区间暗挖隧道悬臂式掘进机掘进施工方案设计.docx

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区间暗挖隧道悬臂式掘进机掘进施工方案设计

贵阳市轨道交通1号线第七工作段

火沙区间暗挖隧道

悬臂式掘进机掘进施工方案

编制：

审核：

批准：

中铁十五局集团贵阳轨道交通1号线第七工作段项目经理部

年月日

暗挖隧道悬臂式掘进机掘进施工方案

一、工程简介

1.1工程概况

火车站站～沙冲路站区间位于南明区，线路出火车站站后先下穿火车站售票厅（3层）、行包房（2层）、客运站台、铁路股道及行包地道、于YDK26+324.116左偏下穿玉厂路后，下穿茶花、博泰等小区数幢7～9层居民楼、茶花广场地下一层停车场、沁苑商务公寓（7层）之后，再下穿朝阳洞路南明区人民法院（5层），进入朝阳洞路下后至沙冲路站。

本区间右隧起讫里程YDK26+143.2～YDK27+073.8（YDK26+294.811=YDK26+300，短链5.189m），左隧起讫里程为ZDK26+143.2～ZDK27+073.8（ZDK26+272.779=ZDK26+300，短链27.221m）。

本区间为双洞单线隧道，右隧全长925.411m，左隧全长903.379m。

1.1.1线路平面

火车站站～沙冲路站区间YDK26+143.2～YDK27+073.8段左、右线线间距从16m渐变为13.5m，全隧为双洞单线结构形式。

进口端

洞身段

出口端

右洞平面

YDK26+143.2～+324.116段为直线

YDK26+324.116～YDK27+065.800段为R=400m左偏曲线

YDK27+065.800～+073.8段为直线

左洞平面

ZDK26+143.2～+353.156段为直线

ZDK26+353.156～ZDK27+061.006段为R=380m左偏曲线

YDK27+061.006～+073.8段为直线

1.1.2线路纵断面

火车站站～沙冲路站区间轨面最小埋深约16m，轨面最大埋深约为29.3m。

右洞坡度

2‰上坡

-8.671‰下坡

26.427‰上坡

2‰上坡

26.8m

374.811m

480m

43.8m

左洞坡度

2‰上坡

-9.212‰下坡

26.427‰上坡

2‰上坡

26.8m

352.779m

480m

43.8m

1.1.3特殊段落

下穿贵阳火车站站房地段

下穿贵阳火车站股道段

下穿居民楼段

基础形式及埋深情况

拱顶埋深16.5m，基础形式为群桩基础，拱顶距桩底2～6m

隧道拱顶距火车股道22m，隧道拱顶距车站行包地道16m

居民楼一般为条基和桩基，上覆土层4～6m，隧道拱顶埋深约16～22m，拱顶以上强～中风化白云岩层约8～16m

超前支护

拱部180°范围采用一环φ159大管棚预支护（管棚内设4根φ18钢筋笼）；拱部120°范围采用φ42注浆小导管，壁厚4.0mm，L=3.5m，环向间距0.35m，纵向间距1.4m

