深豎井條件下暗挖隧道施工機械配套分析

左 強， 林 銳， 陳世凱， 閆紅江， 鐘鳴洋， 莫智彪

(1. 中鐵隧道集團四處有限公司，廣西南寧 530000； 2. 西南交通大學土木工程學院，四川成都 610031)

在城市地鐵的修建過程中，隧道的施工是不可或缺的一環(huán)，科學合理的施工機械配置方案在工程建設中占據著舉足輕重的位置[1-2]。目前國內針對明暗挖同時施工、工序復雜交錯、周邊建筑物密集、地質條件差的地鐵車站的研究較少，本文以此為背景，研究暗挖隧道施工機械方案的比選及優(yōu)化，分析深豎井條件下施工機械選型和各作業(yè)線的配套，以施工工法、隧道作業(yè)順序為機械選型出發(fā)點，充分考慮了暗挖隧道所處地層、圍巖、開挖設備配置、隧道內水平運輸和豎井垂直運輸等因素，本著優(yōu)化經濟效益，降低施工成本，提升施工效率的安全環(huán)保的原則，提出經優(yōu)化后的施工機械配套方案，為南寧地鐵建設提供強有力的技術支撐和先進的施工理論。

1 工程概況

青秀山地鐵車站總長184.7 m。其中明挖站廳結構長為82.4 m，標準段寬41.8 m。車站南側設置地下4層(局部5層)站廳，站廳采用明挖法。站臺層采用暗挖法，分別設置左右線主隧道、5個橫通道、2個斜扶梯通道及4個豎向通道，結構交錯復雜。車站北端設置60 m深活塞風亭用于站臺隧道暗挖作業(yè)施工，基坑斷面尺寸大，風亭底面高差達10 m，且該活塞風井承擔相鄰站點4臺盾構機到達后吊出的任務。

車站的地勢起伏較大，總體上南高北低，東高西低。從南到北道路為下沉式走向，并且道路整體呈立體交叉式，兩條人行道路車流量大，交通繁忙。車站南面不遠處有一棟兩層高的管委會大樓，基礎較差，除此之外車站毗鄰青秀山風景區(qū)(5A級風景區(qū))。站位北側為八角樓(4層)及金匯如意坊(仿古牌坊)等低層餐飲商業(yè)建筑，西側為秀山花園居民住宅小區(qū)(8層)，車站周邊主要建筑物還包括英華青山立交橋、秀山花園小區(qū)。后為緩解工期壓力新增一座55 m深的豎井。

2 施工情況

在超深管井降水條件下，暗挖隧道范圍內圍巖為Ⅴ級。全隧開挖工法以非爆破的形式為主，采用新型高頻偏心破碎錘結合挖機、人工修邊的形式進行開挖施工，開挖一段支護一段。新增豎井和北端1號風亭基坑，分別采用45 t龍門吊和30 t龍門吊結合抓斗機出渣，塔吊配合豎井進行井內垂直運輸。初期支護采用抗?jié)B性能較好的C25，P6噴射混凝土，并以格柵鋼架鞏固，二次襯砌采用模筑鋼筋混凝土或支架模板鋼筋混凝土，襯砌厚度為600 mm，初期支護與二襯之間鋪設柔性防水層。新增豎井使多臺機械運至工作面的時間比原先縮短了將近50 %，同時也為洞內的有效通風、實現碴土快速運輸和減少各工序之間的相互干擾創(chuàng)造了條件。

3 機械選型及配套

3.1 機械選型配套考慮因素

在深入了解青秀山地鐵車站工程環(huán)境、施工人員的班組分配以及設備的出廠日期情況下，機械的選型配套需考慮以下因素：

(1)在購買或租賃機械設備時，同一種機械應盡量選擇規(guī)格型號相同的，方便日后的維修和保養(yǎng)[3]，并且備足每種機械設備的重要零部件，如若某一設備損壞，能及時更換零件而不影響工程施工進度。

