高速公路隧道上穿既有铁路隧道悬臂式
掘进机冷开挖施工技术研究
摘 要：悬臂式掘进机开挖因其对围岩扰动小，施工相对安全，且铣挖面光滑、超挖小本文针对蒙屏高速公路杨居寨隧道邻近既有运营昆玉河铁路屏边隧道，与既有线净距小，工期紧，不宜使用爆破的特殊情况，采用悬臂式掘进机非爆破开挖的方式，达到了快速，高效，安全完成隧道施工的目的，可为后续公路新建隧道穿越既有铁路隧道施工提供借鉴和参考。
关键词：公路隧道 既有线 悬臂式掘进机 监测
前 言：随着云南省近年来县域高速公路“能通全通”工程、“互联互通”工程的全面实施，全省开始建设越来越多的高速公路,其不可避免的与运营铁路产生交叉，上跨、下穿等邻近既有线铁路施工的情况也越来越多。在高速公路隧道施工时，如遇到穿越既有铁路隧道的特殊情况，为保证铁路运营安全，一般均不得使用爆破开挖。在这种情况下，悬臂式掘进机就因其安全、高效、环保的特点在公路隧道施工中显示了它的优势。本工程杨家寨隧道上穿昆玉河铁路屏边隧道（新现-屏边站），铁路隧道平导及铁路隧道正线之间最小净距仅为40.71米。隧道的开挖及施工作业对昆玉河铁路的运营将会造成一定的影响，为此，昆明铁路局提出了通过施工技术及监测保控手段，在列车不停运、不限速的前提下，组织杨居寨公路隧道施工。
1 工程概况
杨居寨隧道位于云南省红河州蒙自市屏边县杨居寨村，隧道走向北西至南东向，上跨昆玉河铁路屏边隧道经过，隧道为左、右分离式隧道。设计隧道左线长558m，最大埋深.9m。右线长524 m，最大埋深81.317 m。本隧道段为侵蚀型低中山地貌，轴线方向穿越山脊，隧道穿越屏边铁路隧道主线及导洞正上方，交叉角50~52°，与既有铁路隧道导洞中心交叉里程桩号为：ZK39+212.678，
K39+221.968；与铁路主线交叉里程桩号为：ZK39+252.525，K39+2.060。依据原有铁路设计资料，拟建隧道路面标高比铁路隧道路面高约52m，存在一定的相互影响关系，为保证原有铁路隧道运营安全，经多方现场踏勘及验算后，昆明铁路局批复方案决定该隧道开挖形式全部采取机械开挖，严禁爆破开挖。
2 隧道总体施工方案
杨居寨隧道采用左右分离式隧道设计，共4个洞口，首先由蒙自端左右洞单向掘进施工，左右洞掌子面之间纵向距离错开50m以上。该隧道属于上跨铁路山岭隧道，工序衔接复杂，施工难度大。施工过程中根据围岩地质条件Ⅴ级围岩段开挖采用人工配合挖掘机械，IV级围岩采用悬臂式掘进机开挖，洞内采取挖掘机配合装载机装碴，出碴则使用自卸汽车。
3 悬臂式掘进机开挖施工
3.1悬臂式掘进机的构成及工作原理
悬臂式掘进机实际上是一种能够同时实现截割、装载、运输、行走以及及喷雾除尘等多种功能的联合机组。其主要由切割、装载、运输、行走等机构，液压、电气、冷却灭尘供水、操控等系统以及机架及回转台等组成。其最高适用于围岩岩石极限抗压强度不大于100Mpa的各级围岩，本项目悬臂式掘进机开挖仅用于Ⅳ级围岩。
图1：掘进机开挖截割示意图
3.2悬臂式掘进机配合施工人员、机械设备配置
根据杨居寨隧道工程施工特点和工期要求，本项目一个隧洞工作面安排1台悬臂式掘进机开挖施工。每1台悬臂式掘进机开挖施工配备掘进机作业人员6人，挖掘机1台，装载机1台，自卸运输汽车2辆。
3.3悬臂式掘进机掘进作业流程
施工准备（检查风水电线路）→检查掘进机设备运运转是否正常→掘进机移动到位→掘进机试运行→测量放样→截割（喷雾）→出碴→作业面截割修整。
图2：掘进机开挖施工工艺流程图
3.4施工用水
掘进机工作时需使用高压水为其润滑和降尘，其供水压力通常不小于3Mpa，用水量一般可达每天100立方米以上。因此，需要在隧道洞口适当位置修建高压集水池，以提供强大的水压力。
