深竖井条件下暗挖隧道施工机械配套分析

左 强， 林 锐， 陈世凯， 闫红江， 钟鸣洋， 莫智彪

(1. 中铁隧道集团四处有限公司，广西南宁 530000； 2. 西南交通大学土木工程学院，四川成都 610031)

在城市地铁的修建过程中，隧道的施工是不可或缺的一环，科学合理的施工机械配置方案在工程建设中占据着举足轻重的位置[1-2]。目前国内针对明暗挖同时施工、工序复杂交错、周边建筑物密集、地质条件差的地铁车站的研究较少，本文以此为背景，研究暗挖隧道施工机械方案的比选及优化，分析深竖井条件下施工机械选型和各作业线的配套，以施工工法、隧道作业顺序为机械选型出发点，充分考虑了暗挖隧道所处地层、围岩、开挖设备配置、隧道内水平运输和竖井垂直运输等因素，本着优化经济效益，降低施工成本，提升施工效率的安全环保的原则，提出经优化后的施工机械配套方案，为南宁地铁建设提供强有力的技术支撑和先进的施工理论。

1 工程概况

青秀山地铁车站总长184.7 m。其中明挖站厅结构长为82.4 m，标准段宽41.8 m。车站南侧设置地下4层(局部5层)站厅，站厅采用明挖法。站台层采用暗挖法，分别设置左右线主隧道、5个横通道、2个斜扶梯通道及4个竖向通道，结构交错复杂。车站北端设置60 m深活塞风亭用于站台隧道暗挖作业施工，基坑断面尺寸大，风亭底面高差达10 m，且该活塞风井承担相邻站点4台盾构机到达后吊出的任务。

车站的地势起伏较大，总体上南高北低，东高西低。从南到北道路为下沉式走向，并且道路整体呈立体交叉式，两条人行道路车流量大，交通繁忙。车站南面不远处有一栋两层高的管委会大楼，基础较差，除此之外车站毗邻青秀山风景区(5A级风景区)。站位北侧为八角楼(4层)及金汇如意坊(仿古牌坊)等低层餐饮商业建筑，西侧为秀山花园居民住宅小区(8层)，车站周边主要建筑物还包括英华青山立交桥、秀山花园小区。后为缓解工期压力新增一座55 m深的竖井。

2 施工情况

在超深管井降水条件下，暗挖隧道范围内围岩为Ⅴ级。全隧开挖工法以非爆破的形式为主，采用新型高频偏心破碎锤结合挖机、人工修边的形式进行开挖施工，开挖一段支护一段。新增竖井和北端1号风亭基坑，分别采用45 t龙门吊和30 t龙门吊结合抓斗机出渣，塔吊配合竖井进行井内垂直运输。初期支护采用抗渗性能较好的C25，P6喷射混凝土，并以格栅钢架巩固，二次衬砌采用模筑钢筋混凝土或支架模板钢筋混凝土，衬砌厚度为600 mm，初期支护与二衬之间铺设柔性防水层。新增竖井使多台机械运至工作面的时间比原先缩短了将近50 %，同时也为洞内的有效通风、实现碴土快速运输和减少各工序之间的相互干扰创造了条件。

3 机械选型及配套

3.1 机械选型配套考虑因素

在深入了解青秀山地铁车站工程环境、施工人员的班组分配以及设备的出厂日期情况下，机械的选型配套需考虑以下因素：

(1)在购买或租赁机械设备时，同一种机械应尽量选择规格型号相同的，方便日后的维修和保养[3]，并且备足每种机械设备的重要零部件，如若某一设备损坏，能及时更换零件而不影响工程施工进度。

(2)应首选以液压发动机为输出动力的机械设备，相对于柴油发动机，液压发动机更突出环保的理念，对洞内产生的有害气体减少，使得洞内施工环境可见度更高，符合绿色生态施工的要求[4]。

(3)结合龙门吊的最大载重与竖井断面面积大小，应优先考虑小型机械的选用，在衡量整个工程经济效益的前提下，尽可能选用国外进口的或国内知名厂家生产的工作能力强，工作效率高的机械。

(4)机械的配套选型要贯入到每个施工工序中，才能保证施工过程中不脱节，施工作业线是环环相扣的，机械配套方案的拟定要超前施工，这样才能最大程度上避免作业线的交叉干扰而造成时间的浪费。

