Tunneling Construction Technology of Tunnel Milling Method under Building Group
李德柱 LI De-zhu
（中铁九局集团有限公司大连分公司，大连 116001）
（China Railway No.9 Group Co.，Ltd. Dalian Branch，Dalian 116001，China）
摘要：本文以大连市莲花山隧道工程下穿既有隧道及地表建筑群施工为工程实例，详尽地论述了悬臂式掘进机铣挖法隧道掘进施工的技术特点、工程适用范围、工艺原理、施工工艺流程及操作要点等主要内容。文中所述技术内容针对性强并十分具体，有效地提高了工程质量，加快了工程进度。
Abstract: This paper takes the construction of Dalian Lianhuashan Tunnel underpassing the existing tunnel and surface building group as an engineering example, and discusses in detail the technical characteristics, engineering application scope and process principle, construction process flow and operation points of the tunneling construction with cantilever tunneling machine. The technical content described in the article is highly targeted and very specific, effectively improving the quality of the project and speeding up the progress of the project.
关键词：隧道；悬臂式掘进机；铣挖法；施工技术
Key words: tunnel；cantilever roadheader；milling method；construction technology
中图分类号：U455 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2019）01-0105-04
0 引言
“悬臂式掘进机铣挖法隧道掘进技术”是中铁九局集团有限公司大连分公司在大连市莲花山隧道工程下穿既有隧道及地表建筑群施工中的创造性应用，新建隧道下穿既有隧道净距3m，地表建筑群以下埋深不超过40m，采用掘进机铣挖法施工，在保证进度和安全施工同时，减少对既有隧道的运营影响及对地面建筑房屋的影响，取得了较好的经济和社会效益。
1 工法特点
①适用范围广，使用方法灵活。
②智能化、自动化。配置激光导向系统、计算机断面控制系统和遥控系统，以降低对操作人员的反应要求，提高生产效率和生产能力。
③施工精确程度高。在市政工程、基础工程中，可高效、精确铣挖各种沟槽，在提高效率的同时，还能避免对周围建筑物损害。
④环保性能好。配备机载内、外喷雾装置，可降低掘进工作面粉尘浓度，改善作业环境；振动低、噪音小，有利于在城市居民住宅区、商业区进行施工。
⑤安全性好。采用铣挖机代替人工进行软岩、破碎岩石、危岩清除，具有较高的安全性。
⑥设备一次性投资低，通过采用悬臂式铣挖掘进设备较盾构机节约设备投资，在长度较短的隧道工程中更能体现投入产出比优势。
2 适用范围
本技术适用于下穿建筑物、管线、采空区、既有隧道、公路、村庄等要求少扰动甚至免扰动的但长度较短的隧道与地下结构工程；非常适用于对围岩变形、地表沉降和振动等有严格控制要求以及不能实施爆破施工的工程。
3 工艺原理
隧道铣挖法掘进是一种非爆破开挖方法，除开挖及出渣与钻爆法不同外，其他工序均与钻爆法相同。悬臂式掘进机是集切割、装载、运输、行走于一身的综合巷道、隧道掘进设备，主要包括机体和后配套系统两大部分。主要掘进原理为：利用机械最前端的截割头旋转并上下左右移动来将掌子面的岩体切落，截割下的岩石由铲板部收集并装运，利用自身的出渣装置及后部配套设备完成出渣。截割时，可截割出初步断面形状，并进行二次修整，以达到断面尺寸要求。然后打设锚杆、锚索以及挂网等工作，完成永久支护。
4 施工工艺流程及操作要点
4.1 施工工艺流程
铣挖隧道开挖方法的选择，应以地质条件为主要依据，结合工期、隧道长度、断面大小、施工单位的掘进机设备能力和施工技术水平等因素综合考虑。一般地层较好，围岩类别在III~IV级，工程外部条件特点综合考虑，本工程采用上下两步台阶开挖法，将断面分成上下两步台阶开挖。施工工艺流程图见图1。
