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隧道悬臂式掘进机施工安全质量控制技术
作者:山东格瑞特监理咨询有限公司 李振旭 来源:《中国交通建设监理》 时间:2023-10-12


本文以济南至潍坊高速公路金家楼隧道掘进机施工为例,对隧道“智慧高速建设”和“百年平安品质工程”创建进行了一些实践和思考。

一、工程概况

该隧道工程位于山东省潍坊市临朐县,隧道左线轴线长852.5m,隧道右线轴线长813m,为双向六车道分离式中隧道,开挖高度12.51m,宽度为18.59m,断面面积为187m2,围岩以Ⅲ、IV级为主。

(一)地形地貌

隧道地形地貌属强~弱切割侵蚀溶蚀、剥蚀溶蚀低山丘陵地貌单元,地形起伏较大,第四系覆盖层较薄,下伏基岩主要为寒武系白云质灰岩、豹皮灰岩及寒武系泥质条带状灰岩、竹叶状灰岩等,地下水相对较贫乏,稳定水位差别较大,沿线地层稳定,地基工程地质条件较好。

(二)地质条件

隧道地层岩性经工程地质调绘及勘探揭露,隧址区出露和揭露地层为第四系残坡积层(Q3dl+el)及寒武系地层,发育于剥蚀低山丘陵区冲沟内沟底及坡脚处,主要为黏性土及碎石土等,场区分布较少。粉质黏土层:黄褐色,可塑~硬塑,切面较粗糙,无光泽反应,中等干强度,中等韧性,表层见植物根系,承载力基本容许值=140kPa~180kPa。碎石土:黄褐夹浅灰色,松散~中密,母岩成分为灰岩碎块,颗粒呈棱角形,磨圆度差,颗粒粒径大小不均,级配较好,一般粒径1cm~7cm,由少量粉质黏土充填,承载力基本容许值=300kPa~500kPa。

主要岩性为古生界寒武系灰岩、页岩。强风化灰岩:浅灰色,隐晶质结构,层状构造,主要矿物成分为方解石等,节理裂隙发育,局部溶蚀裂隙发育,局部夹页岩薄层,岩芯多呈碎块状,局部呈少量短柱状,锤击较易碎,承载力基本容许值=500kPa~800kPa。中风化灰岩:青灰色,隐晶质结构,层状构造,主要矿物成分为方解石等,节理裂隙发育,层面及节理裂隙面见泥质或方解石填充,取芯呈短柱状及碎块状,局部溶蚀裂隙发育,见少量溶蚀孔洞,溶蚀裂隙面见黄褐色充填物,局部夹页岩薄层,承载力基本容许值=800kPa~2000kPa。强风化页岩:灰黄色,隐晶质结构,层状构造,主要矿物成分为黏土与石灰质的混合物,层面、节理裂隙发育,取芯呈土柱状及碎块状,锤击声闷,易碎,承载力基本容许值=400kPa~500kPa。中风化页岩:浅黄色,隐晶质结构,层状构造,主要矿物成分为黏土与石灰质的混合物,层面、节理裂隙发育,取芯呈短柱状及碎块状,锤击声较闷,较易碎,承载力基本容许值=800kPa~1200kPa。

二、悬臂式掘进机主要施工工艺

悬臂式掘进机就位后,开始从掌子面底部水平切削出一条槽,向前移动掘进机再一次就位,就位后截割头采取自下而上、左右循环切削。在切削同时铲板部耙爪将切削下来的碴土装入第一运输机,第一运输机转运至第二运输机,第二运输机直接装入出碴车运出洞外。从底部开挖到顶部完成后,进行二次修整以达到准确的设计断面。当局部遇有硬岩时(≥100MPa),可先掘周围软岩,使大块硬岩坠落,以降低掘进难度及截齿消耗量。悬臂式掘进机的截割方式是从扫底开始截割,再按S型或Z型左右循环向上的截割路线逐级截割以上部分。选用右旋截割头截割硬岩,先由右向左从扫底开始截割,再按从左至右、自下往上的方式或从右往左、自上而下逐步进行截割。如遇节理发育较好岩石,则应选择沿岩石节理方向逐步切割。