拱部120°范围采用φ42超前注浆小导管，小导管L=3.5m，环向间距0.35m，纵向间距1.5m

拱部120°范围采用φ42超前注浆小导管，小导管L=3.5m，环向间距0.35m，纵向间距1.5m

初喷混凝土

36cm厚C30喷射混凝土，全环设置

28cm厚C25喷射混凝土，全环设置

28cm厚C25喷射混凝土，全环设置

系统锚杆

拱部采用φ32注浆锚管，角度60°，L=3.5m，对拱顶部位围岩进行注浆加固；边墙采用φ22砂浆锚杆，L=3.0m；锚杆间距：

1.0×1.0m（环×纵），梅花形布置

拱部采用φ32注浆钢花管，L=3.5m；边墙采用φ22砂浆锚杆，L=3.0m；锚杆间距：

1.0×1.0m（环×纵），梅花形布置

拱部采用φ32注浆钢花管，L=3.5m；边墙采用φ22砂浆锚杆，L=3.0m；锚杆间距：

1.0×1.0m（环×纵），梅花形布置

钢筋网

采用φ6钢筋，构成20×20cm网格，全环双层设置；钢筋网应与锚杆尾端连接牢固

采用φ6钢筋，构成20×20cm网格，全环双层设置；钢筋网应与锚杆尾端连接牢固

采用φ6钢筋，构成20×20cm网格，全环单层设置；钢筋网应与锚杆尾端连接牢固

加强支护

采用I28b型钢钢架，全环设置，纵向间距0.35m/榀；

采用I20b型钢钢架，全环设置，纵向间距0.5m/榀

采用I20b型钢钢架，全环设置，纵向间距0.5m/榀

二次衬砌

采用65cm厚C35防水钢筋混凝土，其抗渗等级为P10

采用50cm厚C35防水钢筋混凝土，其抗渗等级为P10

采用50cm厚C35防水钢筋混凝土，其抗渗等级为P10

仰拱填充

采用C20混凝土

采用C20混凝土

采用C20混凝土

二衬钢筋

主筋采用10根φ22，纵向钢筋为φ14，箍筋为φ10钢筋

主筋采用5根φ20，纵向钢筋为φ12，箍筋为φ8钢筋

主筋采用5根φ20，纵向钢筋为φ12，箍筋为φ8钢筋

监控量测

地表最大沉降值为20mm，隧道拱顶最大沉降值为30mm，水平收敛最大值为20mm（警戒值：

监测控制值的0.75倍），建筑物倾斜警戒值一般取i＜0.002

轨面沉降值不得超过10mm；相邻两股钢轨水平高差不得超过6mm；相邻两股钢轨三角坑不得超过6mm；前后高低（纵向水平）6mm

地表最大沉降值为20mm，隧道拱顶最大沉降值为30mm，水平收敛最大值为20mm（警戒值：

监测控制值的0.75倍），建筑物倾斜警戒值一般取i＜0.002

1.2工程地质及水文情况

本区间隧道处于贵阳市主城区核心区内，线路通过范围为民用建筑密集区，地形高差7.4m，上覆盖层为块石层与红粘土，下伏基岩为松坎子二段白云岩，根据地勘结果为岩溶弱发育区，地下水主要补给来源为大气降水，地下水标高为1051.78-1064.32。

线路平面布置图

1.3隧道周边环境影响

本区间隧道位于贵阳市主城区范围内，其下穿火车站、玉厂路、朝阳洞路，周边管网密集，上空有架空电线，地下管网多。

区间隧道范围内地面建筑物较多，其中多为1～9层民用建筑。

其中位于区间隧道路线正上方或左右边线30m内的主要建筑有玉田坝新一栋小区1#、2#、3#及4#，该四栋建筑基础采用条基，对隧道修建影响微小；桂花园小区2#、3#、4#及5#，该四栋建筑基础采用条基，对隧道修建影响微小；博泰小区3#、4#及5#，该三栋建筑基础采用条基，对隧道修建影响微小；茶花新村小区1#、2#、3#及4#，其中1#和2#采用桩基，最大埋深7.6m，桩底距离隧道顶板约8.4m。

茶花新村1#和2#建筑基础下隧道顶板稳定基岩厚度大于隧道单幅洞宽（6.49m），1#和2#桩基对隧道开挖稳定影响较小。

司法厅职工宿舍紧邻区间隧道ZDK26+714的左侧，基础形式采用桩基，最大埋深约10m，桩端距离隧道顶板约4米，该职工宿舍对隧道的开挖稳定影响很大；茶山广场紧邻13Z（K26+143/27+069）20与13Z（K26+143/27+069）21钻孔，广场下修建一层地下停车场，停车场基础采用桩基。

