悬臂掘进机在邻近营业线单线隧道施工中的应用

□□ 胡拔香，李东斌，张永娇

(1.陕西铁路工程职业技术学院，陕西 渭南 714000；2.昆明铁路局，云南 昆明 650011；3.中铁二十局集团市政工程有限公司，甘肃 兰州 730000)

引言

渝怀铁路涪陵至梅江段增建第二线工程是国家中长期铁路网规划的重要建设项目。建成后，将有利于提高路网的输送能力和运输服务质量，加强区域之间的沟通，对促进武陵山区区域发展有着积极作用。

涪秀二线新白沙沱隧道全长为10.004 km，为特长单洞单线隧道，是渝怀铁路涪秀二线唯一的控制性工程。隧道地处“蜀道”乌江天险，穿越涪陵区乌江右岸武陵山脉，由于熔岩强烈发育，灰岩、页岩、煤层、断层角砾岩与基岩裂隙水相继赋存，极易突发坍塌、沉降、涌水、突泥灾害。该隧道邻近营业线施工，距营业线中线距离在20～50 m范围的需采用Ⅲ级要点控制爆破施工，每天最多要点组织一次爆破作业，且春运和重要节假日、特殊铁路货物运输期间严禁进行任何爆破作业，开挖支护必须停工；传统钻爆法施工安全风险高、制约因素多、施工进度慢；为此，投入STR260型悬臂掘进机，非爆开挖不受营业线影响，可每天多循环进行开挖支护施工，提高了隧道施工质量、保证了铁路运营安全，缩短了施工工期，节约了施工成本。

1 工作原理

悬臂掘进机是一种集围岩开挖、铲碴、装碴为一体的电力驱动履带式隧道开挖施工机械，开挖分上、下台阶交替进行；其施工作业流程是通过机身前端的截割头对开挖面中部进行截割、破碎土石，当前方土石达到一定数量时，启动机身前端下部的液压铲板和旋转星轮，机身通过履带适当前后移动，铲板铲入土石，同时星轮将土石拨入机身上的输送带，再经输送带上的链条和刮板将土石卸入机身后方的自卸汽车。悬臂掘进机结构如图1所示。

1-截割部；2-铲板部；3-运输机；4-本体部；5-行走部；6-拖缆部；7-电器系统；8-液压系统；9-除尘系统；10-水系统；11-润滑系统；12-护板部；13-卷筒组件图1 悬臂掘进机结构图

开挖完成后，在机身前端悬臂上安装可拆卸的临时作业平台，进行隧道支护作业，支护作业完成后，拆除该作业平台，进入下一循环作业。

2 施工工艺及操作要点

2.1 施工工艺流程

悬臂掘进机施工工艺流程如图2所示。

图2 悬臂掘进机施工作业流程图

2.2 操作要点

2.2.1 施工准备

悬臂掘进机组装如图3所示。采用平板货车将悬臂掘进机整机组件装运至隧道洞口，分解装运的组件包括：履带及履带架、主机、铲板、输送带、悬臂和截割头，组装顺序为：履带及履带架→主机→铲板→输送带→截割头悬臂；隧道洞口提供长为20 m，宽为15 m的组装场地。

图3 悬臂掘进机组装

动力电源提供1 140 V电源如图4所示。在洞口安装变压器，输出1 140 V电压电源，引接至隧道洞口专用配电箱，再将悬臂掘进机卷线盘高压电缆接入到此配电箱，接通电源。

图4 输出电压1 140 V变压器

悬臂掘进机进行隧道开挖时，采用吸尘装置将灰尘通过机体内部的雾化装置将灰尘变为泥水，在悬臂掘进机尾端连接排污软管，将泥水引排至洞口沉淀池。

悬臂掘进机需提供水源，一是对机体和截割头进行降温，二是机体除尘设备需要雾化水；采用供水软管一端连接至机体供水管口，另外一端连接至隧道施工供水管完成机体供水。

2.2.2 测量放样

采用全站仪与红外光栅定位装置相结合的方式进行测量放样，在初期支护表面环向安装红外光栅定位装置，并进行粗定位，后经全站仪及红外光栅定位装置360°旋转螺杆进行精确定位，准确投射出隧道开挖轮廓线控制线。如图5和图6所示。