针对不同硬度的岩石可定制不同的截齿,科学合理地排布截齿螺旋线,确保机器有更好的掘削能力,并具有自洁功能。可根据实际工况条件为用户选择最佳截割头,提高施工效率。当局部遇有硬岩时,可以选用切割力大、破岩能力强的小直径切割头,以降低掘进难度及截齿消耗量。

三、悬臂式掘进机出料运输方式

通过切割头旋转切削并除尘喷雾,由耙爪、第一运输机实现落碴的装运与转载。第一运输机转运至掘进机后方,由挖掘机直接装入出碴车运出洞外,在该工程大断面隧道施工中,为改善洞内施工环境,降低工人劳动强度,采用液压马达直接驱动链轮,带动刮板链组实现物料运输。张紧装置采用油缸卡板张紧的结构,对刮板链的松紧程度进行调整。

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四、悬臂式掘进机施工方法

掘进施工时掘进机先驶入隧道一头,利用切割部在隧道掌子面进行切削掘进,切削下来的渣土直接由第一运输机输送至掘进机后方,再用挖掘机装入运渣车运至弃渣场,掘进完成后利用掘进机切割头将初支台车运至掌子面进行初期支护(钢拱架架设、喷射混凝土)施工,掘进机则后退至不影响后续工序施工位置等待下一掘进工序。仰拱部分采用挖掘机开挖,整个隧道掘进过程实现全机械开挖,对围岩扰动小,也避免了对周围建筑的影响。

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五、超前地质预报及监控量测

(一)超前地质预报

1.在施工前期地质勘察成果的基础上,进一步查明掌子面前方一定范围内围岩的地质条件,进而预测前方不良地质以及隐伏的重大地质问题。

2.为信息化动态设计和施工提供依据。

3.为降低地质灾害发生风险提供预警。

4.为编制交竣工文件提供地质资料。

(二)监控量测

1.根据新奥法原理,按照动态设计、信息反馈原则,对隧道围岩稳定及可能发生的危及施工安全的隐患或事故提供及时、准确的预报并及时反馈动态监测信息给设计和施工单位,使有关各方有时间作出反应,避免发生事故。

2.在现场监控量测的基础上,及时掌握围岩在开挖过程中的动态和支护结构的稳定状态,提供有关隧道施工的全面、系统信息资料,以便及时调整支护参数,为力学分析及二衬施作时间提供信息依据,实现信息化施工,达到设计施工安全、经济的目的。

六、悬臂式掘进机施工工艺优缺点

(一)优点

1.安全性

(1)采用掘进机进行掘进施工,可以提高隧道机械化施工程度及其配套施工技术并降低施工安全风险。

(2)掘进机采用切削方式进行掘进,震动小,对围岩的扰动极小。

(3)掘进机开挖功效高,支护能够及早跟进,极大地缩短了开挖面的凌空时间。

2.保证质量

掘进机施工对围岩的扰动小,提高了周围环境的安全指数,从而提升了隧道的开挖(超欠挖)质量,洞室开挖断面圆顺度高,便于喷射混凝土支护,也提高了初期支护质量。

3.施工进度

(1)悬臂式掘进机是一种部分断面掘进机。集切削、装碴、转运和自行于一身,可以做到切削、装运同步进行。具有连续掘进、地质适应性强等优点,是较为理想的冷挖掘进设备。

(2)悬臂式掘进机具有多功能性及机动性,当遇到意外情况,便于及时调整施工方案,而不影响施工进度。

(3)悬臂式掘进机施工进度由支护工序时间控制,由于开挖断面规范,钢架、网片拼装快捷,喷射混凝土可节省大量时间。

4.作业环境

掘进机切割部带有自动喷水及吸尘设备,可减小因切割岩面产生的大量粉尘,净化掘进操作现场的环境。

(二)缺点

一是成本高,二是岩截齿更换频繁,三是用电量大。

七、结语

虽然隧道采用悬臂式掘进机施工工艺(方法)成本偏高,但对目前施工环境要求高、周围环境扰动等破坏和周围存在危险品、重要结构物等影响施工,此施工工艺(方法)安全质量控制技术是可行的。本文对该隧道的施工经验进行总结,期待为今后类似隧道施工品质创建提供借鉴。

【编辑:王威】

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