3.5施工用电
掘进机用电额定电压为1140V电压，因此，在前期施工电力规划时要考虑变压器用量容量，变压器变压后以400V布线入洞到二衬位置安装一台可移动式升压器至1140V，提供掘进机使用，隧道洞内需使用高压铠装电缆进洞，升压器采用铁栅栏围挡加锁，贴反光条及相应安全标识标牌，随着开挖掘进，移动时拉闸移动，需设专业电工每天不间断巡查洞内线路，以确保专用线路用电安全。
图3：隧道内管线布置示意图
3.6悬臂式掘进机掘进作业进度 根据杨居寨隧道工程Ⅳ级围岩的特性以
及现场施工组织条件，通过现场悬臂式掘进机洞内开挖土石方记录表数据综合计算，上台阶开挖平均每一循环长度1.55m，作业需消耗时间为7.75小时，下台阶开挖平均每一循环长度7.0m，作业需消耗时间为7.08小时。以上台阶开挖作业为控制主线，掘进机开挖作业正常平均三天两个作业循环，即计算得每日开挖作业为1.5循环，掘进机掘进作业进度如下表。
表1：IV级围岩悬臂式掘进机上台阶月施工进度表
平均每循环项目内容 （m） 进尺 平均每日循环（次） 平均每日进尺 月进尺m （按26（m） 天计） 上台阶开挖 1.55 1.5 2.325 60.45 悬臂掘进机具有多功能性和机动灵活性，具有连续掘进、地质适应性强等优点，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。
3.7悬臂式掘进机开挖施工方案比较
杨居寨隧道工程依据昆明铁路局批复方案的关要求，结合施工设计图纸、现场施工记录资料及相关施工经验，在技术可行、经济合理，质量安全可控以及保证整体工期生产进度的前提条件下，针对挖掘机+破碎头和悬臂式掘进机两种开挖方式，按隧道Ⅳ级围岩开挖进行综合分析对比。
表2：开挖方式综合分析对比表
开挖方式 指标对比 挖掘机+破碎头 悬臂式掘进机 备注 1. 有效降低施工安全风险，提升隧道机械化施工程1.振动较大，对围岩扰动大，会造成安全隐患风险； 安全性方面 2.开挖功效低，作业面凌空时间，支护不能够及进跟进，存在围岩坍塌的风险。 度； 2.对围岩扰动极小，基本无振动，安全隐患少； 3.开挖功效教高，支护跟进快，围岩临空时间大幅缩短； 4.对周边房屋、公路、铁路、结构物损坏的影响少。 1.对围岩扰动较小，保证1.对围岩扰动相对较大，一定程度上影响隧道围岩的稳定性； 质量控制方面 2.开挖断面尺寸较容易控制，但平整度不高，对喷射砼的外观质量有一定影响。 3.便于钢拱架、钢筋网片等初期支护制作，并提高了施工质量。 2.开挖断面标准、圆顺度高，减小超挖及喷射砼回填，保证 喷射砼的外观质量； 隧道围岩的稳定； 施工进度方面 月进尺40-50m 月进尺60-70m 作业环境方面 施工噪音大、粉尘量大。 配备自动喷水及吸尘设备，能有效降低粉尘，净化操作环境。 1.直接成本单价低 2.间接成本高（主要表现为作业工期长，经济效益方面 人员、设备工作周期长，平均效率低而且有人员、设备窝工、闲置的情况，加工工程成本） 1.直接成本单价高 2.间接成本低（主要表现为作业工期短，人员、设备的平均效率高，且超挖及回填数量大幅减少，钢架、网片拼装快捷吸喷射砼可节省大量时间且减少喷射砼的损耗，节约工程成本） 表3：人工机械配置对比表
人机配合数量 名 称 单位 悬臂式掘进机 一般机械(挖掘机+破碎头) 悬臂式掘进机 台 1 挖掘机（破碎头） 台 1 挖掘机 台 1 1 装载机 台 1 1 自卸汽车 台 2 2 辅助作业人员 人 6 2
表4：经济效益应用分析对比表
隧道左右幅全长：1082m