图5 光栅定位装置投点

图6 光栅定位装置

2.2.3 长台阶法施工

结合悬臂掘进机作业条件及单线隧道作业环境，充分发挥机械化优势，加快施工进度，单线隧道悬臂掘进机开挖采用台阶法施工。

第1步：开挖上台阶中部，中部开挖完成后修挖周边围岩至设计轮廓位置，在悬臂掘进机机身上安装支护作业临时作业平台，完成支护作业，拆除临时支护作业平台，完成1个循环开挖支护；上台阶开挖面距下台阶开挖面50 m时，同时距仰拱端头75 m，转入下台阶开挖支护。

第2步：开挖支护下台阶，距上台阶开挖面25 m时停止。

第3步：下台阶开挖面填筑坡道，再将悬臂掘进机移动至上台阶开挖支护。

第4步：上台阶开挖支护的同时，施工仰拱，二次衬砌同步跟进施工。

上、下台阶交替施工中，始终保持仰拱端头距上台阶开挖面≯75 m，仰拱端头距下台阶开挖面≯50 m，二次衬砌端头距上台阶开挖面≯100 m。如图7所示。

图7 长台阶施工纵断面图

2.2.4 掌子面S形破碎开挖

先对中部进行S型开挖，保持周边围岩的稳定，中部开挖完成后，上台阶从隧道拱部向两侧修挖轮廓；先开挖中部有利于保证周边围岩的稳定，也有利于截割头快速进入截割形成临空面；通过S型开挖方法迅速开挖完成中部围岩，再根据测设点，将周边围岩修凿平整、圆顺，完成开挖。如图8和图9所示。

图8 上台阶开挖示意图

图9 下台阶开挖示意图

因悬臂掘进机开挖对周边围岩损伤较小，充分发挥了隧道周边围岩的自稳能力，根据围岩情况，Ⅳ、Ⅴ级围岩每次可开挖进尺可达到2～3榀。

2.2.5 出碴

出碴作业通过悬臂掘进机左、右侧液压星轮旋转，星轮叶片将土石拨入机体运输机槽内，链条带动运输机刮板，将土石输送至后方自卸车货箱内，运输至弃碴区。如图10和图11所示。

图10 星轮拨碴土进入输送带

2.2.6 支护作业平台

软弱围岩需施做超前导管，安装钢架、钢筋网片、施做锚杆等支护作业，受单线隧道空间限制，设计一种可拆装作业平台，与悬臂掘进机配套作业；平台设计为3节，使用时将3节底部槽钢扁担梁与机臂采用螺栓连接，周边插入钢管栏杆做临边防护，底部铺设钢筋网片作为施工人员的触地平台。如图12所示。

图12 支护作业平台

开挖作业完成后，将掘进机调整至隧道中线位置，掘进机悬臂调平，将截割头旋入掌子面岩土中。支护作业人员再将作业平台固定安装在悬臂掘进机悬臂上，支护作业完成后，将作业平台拆除，其安装和拆除时间约为20 min。

3 结语

该技术在涪秀二线铁路新白沙沱隧道、曹家塘隧洞、新磨溪2号隧道成功应用，成套技术具有创新性，达到国际先进水平，对其技术及应用特点归纳如下：

(1)采用悬臂掘进机施工，对运营的营业线隧道无任何安全影响，确保了营业线运营安全，每天可多循环施工作业，明显提高了施工进度；解决了邻近营业线施工进度问题，同时施工进度的加快降低了施工成本投入。

(2)设计了组拼式可装拆临时作业平台，与悬臂掘进机配套施工，完成了隧道超前、初期支护及其他工序施工；解决了悬臂掘进机开挖作业与隧道其他工序施工的配套问题。

(3)悬臂掘进机施工后，对周边围岩损伤小，充分发挥了围岩的自稳能力，降低了安全风险，Ⅳ、Ⅴ级围岩一次开挖距离可达到2～3榀，且施工安全可靠，解决了钻爆施工上台阶Ⅳ级围岩最多只能开挖2榀、Ⅴ级围岩最多只能开挖1榀的施工难题；对周边围岩损伤小，无掉块现象，有效地控制了隧道超挖，减少了初期支护喷射混凝土用量，降低了施工成本投入，解决了传统钻爆法难以解决的混凝土超耗量的难题。

(4)采用清洁能源提供动力，改善了隧道洞内作业环境；通过机械化减少了作业人员数量，有力地推进了隧道机械化施工的进程。