桩端与隧道洞顶之间围岩厚度大于8m，地下停车场对隧道修建影响微小。

上述建筑与区间隧道的位置关系及影响大小见下表：

1.4设计支护类型及施工方法

本区间暗挖隧道设计全部采用冷挖，各里程段设计衬砌类型、施工方案及支护参数如下：

左线各里程段设计衬砌类型及施工方法

起止里程

长度（m）

衬砌类型

施工方法

ZDK26+143.2-ZDK26+152

8.8

大管棚工作室复合式衬砌

台阶法

ZDK26+152-ZDK26+192

40

Ive型复合式衬砌

全断面法

ZDK26+192-ZDK26+340（短链27.221m）

120.779

Ⅳd型复合式衬砌

台阶法

ZDK26+340-ZDK26+365

25

IVc型复合式衬砌

台阶法

ZDK26+365-ZDK26+416.5

51.5

Ⅳd型复合式衬砌

台阶法

ZDK26+416.5-ZDK26+434.5

18

交叉扣加强型衬砌

台阶法

ZDK26+434.5-ZDK26+467

32.5

IVc型复合式衬砌

台阶法

ZDK26+467-ZDK26+510

43

Ⅳd型复合式衬砌

台阶法

ZDK26+510-ZDK26+550.27

40.27

交叉口加强型衬砌

台阶法

ZDK26+550.27-ZDK26+920

369.73

Ⅳd型复合式衬砌

台阶法

ZDK26+920-ZDK27+073.8

153.8

Vc型复合式衬砌

台阶法

右线各里程段设计衬砌类型及施工方法

起止里程

长度（m）

衬砌类型

施工方法

YDK26+143.2-YDK26+149

5.8

Ⅳd型复合式衬砌

台阶法

YDK26+149-YDK26+157

8

大管棚工作室复合式衬砌

台阶法

YDK26+157-YDK26+197

40

IVe型复合式衬砌

全断面法

YDK26+197-YDK26+323（短链5.189米）

120.811

Ⅳd型复合式衬砌

台阶法

YDK26+323-YDK26+396.4

73.4

IVc型复合式衬砌

台阶法

YDK26+396.4-YDK26+414.4

18

交叉扣加强型衬砌

台阶法

YDK26+414.4-YDK+473

58.6

IVc型复合式衬砌

台阶法

YDK26+473-YDK26+493

20

Ⅳd型复合式衬砌

台阶法

YDK26+493-YDK26+534.5

41.5

交叉扣加强型衬砌

台阶法

YDK26+534.5-YDK26+862

327.5

Ⅳd型复合式衬砌

台阶法

YDK26+862-YDK27+073.8

211.8

Vc复合型衬砌

台阶法

隧道衬砌支护技术参数表

衬砌类型

初期支护参数

加强支护

超前支护

二次衬砌

系统锚杆

钢筋网

喷射砼

型钢钢架

单线IVc型

拱部：

φ25中空注浆锚杆L=2.5m@1*1.2m

边墙：

φ22砂浆锚杆L=2.5m@1.0*1.2m

φ6钢筋网，全环布置@0.2*0.2m

C25喷射砼厚26cm

I18型钢@0.8m全环

φ42超前小导管环向间距：

0.4m，L=3.5m拱部布置

P10、C35防水钢筋砼、厚40cm

单线Vc型

拱部：

φ32中空注浆锚杆L=3.5m@1.0*1.0m

边墙：

φ22砂浆锚杆L=3.0m@1.0*1.0m

φ6钢筋网，全环布置@0.2*0.2m

C25喷射砼厚26cm

I18型钢@0.5m全环

φ42超前小导管环向间距：

0.35m，L=3.5m拱部布置