(2)應首選以液壓發(fā)動機為輸出動力的機械設備，相對于柴油發(fā)動機，液壓發(fā)動機更突出環(huán)保的理念，對洞內產生的有害氣體減少，使得洞內施工環(huán)境可見度更高，符合綠色生態(tài)施工的要求[4]。

(3)結合龍門吊的最大載重與豎井斷面面積大小，應優(yōu)先考慮小型機械的選用，在衡量整個工程經濟效益的前提下，盡可能選用國外進口的或國內知名廠家生產的工作能力強，工作效率高的機械。

(4)機械的配套選型要貫入到每個施工工序中，才能保證施工過程中不脫節(jié)，施工作業(yè)線是環(huán)環(huán)相扣的，機械配套方案的擬定要超前施工，這樣才能最大程度上避免作業(yè)線的交叉干擾而造成時間的浪費。

3.2 非爆破開挖工法

(1)青秀山地鐵隧道以泥質粉砂巖、粉細砂巖半成巖地層為主，地層中以松散巖類孔隙水、碎屑巖類孔隙裂隙水為主。在經過降水后，高頻破碎錘對巖層之間的裂紋進行高頻振擊，使其與原來的結合體分離而脫落，在泥巖、粉砂巖、泥質粉砂巖地層中進行開挖效果明顯。銑挖機具有低振動、低噪音、圍巖擾動小的特點，銑挖機采用機械切削開挖的方式，機械連續(xù)切削圍巖，在隧道開挖成型方面效果尤為明顯。

(2)根據隧道設計開挖斷面的大小，通過挖機、雙牙高效振動破碎錘及銑挖機的比對分析，確定開挖載體設備的配置及高頻破碎錘型號的選擇配置,見表1、表2。

表1 設備選配參數表

表2 設備選配方案

(3)重點對設備選型配置后的開挖操作進行可行性分析，不同的斷面尺寸確定不同的開挖臺階的高度，確保選配后的設備在隧道內能有效開展工作。根據機械對作業(yè)空間的要求，以上臺階高度大于等于4.6 m，長度3～5 m，中臺階高度大于等于2.6 m，長度6～8 m，下臺階高度大于等于2.9 m為原則確定臺階開挖參數。

非爆破開挖工法的成功運用為本工程帶來的效益如下：

(1)經濟效益：在軟弱巖層隧道施工中，采用本工法機械設備聯合作業(yè)技術先進，施工工序循環(huán)時間短，封閉快，較傳統(tǒng)單一機械設備作業(yè)施工功效高，經與傳統(tǒng)設備施工功效的對比，在作業(yè)效率上提高39 %，節(jié)約工期4個月。施工期內，每月可增加產值200余萬，施工期累計增加利潤434萬，取得了較好的經濟效益。

(2)技術效益：促進了復雜環(huán)境條件下城市地鐵在軟弱圍巖中小徑距隧道群施工技術的發(fā)展，完善了非爆破開挖施工技術，為同類隧道施工提供確切的依據，可以有效控制地表下沉和避免爆破震動對巖層的擾動，確保了地表建筑物和隧道結構本身的安全。

(3)社會效益：該軟弱圍巖隧道開挖非爆破開挖工法的成功實施，為復雜環(huán)境條件下軟弱圍巖隧道快速安全施工提供了較多的參考價值，取得效益的同時也取得各參建方的一致好評，推動了軟弱圍巖隧道非爆破開挖施工技術的進步。

3.3 出碴運輸作業(yè)

3.3.1 水平運輸

因三臺階法具有快速施工的優(yōu)點，結合此工法在隧道開挖期間合理的進行挖機、裝載機的配置，才能使得開挖進度達到最快。

在開挖過程中，隧道每天的開挖步距為0.8m，根據斷面尺寸的大小，可以大致確定一天開挖的土方量，根據開挖的碴土量采用兩臺CAT313挖機載高頻破碎錘以及一臺小松200-8機載ERcat-1500型銑挖頭聯合作業(yè)進行臺階法開挖施工，并配置CAT313挖機及柳工50E裝載機各一臺配合翻渣運土。由于本車站隧道距離短，在節(jié)約成本的前提下，隧道內水平運輸采用無軌運輸模式，碴土裝載完畢后運送至新增豎井或北端風亭底下。

