机械化集成设备在矿山法隧道施工中的应用研究

薛洪松

（北京建工土木工程有限公司，北京 100015）

1 工程概况

1.1 工程概况

看丹站～榆树庄站区间起于规划丰西二号路与规划康辛路十字交口处的看丹站站西端，出看丹站后沿规划康辛路以地下方式由东向西敷设，止于榆树庄公园西侧榆树庄站，本段区间右线设计里程为右K20+863.700 ～右K21+659.350 右线区间长约795.65m；区间左线设计里程为：左K20+863.700～左K21+667.603，左线区间长约803.903m。区间覆土厚度为6.6 ～15.44m，区间结构拱顶地层主要为卵石③层，隧道底板穿过土层主要为第四纪沉积的卵石④层。③卵石，杂色，密实-中密，湿，最大粒径120mm，一般粒径60 ～90mm 亚圆形，级配较好，联续分布，重度为21kN/m3；④卵石，杂色，密实，湿，最大粒径150mm，一般粒径60 ～90mm 亚圆形，级配较好，联续分布，重度为21kN/m³。

1.2 设计概况

地铁16 号线看丹站～榆树庄站区间在L1 施工竖井及横通道东侧提供机械法开挖的条件，里程为左(右)K20+864.7～K21+100.0，采用Ф32×4mm、长2m 中空锚杆环向间距300mm 进行预支护加固土层，钢格栅采用Ф20 钢筋制作，作业面拼装，每环间距750mm，结构断面型式为拱顶平底断面，保证机械操作通行，最大净宽6.3m，最大净高6.63m，初支为0.25m 厚的C20 喷射混凝土。

2 机械化集成设备施工原理及工艺流程

机械化集成设备整合了凿岩台车，悬臂掘进机，扒渣机等多种隧道施工工程机械的功能，具备简单灵活的整体造型。机械化集成设备具备挖掘模块、铣削模块、锚杆模块、扒渣排土模块等四个功能模块。挖掘模块主要是通过挖臂以及多个油缸组成，可以通过多个油缸的联动来实现挖臂的垂直高度调节、水平角度调节、铣挖铲翻转、小臂伸缩等功能，从而实现隧道工作面土方开挖。铣削模块用于快速铣格栅槽，通过将铣挖铲调节至与隧道侧壁尽可能垂直，预留100mm 进行人工剔凿修槽）。锚杆模块可根据地层不同选择静压、回转、冲击三种不同模式进行工作锚杆施工。扒渣排土模块通过铣挖铲将渣土堆积到集料铲斗中，集料铲斗上的两个波轮将渣土排挤到输送带上实时运转到运输车上，运输车将渣土运至土场。机械化集成设备结构图如图1，机械化集成设备性能参数表如表1。

图1 机械化集成设备结构图

3 机械化集成设备施工要点

3.1 隧道断面形式

传统隧道为马蹄形断面，拱腰线以下为弧型侧壁及弧形仰拱结构，不利于机械行走，操作空间窄小也不利于机械化挖土和清槽施工，机械化集成设备施工作业时，隧道结构断面需满足机械安置行走及周边空间作业安全要求，采用拱顶平底断面形式，保证机械化施工环境。

表1 机械化集成设备性能参数表

3.2 机械设备进出场准备

竖井净空尺寸不应小于5m×4m，并且此范围内不应存在任何形式的内支撑，以保证设备下井的净空要求。竖井井底应填至横通道地平标高并做到平整坚实，地面承载力宜大于2t/㎡。机械从横通道到正洞转向时90 度转角巷道宽度应大于4m 以满足设备通过性要求，行驶过程中至掌子面严禁碰撞其他设备及隧道内壁。机械行驶至掌子面进行设备拼装作业，拼装前提前做好工程筹划，在安装拆除部位提前预留预埋吊点，吊点受力经技术人员核算符合相关规定后方可实施。

3.3 施工场区布置要求

施工前还应充分考虑机械设备的进出场条件以及后续施工中的施工条件，进行综合性场区布置设计，施工中的材料存储仓、竖井提升装备及存土仓均应与机械化集成设备施工工法的效率相匹配（日均进尺速度为4 ～6m），满足施工效率最大化。根据场地条件、浅埋暗挖装备的外形尺寸及重量合理选用吊装起重设备。起吊设备的起吊能力应经过验算满足使用要求，起重吊装作业各项工作应满足安全技术规程要求。设备吊装竖井周边场地应满足停放暗挖设备装运卡车及配套吊车摆放要求，一般占用面积不小于15m×8m。吊车摆放占位应尽可能靠近竖井口。

