内弧一侧平均欠挖14～23cm，外弧一侧平均超挖21～29cm。
控制方案：
①结合拱架架立间距，将进尺减小为每循环1.6m，在方便拱架架立同时最大限度减少长进尺造成的超欠挖；
②每循环掘进过程中加强测量放样的频次；
③安排专人现场指挥协助操作手切割时进行超欠挖控制。
（2）初支断面死角
受切割头切割轨迹限制，无论采用何种工法初支拱脚均存在死角，单侧壁导坑初支拱脚或临支与初支间夹角存在死角情况，单靠掘进机无法开挖到位。各种施工工法掘进机死角分布情况详见图3-2所示：
图3-2 掘进机断面开挖死角示意图
控制方案：
①处理死角的方法可采用破碎机或掘进机强行切割，但掘进机强行切割超挖大，初支材料浪费严重，开挖断面不圆顺局部存在突变造成应力集中，故建议死角采用破碎机进行处理；
②单双侧壁导坑中尽量将弧形导坑拉直，从而有效减少死角。
（3）掘齿磨损不一
掘进机截割头截割头为圆锥台形，整体一次浇铸成型，截割头圆周分布60 把镐形截齿，截齿与截割头通过齿座连接，齿座与截割头采用高温热熔焊接成一体，若截齿磨损后长时间得不到跟换将导致齿座受损。
控制方案：
①岩石为f7及以上时，每连续截割30分钟必须检查一下截齿情况：
A、检查截齿，如有合金脱落、崩碎及磨损严重情况，立即更换截齿，否则齿体迅速磨损导致截齿无法保护截齿座，因而磨损截齿座。
B、检查截齿是否转动灵活，如发现转动艰难，需清理截齿座与截齿之间的夹渣，使截齿转动灵活，否则会出现截齿偏磨现象，影响截齿的使用寿命。
C、检查截齿卡簧状态是否正常，如有脱落，及时安装卡簧，避免截割过程中截齿丢失，从而损坏齿座。
②及时跟换损坏的截齿
截齿损坏且达到需更换区间后必须及时跟换截齿，否则将导致截割头齿座损伤。
③及时维护导料板与耐磨板
截割头在伸入物料中截割时，截割头后部会完全参与工作，使后部导料板与耐磨板磨损较快。如不及时维护，会在耐磨板及导料板磨损后直接磨损截割头后端的截齿，损坏截割头。所以在掘进机使用一段时间后，应检查截割头后端导料板及耐磨板的磨损情况，若发现磨损严重，应及时进行补焊或更换。
④避免使用截割头截割过程中碰撞金属材质物体。
4、存在的问题
4.1 粉尘问题
悬臂式掘进机在切割围岩时会产生大量粉尘，隧道除尘采用压入式通风机，仅靠送风对掘进机开挖的除尘作用不大，现有的除尘措施只能采取综合（通风+水幕）除尘方法，如果通风降尘效果较差，导致洞内粉尘浓度过大影响掘进机操作人员的视线，无法精确控制超欠挖。
建议增加一台脉冲滤芯除尘风机进行抽风，在通风方式上采用压入式和抽出式相结合的联合通风方式，抽出风量应比压入风量大约1.5～2.0倍，这样才能有效的排出粉尘，使隧道内作业环境一直处于新鲜风流之中，保证施工空气环境良好。
4.2 临时支护锚杆区域无法切割
掘进机开挖过程中单双侧壁导坑锚杆区域预留，待锚杆预留区域掘进机开挖完成后再采用破碎机进行开挖。由于单侧壁导坑及双侧壁导坑受临时支护锚杆影响，无法发挥掘进机最佳效力，必须辅于破碎机进行开挖，功效较低。
图4-1 临时支护锚杆范围示意图
建议将临时支护金属锚杆调整为高强树脂锚杆或玻璃钢锚杆，确保锚杆区域能直接采用掘进机切割进而发挥掘进机的效率；同时，采用掘进机开挖与控制爆破想结合的方式，尤其是双侧壁导坑预留核心土，掘进机开挖后两侧均创造了临空面，预留核心土爆破施工能有效的起到减震作用。
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[4]谢达文，城市浅埋及超浅埋隧道非爆技术设备选型与配套研究 现代隧道技术，第50卷第一期（总第348期）2013年2月出版；
论文作者:付勉,刘培江
论文发表刊物:《防护工程》2019年15期
论文发表时间:2019/11/28
标签：隧道论文; 导坑论文; 掘进机论文; 断面论文; 悬臂论文; 侧壁论文; 磨损论文; 《防护工程》2019年15期论文;