3.3.2 垂直運輸

根據計算得知，運碴車和土方的總重不大于25 t。雖然垂直皮帶傳送機具有占地面積小、土建工程量小，輸送能力強等優(yōu)點，但是購置成本非常高。對于本工程而言，在計算每天的土方開挖量之后，垂直皮帶傳送機的產出效益遠遠小于它的購進成本，而龍門吊用作垂直運輸的工具恰好合適，又因龍門吊為定型產品，制造和維護成本低，所以在垂直運輸土方過程中利用承重型號為30 t、45 t的龍門吊作吊運機械。在鎖口圈梁上安裝井架及提升設備，并采用0.6 mm藍色彩鋼板將井架兩側和頂部封閉。提升系統(tǒng)的安設如下：

(1)龍門架立柱采用槽鋼32a，橫梁為I56b工字鋼，圈梁為工字鋼I25b，行走梁為工字鋼I45b，斜撐為槽鋼18b。

(2)龍門架拼裝采取鋼板螺栓連接，便于拆裝。立柱基礎為鋼筋混凝土基礎，底部預埋鋼板與立柱進行螺栓連接。

在垂直升吊碴土前將電動抓斗安放在龍門吊橫梁上，抓斗的最大斗容量為14 m3，通過電動抓斗的來回抓取進行碴土的運輸，并在基坑周邊設置環(huán)形通道，方便施工的機械設備、車輛出入，保證交通暢通無阻?；游鱾冗M行場地平整后，用于修建渣土坑。碴土的堆放采用就近原則堆放，抓斗運輸上來的土方先統(tǒng)一堆放在碴土堆放區(qū)，之后由自卸汽車及時把土運出場地外，以此循環(huán)。多個電動抓斗同時工作，不僅保證了開挖的土方能及時運出洞外，最終的施工成本也能得到有效控制。

3.4 支護作業(yè)線

(1)超前大管棚的施工范圍在正線隧道與正線橫通道處，兩者斷面較大，三岔口處的開挖暴露后出現較大的三角形不穩(wěn)定區(qū)域。成管采用導向鉆進法并在鉆進過程中注入清水。隧道下一循環(huán)開挖前對拱頂部分采用雙排注漿小導管超前支護工藝。小導管使用YT-26風鉆頂入。小導管采用φ42 mm，壁厚3.5 mm的無縫鋼管，打設完之后注入1∶1水泥漿液。

(2)由于暗挖隧道區(qū)間(Ⅴ級圍巖)支護難度大，占用時間長，給施工帶來很大困擾。隧道內空間狹窄，噴錨作業(yè)施工頻繁，因此本工程噴射混凝土施工選用Aliva-285砼濕噴機，初期支護采用35 cm的C25網噴混凝土加格柵鋼架聯合支護。其它作業(yè)設備為一臺雙液灰漿泵、2臺自動上料噴漿車、6臺噴漿機和一臺JS500攪拌機。Aliva混凝土濕噴機與普通的濕噴機相比的好處在于：①有效利用率高。混凝土的噴射有效利用率在88 %以上，是普通的濕噴機達不到的噴射效果。②完成一道工序耗時短，很大程度上節(jié)約了時間成本，對工期進度的加快具有重大意義。③機械化程度高，無需多人操作。

(3)二次襯砌采用復合式襯砌。隧道大里程端頭為D型斷面，襯砌厚度為700 mm，小里程端頭為B型斷面，襯砌厚度為700 mm，正常段設計為A、C斷面，斷面厚度分別為600 mm、800 mm。2號、3號橫通道設計厚度為900 mm。