应用分析工作内容 开挖方式 机械型号 消项耗时间 目内容 （小时） 项目内容 备消工消工损注 耗数量 作内耗数量 作内耗数量 （m3） 容 （m3） 容 （m3） 一般机械开挖 （挖掘机+破碎头） 现代335型 上台阶开挖一循环（2m）时间 掘进机开挖 STR260H型 7.75 C14.24 土石方超挖 （全断面每延米） 1.02 3.030混6 凝土回填（全断面每延米） 1.02 C3.025喷6 射混凝土（全断面每延米） 3.27 4.95 节约数 量 6.49 2.04 2.04 1.68 每 3.2 2.0 2.0 1.6 延米节约数量 5 4 4 8 节约总 数量 3511.09 2207.28 2207.28 1817.76 节约成本分析测算表 项目内容 单位 数量 单价 合价 每换算内容 延米节约 人工费 132通过杨居寨隧道施工的实际应用，1224 4620 平均每天作业17.5小时，实际节约工期6.69个月，实际投入开挖、支护管人工 人.月 147 9000 132理和劳务人员22人，实发平均工资4620 9000元/人.月计算。 机械费 1284480 通过杨居寨隧道施工的实际应用，平均每天作业17.5小时，实际节约工期6.69个月，实际投入挖掘机3台，1187 挖掘机 台.月 20.07 45000 903月租金（含燃油）45000元/台.月；装 150 载机2台，月租金（含燃油）28500元/台.月计算。 装台.13.285381载机 月 38 00 330 材料费 3162871 2923 土石方超挖 m3 2207.28 92.55 204284 洞身土石方超挖、回填及喷射混凝土损耗数量的计算根据施工设计图及相 C30混凝土回填 m3 2207.28 5.82 1425506 关规范要求计算。一般机械开挖喷射混凝土损耗率为1.83，掘进机开挖喷射混凝土损耗率为1.55。 C25喷射混凝土 m3 1817.76 843.39 1533081 总计 5771971 5335 3.8悬臂式掘进机开挖施工优缺点
（1）因掘进机切割头较长，所以实际施工掘进时每循环掌子面均需预留0.5m以上的开挖面，以确保下一循环开挖时不对已施做好的初支造成破坏，导致掌子面临空面大，存在安全隐患。
（2）由于掘进机切割下方位置，仰拱无法开挖，需另行配置机械开挖。
（3）掘进机额定功率较大，长时间作业对电压及输电线路要求较高，且耗电量大，相比较而言，经济性较差。
（4）根据现行规范规定，隧道安全步距IV级围岩为仰拱至掌子面必须小于50m，二衬至掌子面必须小于90m。掘进机属大型机械设备，机身前后总长12.8m，且为1140V高压作业，所需运行安全空间较大，如下图所示，实际施工中，掘进机开挖所需安全步距仰拱至掌子面80m，二衬至掌子面105m，远超施工规范要求。
图4：掘进机开挖所需运行空间示意图
4.悬臂式掘进机开挖施工分析结论
通过蒙屏高速杨居寨隧道工程的应用，悬臂式掘进机开挖比一般机械开挖(挖掘机+破碎头)总工期缩短6.69个月，每循环作业时间节约4小时左右，不仅提高人工、机械的效率，而且施工过程中开挖断面规范减少超挖及回填数量。通过实际应用，掘进机开挖施工比一般机械开挖(挖掘机+破碎头)每延米节约人工费用1224元/延米，节约机械费用1187元/延米，节约材料损耗2923元/延米，合计每开挖1延米节约损耗成本5335元。但与传统的钻爆法施工对比，其施工工期要长，施工成本要大得多，但安全风险要降低。因此，通过实际应用和分析比较，悬臂式掘进机开挖应作建议仅限于有特殊工艺要求的或者要减少对周边房屋、公路、铁路、结构物损坏影响较少的项目使用，才能体现其应用价值。
参考文献：
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