P10、C35防水钢筋砼、厚45cm

大管棚工作室衬砌

拱部：

φ25中空注浆锚杆L=3.0m@1.0*1.0m

边墙：

φ22砂浆锚杆L=3.0m@1.0*1.0m

φ6钢筋网，全环布置@0.2*0.2m

C25喷射砼厚28cm

I20b型钢@0.5m全环

φ159大管棚+φ42超前小导管环向间距：

0.35m，L=3.5m拱部布置

P10、C35防水钢筋砼、厚50cm

单线IVd型

拱部：

φ32中空注浆锚杆L=3.5m@1.0*1.0m

边墙：

φ22砂浆锚杆L=3.0m@1.0*1.0m

φ6钢筋网，全环布置@0.2*0.2m

C25喷射砼厚28cm

I20b型钢@0.4/0.5m

φ42超前小导管环向间距：

0.35m，L=3.5m拱部布置

P10、C35防水钢筋砼、厚50cm

交叉口加强型衬砌

单线IVe型

拱部：

φ32中空注浆锚杆L=3.5m@1.0*1.0m

边墙：

φ22砂浆锚杆L=3.0m@1.0*1.0m

φ6钢筋网，全环布置@0.2*0.2m

C25喷射砼厚36cm

I28型钢@0.35m全环

φ42超前小导管环向间距：

0.35m，L=3.5m拱部布置

P10、C35防水钢筋砼、厚65cm

二、目前施工进展及掘进机选用背景

火沙区间竖井、横通道：

竖井总深度30.581米，初支已全部完成，横通道全长26.322米，初支全部完成。

火沙区间隧道：

区间左线初支累计完成144.26m;区间右线初支累计完成171.56m。

掘进机选用背景：

本区间竖井、横通道自2014年3月开始开挖,至2014年10月底才完成全部开挖及初支。

因设计为冷挖施工，前期竖井、横通道全部使用70型挖掘机+劈裂机进行破碎开挖，进展缓慢，再加上竖井口紧邻居民楼，周边居民时常因施工噪音阻工。

虽我部及业主方与所属居委会几经沟通、协调，仍造成该工点因居民多次阻工停工长达1个月之久，且施工时间仅限07:

00-22：

00之间，其余时间段无法进行任何施工生产活动。

在上述因素制约下，本区间隧道施工进度严重滞后，根本无法满足业主方对总体工期进度目标。

经我部领导慎重研究、并到大连地铁项目进行参观学习后决定选用EBZ260悬臂式掘进机进行隧道掘进施工，不仅能够加快施工进度，满足业主既定工期目标，还能保证隧道掘进施工中地表机构建（构）筑物的安全稳定。

三、悬臂式掘进机施工工艺、方法

因本区间暗挖隧道设计为冷挖施工，采用普通冷挖机械每循环掘进施工长达30～48小时，每循环完成约为3天，按业主既定工期要求根本不可能完成任务，而采用悬臂式掘进机每循环掘进施工仅需8～9小时，每循环约为24小时，为保证总体工期目标，经多方考察，参照大连地铁、四川绵阳悬臂式掘进机施工情况，我部拟选定火沙区间YDK26+300～YDK26+862、ZDK26+300～ZDK26+880里程段暗挖隧道作为试验段，采用型号为EBZ260的悬臂式掘进机进行隧道冷挖施工。

3.1施工准备

1、配套设施准备

因掘进机使用1140V高压，一台掘进机需架设一台特变（其输出电压为1140V），准备高压电1000KVA相变及准备相应长度电缆（从箱变至掘进机工作处）、风、水管、配套挖掘机及运输车出渣，该准备工作为悬臂式掘进机施工的前提。

2、超前物探配合

采用地质超前预报技术，减少或避免施工中可能遇到的诸如塌方、涌水、流砂、涌土等地质灾害。

采用地球物理探测技术有弹性波法、电磁波法（探地雷达探测技术）、声波探测法和红外探水法、超前水平钻探等超前预报系统等措施将前方岩层地质情况探明，以保证设备及人员的安全作业。