因站臺隧道斷面類型多，斷面與斷面差別大，臺車不能適用全部斷面，其中A、C斷面采用液壓模板臺車，模板臺車長度為9 m。模板臺車為軌行式、電動自行式。A、C斷面各配備一臺HBT60型混凝土輸送泵，輸送泵放置在地面，由混凝土輸送泵送入模，采用插入式振搗棒振搗，輸送泵的正常泵送能力是60 m3/h。B、D斷面采用在臺車骨架上改裝，E斷面、橫通道、斜通道及4個小豎井采用支架模板體系，沿著整個圓拱斷面布設工字鋼。

3.5 通風、防排水作業(yè)線

本隧道拱頂埋深50 m，通風難度大，故采用壓入式通風。在計算出隧道內的需風量、風機的供風量以及通風阻力后，根據需要配置一定數量的風機。

以壓入式通風作為通風方式，需以最小風速計算所需風量Qa，供給隧道內工作的最高人數所需風量Qb，沖淡耗油機械尾氣所需風量Qc，工作面需風量的取值則為max{Qa,Qb,Qc}。

(1)按隧道內最小風速計算風量：

最小風速按Vmin=0.25m/s，開挖斷面按S=93m3計算。

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

(1)

(2)按隧道內工作的最多人數計算風量：

根據規(guī)范要求，洞內每人每分鐘呼吸的新鮮空氣量不少于3 m3，在洞內工作的最高人數有94人，風量備用系數取1.2。

Qb=3×94×1.2=338.4m3/min

(2)

(3)按沖淡耗油機械尾氣所需風量計算：

根據隧道規(guī)程規(guī)定，耗油機械運轉過程中平均每1 kw所需風量取3 m3/min，機械設備的平均利用率為70 %，耗油機械設備的總功率為980 kw。

Qc=3×980×0.7=2058m3/min

(3)

通過計算可知Qa,Qb,Qc三者中Qc最大，因此洞內所需風量Q需為2 058 m3/min。右線最大供風長度為290 m，左線最大供風長度為262 m，風管在輸送空氣的過程中難免會有“漏風”現象，要求風機供應的風量分別為：

右線掌子面：

(4)

左線掌子面：

(5)

隧道內摩擦阻力計算：

(6)

式中：α為風阻系數，取0.003；L為隧道通風長度；d為配用風管直徑，按1.2 m計算。

暗挖隧道右線風阻力為：

(7)

因為豎井與正洞彎道處有風壓損失，所以需要提供的風壓為：

P=k×P阻=1.2×2093=2511.6Pa

(8)

暗挖隧道左線風阻力為：

(9)

因為豎井與正洞彎道處有風壓損失，所以需要提供的風壓為：

P=k×P阻=1.2×1880.4=2256.5Pa

(10)

結合本工程特點，考慮到壓入式通風具有拆裝簡便，能及時把機械設備排出的廢氣和有害氣體通過風壓帶出洞外，有效改善工作面的空氣質量等特點，因此壓入式的通風方式為不二之選(圖1)。井口安設風機一臺，風管采用PVCφ1200拉鏈式風管，拉鏈式風管百米漏風率為0.01，摩阻系數為0.02，每節(jié)長度是10 m，通風效果好。開挖至右線隧道時，井口增加一臺風機(共兩臺)，采用壓入式獨頭送風，隧道施工期間，左右線各配備一臺SFD-I-NO15軸流風機。

圖1 豎井壓入式通風示意

暗挖隧道排水分為開挖施工階段排水和二襯施工階段排水。暗挖隧道開挖初支施工時，在開挖面打設小凹槽臨時儲水用，利用潛水泵將隧洞內水抽排至新增豎井集水井，最后抽至洞口經凈化處理后排放。襯砌段的水主要為襯砌施工時施工用水。在二襯仰拱施工段前方挖一個臨時集水坑，同樣通過潛水泵將洞內水泵送到新增豎井集水井，集水井的水經凈化后再從洞口排出。