3.4 机械化集成设备施工方法

（1）超前支护打设。机械化集成设备进行隧道施工时，应按照“先拱顶、后两侧”的方法进行锚杆打设施工，钻孔前应根据设计要求和围岩条件定孔位并作出标记，利用暗挖机械设备依次调节伸缩臂、推进梁及锚杆机移至最前端标记孔位，利用锚杆机正旋转功能推进锚杆打入，如遇推进阻力过大，打开气泵冲击功能推进锚杆，完成工作面锚杆打设后及时进行注浆。

（2）土方开挖。开挖土方顺序应为从上至下，拱顶处应先开挖中部，后开挖两侧，仰拱处应先开挖两侧，后开挖中部；严格控制开挖步距不大于750mm，受浅埋暗挖法台阶长度及核心土尺寸影响，机械化设备的机械臂较长，机械的精细动作会存在一定偏差，应预留100mm 进行人工铣槽，一味的追求铣槽效果，一方面大大降低施工效率，另一方面，对预留的纵向连接筋及监测点破损较为严重。机械化集成设备开挖隧道采用环形开挖预留核心土法，台阶长度不小于5m，台阶高度为3.2m，机械开挖过程中对掌子面土体扰动大，核心土长度不小于2m，高度不低于1.5m，以支撑掌子面土体，防止其向外侧滑移，确保掌子面的稳定，核心土两侧预留宽1.5m 通道，满足挖臂作业空间要求，并提供机械配合人工架设格栅操作空间。

（3）拱架安装。拱架应在隧道开挖后及时进行架设，安装前应清除钢架脚底虚渣及杂物。操作机械臂将铲斗落至合适高度，将拱架固定在机械臂前端，将拱架运送至安放位置，拱脚应按设计要求打入锁脚锚管或垫平在坚实的土体上，人工进行拱架螺栓连接，格栅安装的位置、接头连接、纵向连接筋应符合设计要求。

（4）喷射混凝土。拱架架设完成后及时喷射混凝土，为防止机械开挖及行进过程中碰撞拱墙侧壁及碾压已完成喷射的混凝土，对已完成面应有喷射混凝土成品保护措施，采用8mm 厚的花纹钢板进行完成面保护。

（5）机械化集成设备安全操作要点：①机械化集成设备司机应经过培训和考核后方可上岗作业，并严格按照安全技术交底及设备厂家使用说明书要求操作设备。②机械化集成设备工作时，非作业人员严禁进入作业区域。③非设备生产厂家专业人员严禁调整液压系统安全阀压力。④设备下方的维修保养工作，应在设备安全停放且保证位置固定和支撑牢固后进行。⑤操作台范围不得放置妨碍操作的任何物件。⑥作业后应将设备停放在坚实、平坦、安全的地方。将工作臂调正、铲斗落地、工作臂收回、滑台退至最后位置，并将所有操纵杆复位、各部位制动器制动，检查确认后司机方可离开。

4 效果分析

机械化集成设备进行隧道施工开挖日平均进尺4 ～6m。传统人工开挖日平均进尺约1.5m。提高施工效率，缩短工期，降低企业管理费。机械化集成设备进行隧道施工昼夜两班12人。传统人工开挖昼夜两班24 人。机械施工为主，人工为辅，大大减轻了劳动强度。减少人工投入，大幅降低人工成本。机械化集成设备进行隧道施工开挖施工速度快、效率高，因此，其施工竖井间距可以加大，暗挖区间可以减少设置1 ～2 个竖井。

5 结语

城市轨道交通矿山法隧道采用机械化集成设备进行施工代替以往的人工施工工艺，一方面能够大幅提高隧道工程施工技术水平，另一方面，也能解决当下暗挖施工工力紧缺危机。通过实际工程施工过程中的不断改进，细化各工序实施、转换，提高了整体机械化施工的可操作性、规范性，实现了隧道工程高效、环保节能，减少劳动力配给，提高施工安全性，达到了预期的理想效果，为北京城市地下空间开发规划、设计、施工提供一定的借鉴。