3.2 非爆破开挖工法

(1)青秀山地铁隧道以泥质粉砂岩、粉细砂岩半成岩地层为主，地层中以松散岩类孔隙水、碎屑岩类孔隙裂隙水为主。在经过降水后，高频破碎锤对岩层之间的裂纹进行高频振击，使其与原来的结合体分离而脱落，在泥岩、粉砂岩、泥质粉砂岩地层中进行开挖效果明显。铣挖机具有低振动、低噪音、围岩扰动小的特点，铣挖机采用机械切削开挖的方式，机械连续切削围岩，在隧道开挖成型方面效果尤为明显。

(2)根据隧道设计开挖断面的大小，通过挖机、双牙高效振动破碎锤及铣挖机的比对分析，确定开挖载体设备的配置及高频破碎锤型号的选择配置,见表1、表2。

表1 设备选配参数表

表2 设备选配方案

(3)重点对设备选型配置后的开挖操作进行可行性分析，不同的断面尺寸确定不同的开挖台阶的高度，确保选配后的设备在隧道内能有效开展工作。根据机械对作业空间的要求，以上台阶高度大于等于4.6 m，长度3～5 m，中台阶高度大于等于2.6 m，长度6～8 m，下台阶高度大于等于2.9 m为原则确定台阶开挖参数。

非爆破开挖工法的成功运用为本工程带来的效益如下：

(1)经济效益：在软弱岩层隧道施工中，采用本工法机械设备联合作业技术先进，施工工序循环时间短，封闭快，较传统单一机械设备作业施工功效高，经与传统设备施工功效的对比，在作业效率上提高39 %，节约工期4个月。施工期内，每月可增加产值200余万，施工期累计增加利润434万，取得了较好的经济效益。

(2)技术效益：促进了复杂环境条件下城市地铁在软弱围岩中小径距隧道群施工技术的发展，完善了非爆破开挖施工技术，为同类隧道施工提供确切的依据，可以有效控制地表下沉和避免爆破震动对岩层的扰动，确保了地表建筑物和隧道结构本身的安全。

(3)社会效益：该软弱围岩隧道开挖非爆破开挖工法的成功实施，为复杂环境条件下软弱围岩隧道快速安全施工提供了较多的参考价值，取得效益的同时也取得各参建方的一致好评，推动了软弱围岩隧道非爆破开挖施工技术的进步。

3.3 出碴运输作业

3.3.1 水平运输

因三台阶法具有快速施工的优点，结合此工法在隧道开挖期间合理的进行挖机、装载机的配置，才能使得开挖进度达到最快。

在开挖过程中，隧道每天的开挖步距为0.8m，根据断面尺寸的大小，可以大致确定一天开挖的土方量，根据开挖的碴土量采用两台CAT313挖机载高频破碎锤以及一台小松200-8机载ERcat-1500型铣挖头联合作业进行台阶法开挖施工，并配置CAT313挖机及柳工50E装载机各一台配合翻渣运土。由于本车站隧道距离短，在节约成本的前提下，隧道内水平运输采用无轨运输模式，碴土装载完毕后运送至新增竖井或北端风亭底下。

3.3.2 垂直运输

根据计算得知，运碴车和土方的总重不大于25 t。虽然垂直皮带传送机具有占地面积小、土建工程量小，输送能力强等优点，但是购置成本非常高。对于本工程而言，在计算每天的土方开挖量之后，垂直皮带传送机的产出效益远远小于它的购进成本，而龙门吊用作垂直运输的工具恰好合适，又因龙门吊为定型产品，制造和维护成本低，所以在垂直运输土方过程中利用承重型号为30 t、45 t的龙门吊作吊运机械。在锁口圈梁上安装井架及提升设备，并采用0.6 mm蓝色彩钢板将井架两侧和顶部封闭。提升系统的安设如下：

(1)龙门架立柱采用槽钢32a，横梁为I56b工字钢，圈梁为工字钢I25b，行走梁为工字钢I45b，斜撑为槽钢18b。

(2)龙门架拼装采取钢板螺栓连接，便于拆装。立柱基础为钢筋混凝土基础，底部预埋钢板与立柱进行螺栓连接。

在垂直升吊碴土前将电动抓斗安放在龙门吊横梁上，抓斗的最大斗容量为14 m3，通过电动抓斗的来回抓取进行碴土的运输，并在基坑周边设置环形通道，方便施工的机械设备、车辆出入，保证交通畅通无阻。基坑西侧进行场地平整后，用于修建渣土坑。碴土的堆放采用就近原则堆放，抓斗运输上来的土方先统一堆放在碴土堆放区，之后由自卸汽车及时把土运出场地外，以此循环。多个电动抓斗同时工作，不仅保证了开挖的土方能及时运出洞外，最终的施工成本也能得到有效控制。