根据区间本隧道实际开采出的岩石试验结果，饱和抗压强度Rc最高达为85MPa，根据地层情况采用型号EBZ260的掘进机进行施工，可一次完成隧道断面开挖（不含仰拱部分），掘进方量约为34方。

3.2掘进机掘进施工人员、机械配置

为保证隧道作业24小时不间断施工，掘进工班实行两班制，每台掘进机配套施工人员每班6小时轮流上班，具体人员、机械配置如下：

人员配置每班18人，其中包括掘进机操作主副手2人，配合2人，掌子面观测1人，清理渣土3人，电缆转运2人，维修工1人，电工1人，焊工1人，挖掘机操作手2人，渣土车司机2人，协调指挥1人；机械配置5台，其中掘进机1台，挖掘机2台（因本区间施工场地限制，其中1台挖掘机用于临时存渣区平整渣土），渣土运输车2辆。

3.3悬臂式掘进机截割方式

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，采用改炮方式另行处理，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。

如下图所示：

掘进机切割方式示意图

针对不同硬度的岩石可定制不同的截齿，科学合理的截齿螺旋线排布，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，可以选用小直径切割头，切割力大，破岩能力强，以降低掘进难度及截齿消耗量。

掘进机切割头及截齿实物图

3.4悬臂式掘进机出料运输方式

通过切割头旋转切削，由耙爪、第一运输机实现落碴的装运与转载，第一运输机转运至第二运输机，第二运输机直接装入出碴车运出洞外，或由第二运输机将料碴转运到料车中，运到提升井一次除碴完毕。

在本工程小断面隧道施工中，为改善洞内施工环境，降低工人劳动强度，经我部研究决定拆除第二运输机，采用挖掘机出渣替代第二运输机功用。

采用第二运输机现场图

拆除第二运输机后现场图

3.5悬臂式掘进机施工方案

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竖井后垂直提升至场内临时存渣区，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、喷射砼）施做，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，不仅对围岩扰动小，也避免对周围建筑的影响。

施工方式如下图所示：

掘进机掘进施工示意图

悬臂式掘进机在隧道施工中对围岩扰动小，适应能力强，开挖质量高，洞室开挖断面圆顺度高，便于喷砼支护，缩短工期，安全有保障。

掘进机掘进施工现场图

3.6掘进施工后支护方案

掘进机在掌子面掘进完成后，支护工班按照设计支护方式进行初期支护的施做，如此循环施工。

待初支封闭成环一定长度后，衬砌工班按照设计衬砌类型进行仰拱填充并施做二衬。

四、悬臂式掘进机施工优点及缺陷

4.1悬臂式掘进机施工优点

（1）安全性方面

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，极大的缩短了开挖面的凌空时间。

（2）保证质量方面

掘进机施工对围岩的扰动小，提高了下穿高层建筑及车站的安全指数，提高了隧道的开挖质量，洞室开挖断面圆顺度高，便于喷砼支护，同时也提高了初期支护的质量。

（3）施工进度方面

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，喷射砼可节省大量时间。

（4）作业环境方面

1）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，良好的净化掘进操作现场的环境。

4.2悬臂式掘进机施工缺陷

（1）由于掘进机切割头较长，每次掘进施工掌子面需预留约0.8m的开挖面，以避免下次开挖损坏已施做的初支，导致掌子面位置凌空面过大。

（2）由于掘进机切割部受自身长度制约，无法满足分台阶掘进施工。

（3）由于本区间隧道为小断面隧道，掘进机机身尺寸相对较大（长×宽×高：

11.7×3.6×2m），无法正常通过二衬台车，一旦开始施做二衬，掘进机将只能单线单方向掘进。

针对以上缺陷我部正积极与厂家技术专家进行沟通，以期能够通过优化设备结构，更加便利的满足本工程小断面隧道掘进施工的各项要求。