小里程到大里程開挖路線為2 %下坡，在左右正線隧道中間設置250 mm×150 mm排水溝排除隧道內積水。左線隧道在施工橫通道范圍設置2 m×2 m集水井，右線隧道在3號橫通道范圍內設置2 m×2 m集水井，再由隧洞內集水井集中抽排到新增豎井集水井內。

3.6 機械設備的保養(yǎng)和維護

機械設備在長期使用了一段時間后，難免會出現某些零部件損壞或卡殼等現象，如若不及時維護，不僅會極大地縮短機械設備的使用壽命，延緩工程進度，而且還可能會造成對施工人員的安全隱患。因此，在設備工作期間對其定期維護。雖然對設備進行周期性保養(yǎng)會花費一些費用，但從整個長遠經濟利益來看，這不但能極大地延長機械設備的使用壽命，機械設備的高效、安全工作還能保證工程順利按期甚至提前完成。機械設備的保養(yǎng)和維護要從以下方面要從以下方面著手[5]：

(1)預先備足機械零部件。對一些容易損壞的、在國內專售店很難購買到的部件，在做出項目費用籌劃后，根據實際需要合理地從國外購買，并放置于陰涼干燥處儲備。

(2)與生產廠家多進行溝通交流。明確每種機械設備達到疲勞前的最長運轉周期，在這個周期內對機械設備進行1～2次維護保養(yǎng)，減少因長期過度使用造成設備維修費用的增加，有效降低成本，提高工程經濟效益。

(3)建立完善的設備維護體系。設備操作人員每天要在機械設備臺班表上如實記錄機器的運轉情況，如“設備正?！被颉俺霈F故障”，出現故障時需詳細說明具體原因，并在當天及時告知維護人員，落實施工責任制。

4 結論

(1)青秀山站暗挖隧道采用非爆破開挖法機械設備聯合作業(yè)技術先進，有效控制了隧道開挖超欠挖，降低材料消耗與縮短施工循環(huán)時間，提高了施工效率，封閉快，較傳統(tǒng)單一機械設備作業(yè)施工功效高，經與傳統(tǒng)設備施工功效的對比，在作業(yè)效率上提高39 %，節(jié)約工期4個月。施工期內，每月可增加產值200余萬，施工期累計增加利潤434萬，取得了較好的經濟效益、技術效益和社會效益。

采用本工法減少了對圍巖的擾動，降低了隧道施工安全隱患，設計預留沉降量為150 mm，采用本工法進行開挖施工，施工過程中從未發(fā)生變形預警，經監(jiān)控量測數據反饋，最終沉降量為14.6 mm，大大降低了施工成本及施工過程安全隱患。全隧開挖施工開始至完成，未發(fā)生安全事故。

(2)結合三臺階法的特點，出碴、運碴機械都以此工法為前提進行了合理的選型，CAT313挖機及柳工50E裝載機各一臺配合碴土的水平運輸，30 t、45 t龍門吊與電動抓斗負責挖土方的垂直運輸。實踐證明，整個碴土運輸體系不僅使施工有條不紊地進行，還最大化節(jié)約了資源與施工成本，為本工程創(chuàng)造出良好的經濟效益。

(3)在降水條件下，本車站暗挖隧道范圍內圍巖V級，所以隧道的初期支護尤為重要，超前小導管的打設采用Y-26型風鉆，從隧道的現場支護情況與隧道收斂數據可以得知Aliva-285混凝土濕噴機施工速度快、噴射混凝土附著力較好、密實度較高、機械化程度高、作業(yè)范圍大和回彈率低的優(yōu)點。

(4)依據最小風速、洞內最多人員所需的風量以及稀釋內燃機排放的廢氣所需的風量的條件計算出隧道所需風量和通風阻力，并根據本工程特點，豎井通風采用壓入式通風，在隧道施工期間，左右線各配一臺型號為SFD-I-NO15軸流式風機。在施工期間隧道內的通風效果保持良好。