3.4 支护作业线

(1)超前大管棚的施工范围在正线隧道与正线横通道处，两者断面较大，三岔口处的开挖暴露后出现较大的三角形不稳定区域。成管采用导向钻进法并在钻进过程中注入清水。隧道下一循环开挖前对拱顶部分采用双排注浆小导管超前支护工艺。小导管使用YT-26风钻顶入。小导管采用φ42 mm，壁厚3.5 mm的无缝钢管，打设完之后注入1∶1水泥浆液。

(2)由于暗挖隧道区间(Ⅴ级围岩)支护难度大，占用时间长，给施工带来很大困扰。隧道内空间狭窄，喷锚作业施工频繁，因此本工程喷射混凝土施工选用Aliva-285砼湿喷机，初期支护采用35 cm的C25网喷混凝土加格栅钢架联合支护。其它作业设备为一台双液灰浆泵、2台自动上料喷浆车、6台喷浆机和一台JS500搅拌机。Aliva混凝土湿喷机与普通的湿喷机相比的好处在于：①有效利用率高。混凝土的喷射有效利用率在88 %以上，是普通的湿喷机达不到的喷射效果。②完成一道工序耗时短，很大程度上节约了时间成本，对工期进度的加快具有重大意义。③机械化程度高，无需多人操作。

(3)二次衬砌采用复合式衬砌。隧道大里程端头为D型断面，衬砌厚度为700 mm，小里程端头为B型断面，衬砌厚度为700 mm，正常段设计为A、C断面，断面厚度分别为600 mm、800 mm。2号、3号横通道设计厚度为900 mm。

因站台隧道断面类型多，断面与断面差别大，台车不能适用全部断面，其中A、C断面采用液压模板台车，模板台车长度为9 m。模板台车为轨行式、电动自行式。A、C断面各配备一台HBT60型混凝土输送泵，输送泵放置在地面，由混凝土输送泵送入模，采用插入式振捣棒振捣，输送泵的正常泵送能力是60 m3/h。B、D断面采用在台车骨架上改装，E断面、横通道、斜通道及4个小竖井采用支架模板体系，沿着整个圆拱断面布设工字钢。

3.5 通风、防排水作业线

本隧道拱顶埋深50 m，通风难度大，故采用压入式通风。在计算出隧道内的需风量、风机的供风量以及通风阻力后，根据需要配置一定数量的风机。

以压入式通风作为通风方式，需以最小风速计算所需风量Qa，供给隧道内工作的最高人数所需风量Qb，冲淡耗油机械尾气所需风量Qc，工作面需风量的取值则为max{Qa,Qb,Qc}。

(1)按隧道内最小风速计算风量：

最小风速按Vmin=0.25m/s，开挖断面按S=93m3计算。

Qa=Vmin×min×Smax=0.25×60×93=1395m3/min

(1)

(2)按隧道内工作的最多人数计算风量：

根据规范要求，洞内每人每分钟呼吸的新鲜空气量不少于3 m3，在洞内工作的最高人数有94人，风量备用系数取1.2。

Qb=3×94×1.2=338.4m3/min

(2)

(3)按冲淡耗油机械尾气所需风量计算：

根据隧道规程规定，耗油机械运转过程中平均每1 kw所需风量取3 m3/min，机械设备的平均利用率为70 %，耗油机械设备的总功率为980 kw。

Qc=3×980×0.7=2058m3/min

(3)

通过计算可知Qa,Qb,Qc三者中Qc最大，因此洞内所需风量Q需为2 058 m3/min。右线最大供风长度为290 m，左线最大供风长度为262 m，风管在输送空气的过程中难免会有“漏风”现象，要求风机供应的风量分别为：

右线掌子面：

(4)

左线掌子面：

(5)

隧道内摩擦阻力计算：

(6)

式中：α为风阻系数，取0.003；L为隧道通风长度；d为配用风管直径，按1.2 m计算。

暗挖隧道右线风阻力为：

(7)

因为竖井与正洞弯道处有风压损失，所以需要提供的风压为：

P=k×P阻=1.2×2093=2511.6Pa

(8)

暗挖隧道左线风阻力为：

(9)

因为竖井与正洞弯道处有风压损失，所以需要提供的风压为：

P=k×P阻=1.2×1880.4=2256.5Pa

(10)