4.2 操作要点
4.2.1 超前支护
拱部120°范围采用长度为3m的单层小导管作为超前支护，每循环开挖不大于2榀钢拱架间距，小导管3榀钢拱架间距打设一次。小导管采用Φ42×4热轧无缝钢管，纵向间距1.9m，纵向搭接长度不小于1.0m；环向间距0.4m，外插角为10°～15°，每环33根。小导管注浆采用水泥水玻璃双液浆，水泥采用超细水泥，水泥浆采用水灰比（重量比）1:1，密度1500kg/m3，水玻璃浓度35°Be′，水泥浆水玻璃浆液体积比1:0.5。注浆压力为0.5～1.0MPa，进浆速度每根导管控制在30L/min以内，注浆压力达到最高设计注浆压力并保持10min以上后可以结束注浆，在孔内设置止浆塞。注浆施工之前，须进行注浆试验，以调整注浆参数，达到设计注浆量后方可结束注浆。小导管打入后，先采用吹管法清孔。然后将注浆泵的高压胶管与管口联通，并且用锚固剂等将管口处的缝隙塞紧，以保证注浆时不至于渗漏浆液。
4.2.2 掘进机开挖上台阶
采用台阶法开挖，上台阶最高处为6.2m，下台阶高4m。切割方式由下往上左右循环切割，在拱顶处超过掘进机的切割高度时，可用碎石起坡，以保证开挖断面不欠挖。
边开挖边出渣同步进行。悬臂式掘进机开挖后，通过出渣装置将开挖石渣传送到掘进机后边。配备一辆铲车将石渣直接装运自卸车，通过自卸车出渣。
上台阶长度一般控制在1~1.5倍隧道直径（D）以内，上台阶高度控制在2.5m左右。施工时，必须在地层失去自稳能力之前尽快开挖下台阶，支护后形成封闭结构。两步台阶法见图2。
铣挖作业时，铣挖机的停靠位置直接影响铣挖效率和效果，一般以方便操作为原则。在施工场地与空间受限制的隧道里，应保证履带前缘距离掌子面距离小于6m（受悬臂式掘进机臂长限制），铣挖机落脚点距离开挖顶部的距离不小于5m。根据铣挖机高度、地质条件大小，适当调整台阶大小，是保证铣挖法施工效率的重要措施。
按照自下向上、自中间向周边、自硬质岩体到软质岩体的顺序进行挖掘。在隧道轮廓周边进行开挖作业时，铣挖机截割头到钢拱架的距离应大于30cm，尽量降低铣挖作业对已施做的初期支护的扰动。隧道周边轮廓线附近，由于切削鼓不垂直于岩面，施工中可能出现死角，此时可采用风镐人工凿除。拱脚处的开挖作业，应由专人指挥，不可超挖，也可以预留10~20cm的预留层，后续采用人工风镐凿除，确保钢架安装时拱脚基础坚实。此外，还应注意不要使切削鼓碰撞或铣挖已经成形的初期支护，以及靠近掌子面开挖轮廓线附近的超前支护，避免已施做的支护结构扰动或破坏。
4.2.3 上台阶初期支护
采用I22a钢支撑，间距0.8m，每循环开挖两榀钢拱架间距；紧贴钢拱架的拱脚两侧各打设2根长4m的Φ42×4热轧无缝钢管作为锁脚锚杆，打设角度为向下45°，注浆同超前小导管，使用L型筋将锁脚锚杆和钢拱架焊接在一起，L型筋采用钢筋弯曲机预先加工；20×20㎝的双层Φ6.5钢筋网；环向梅花形布置长3m的Φ25中空锚杆，灌注M20水泥砂浆，环向间距80cm，每环28根；喷射28cm厚的C25混凝土。每隔5m布置一环3根注浆管，注浆管采用Φ42×4热轧无缝钢管，分别位于拱顶和两侧拱腰，待初期支护达到设计强度后进行注浆，以保证初期支护与岩面之间的密实。
4.2.4 下台阶开挖及初期支护基本同上台阶
下台阶开挖采取跳马口方式开挖，即先对一侧进行马口开挖，另一侧保留2~2.5m的宽度，以保证拱部稳定。开挖时先中间后边墙，边墙开挖时，当挖至拱脚处应控制铣挖的节奏，避免切削鼓触及钢拱架。如遇个别坚硬岩体，可考虑采用人工风镐凿除作业。
4.2.5 仰拱填充
施工中，应紧随初期支护尽早修筑仰拱，以利于初期支护结构的整体受力。仰拱距离掌子面不超过30m。仰拱开挖应按照由近及远、先中间后两侧的次序开挖，开挖需自上而下分层进行，避免超挖。开挖后应尽快施作仰拱初期支护或施作二次衬砌仰拱，尽快封闭成环；在开挖前应先做好引水措施，加强排水，避免隧道内水流到开挖面内，导致基础底层出现软化层而导致重新换填，增加工程量。仰拱浇筑前清除浮碴，排除积水。为了仰拱施工、掘进平行作业，采用自制的仰拱作业防干扰平台，避免仰拱施作与出碴的工序干扰。仰拱采用全幅整体浇筑至拱墙脚基座标高。
4.2.6 围岩监控量测
①施工单位编制实施细则，按程序审批后实施，作为关键工序纳入施工组织，专职人员必须经培训合格后上岗。
②监控量测布点设置（Ⅳ级围岩不得大于l0m，V级围岩不得大于5m）、量测频率应符合要求，及时对数据进行分析，指导施工。
③浅埋、偏压、下穿建筑物地段的地表必须设置监测网点并实施监测。