结合本工程特点，考虑到压入式通风具有拆装简便，能及时把机械设备排出的废气和有害气体通过风压带出洞外，有效改善工作面的空气质量等特点，因此压入式的通风方式为不二之选(图1)。井口安设风机一台，风管采用PVCφ1200拉链式风管，拉链式风管百米漏风率为0.01，摩阻系数为0.02，每节长度是10 m，通风效果好。开挖至右线隧道时，井口增加一台风机(共两台)，采用压入式独头送风，隧道施工期间，左右线各配备一台SFD-I-NO15轴流风机。

图1 竖井压入式通风示意

暗挖隧道排水分为开挖施工阶段排水和二衬施工阶段排水。暗挖隧道开挖初支施工时，在开挖面打设小凹槽临时储水用，利用潜水泵将隧洞内水抽排至新增竖井集水井，最后抽至洞口经净化处理后排放。衬砌段的水主要为衬砌施工时施工用水。在二衬仰拱施工段前方挖一个临时集水坑，同样通过潜水泵将洞内水泵送到新增竖井集水井，集水井的水经净化后再从洞口排出。

小里程到大里程开挖路线为2 %下坡，在左右正线隧道中间设置250 mm×150 mm排水沟排除隧道内积水。左线隧道在施工横通道范围设置2 m×2 m集水井，右线隧道在3号横通道范围内设置2 m×2 m集水井，再由隧洞内集水井集中抽排到新增竖井集水井内。

3.6 机械设备的保养和维护

机械设备在长期使用了一段时间后，难免会出现某些零部件损坏或卡壳等现象，如若不及时维护，不仅会极大地缩短机械设备的使用寿命，延缓工程进度，而且还可能会造成对施工人员的安全隐患。因此，在设备工作期间对其定期维护。虽然对设备进行周期性保养会花费一些费用，但从整个长远经济利益来看，这不但能极大地延长机械设备的使用寿命，机械设备的高效、安全工作还能保证工程顺利按期甚至提前完成。机械设备的保养和维护要从以下方面要从以下方面着手[5]：

(1)预先备足机械零部件。对一些容易损坏的、在国内专售店很难购买到的部件，在做出项目费用筹划后，根据实际需要合理地从国外购买，并放置于阴凉干燥处储备。

(2)与生产厂家多进行沟通交流。明确每种机械设备达到疲劳前的最长运转周期，在这个周期内对机械设备进行1～2次维护保养，减少因长期过度使用造成设备维修费用的增加，有效降低成本，提高工程经济效益。

(3)建立完善的设备维护体系。设备操作人员每天要在机械设备台班表上如实记录机器的运转情况，如“设备正常”或“出现故障”，出现故障时需详细说明具体原因，并在当天及时告知维护人员，落实施工责任制。

4 结论

(1)青秀山站暗挖隧道采用非爆破开挖法机械设备联合作业技术先进，有效控制了隧道开挖超欠挖，降低材料消耗与缩短施工循环时间，提高了施工效率，封闭快，较传统单一机械设备作业施工功效高，经与传统设备施工功效的对比，在作业效率上提高39 %，节约工期4个月。施工期内，每月可增加产值200余万，施工期累计增加利润434万，取得了较好的经济效益、技术效益和社会效益。

采用本工法减少了对围岩的扰动，降低了隧道施工安全隐患，设计预留沉降量为150 mm，采用本工法进行开挖施工，施工过程中从未发生变形预警，经监控量测数据反馈，最终沉降量为14.6 mm，大大降低了施工成本及施工过程安全隐患。全隧开挖施工开始至完成，未发生安全事故。

(2)结合三台阶法的特点，出碴、运碴机械都以此工法为前提进行了合理的选型，CAT313挖机及柳工50E装载机各一台配合碴土的水平运输，30 t、45 t龙门吊与电动抓斗负责挖土方的垂直运输。实践证明，整个碴土运输体系不仅使施工有条不紊地进行，还最大化节约了资源与施工成本，为本工程创造出良好的经济效益。

(3)在降水条件下，本车站暗挖隧道范围内围岩V级，所以隧道的初期支护尤为重要，超前小导管的打设采用Y-26型风钻，从隧道的现场支护情况与隧道收敛数据可以得知Aliva-285混凝土湿喷机施工速度快、喷射混凝土附着力较好、密实度较高、机械化程度高、作业范围大和回弹率低的优点。

(4)依据最小风速、洞内最多人员所需的风量以及稀释内燃机排放的废气所需的风量的条件计算出隧道所需风量和通风阻力，并根据本工程特点，竖井通风采用压入式通风，在隧道施工期间，左右线各配一台型号为SFD-I-NO15轴流式风机。在施工期间隧道内的通风效果保持良好。