④拱顶下沉、水平收敛速率达5mm/d或位移累计达100mm时，应暂停掘进，并及时分析原因，采取处理措施。
4.2.7 防水层施工
铺设防水板在铺设台架上进行。铺设台架采用结构简单的临时支架，可用万能杆件拼装，也可使用工地现有的材料加工制作特殊部位结构防水：隧道施工缝安装遇水膨胀止水条+背贴式橡胶防水带，沉降缝、变形缝安装中埋式橡胶止水带+背贴式橡胶防水带。
4.2.8 衬砌施工在初期支护完成后适时进行
根据施工量测，二次模注衬砌时间应在围岩量测净空变化速率小于0.2mm/d，变形量已达到预计总变形量的80%以上，且变形速率有明显减缓趋势时方可进行，适时衬砌。采用液压砼衬砌台车，每段模注砼一次完成整体灌注，在灌注时预留和预埋照明、通风、消防等所需的洞室和线路管、孔、槽。
台车控制标准：
①严格控制轨道中心距，允许误差±1cm；
②轨面标高比隧道路面中心高15cm，允许误差±1cm；
③两侧电缆沟盖板以下直墙部分，人工立模先行浇筑；
④台车就位时，先调顶模中心标高，然后由顶模支撑梁上横向丝杆调整台车中线符合要求。最后由侧向丝杠电动调节边模张开度，调整到位后放下翻转模和底脚斜撑丝杠加固。混凝土的浇筑采用水平分层、对称浇筑。输送软管管口至浇筑面垂直距离控制在1.5m以内，以防砼离析。浇注过程要连续，避免停歇造成“冷缝”，间歇时间一般不得超过2h，否则按施工缝处理。
5 质量控制
质量控制措施：
①变形监测管理值。在隧道铣挖掘进施工过程中，应做好监控量测和预报工作，以控制隧道的开挖掘进质量和安全，监控量测项目主要为拱顶下沉和水平收敛，并随时观察开挖面的地质与支护状况。按《铁路隧道喷锚构筑法技术规则》（TBJ108-92）的要求，采用三级变形监控量测管理等级指导施工，如表1所示。即将变形或应力容许值的1/3作为基准值，将容许值的2/3作为警告值。将警告值和容许值之间称为警告范围，实测值落在此范围，应提出警告，采取施工对策，预防最终位移值超限；警告值和基准值之间称为注意值，实测值落在基准值以下，说明隧道和围岩是稳定的。三级变形监控量测管理等级见表1。
②实际施工中，必须采取措施对铣挖掘进施工质量进行控制，严格按照设计的铣挖顺序实施，不得随意调整顺序，保证隧道轮廓开挖圆顺，尽量减少超挖欠挖，针对该铣挖施工工艺，应采取以下措施：
严格控制各工序的作业间距，推行标准化作业。隧道施工遵循“三严、四及时、一做到”：“三严”即严格工艺，严格管理，严肃纪律；“四及时”即及时支护，及时封闭，及时量测，及时反馈；“一做到”即短进尺，快循环。
6 安全措施
6.1 安全执行标准
《中华人民共和国安全生产法》；
《建设工程安全管理细则》。
6.2 安全控制措施
①因掌子面存在个别工序间的交叉作业，人员、机械在一个作业面施工，人员进出必须按规定的线路进行，减少交叉作业风险。
②掘进机移动过程中，周边3米范围严禁站人。走行面尽量平顺，防止在移动过程中倾覆。
7 环保措施
7.1 执行标准
《污水综合排放标准》（GB8978-1996）；
《爆破安全规程》GB6722、《化学危险物品安全管理条理》。
7.2 环保措施
①依照《污水综合排放标准》（GB8978-1996）规定：悬浮物排入城市下水道必须达到三级标准400mg/l。悬浮物排入自然水体必顽达到二级标准150mg/l。为此在施工前结合施工周围上下水管线走向及过载能力，合理布置好排水口的位置，保证工地排水和污水处理设施在整个施工过程的有效性。②配合设备自喷雾降尘装置，开发诸如静电除尘、脉冲式注水等新的防尘技术，降低粉尘污染。③渣土外运车辆采用加盖汽车，并且在出口处设置洗车槽，随时对运输车辆进行冲洗。
8 效益分析
8.1 经济效益
根据《隧道盾构法施工成本价格分析》得知：使用德国进口海瑞克盾构机隧道掘进的单位延米费用。换算成每单位立方米的成本经济指标为：828元/m3，盾构每挖掘一立方米至少是隧道铣挖掘进成本的3倍多。显然，由于本工程周边环境限制无法采取钻爆法施工，在同等条件下使用悬臂式掘进机铣挖掘进，比盾构法可以显著的降低工程费用，直接节省工程费用约1420万。
大连南部滨海大道东端桥隧采用悬臂式掘进机隧道铣挖掘进工法，减少施工对白云隧道的影响同时保证既有白云隧道的正常运营；同时避免下穿同香山庄大面积住宅区时对地面房屋的影响，保守估算节省房屋维修费用约470万元。
累计节约费用：1420+470=1890万元
8.2 社会效益
铣挖法在隧道不允许爆破、围岩破碎、岩石强度适中、节理裂隙发育、变形控制严格的条件下，对围岩扰动少，超欠挖较更容易控制，需要的作业人员少，其施工工效高、稳定性高，不失为一种安全有效的方法，对提高隧道的施工机械化水平作用较大。
悬臂式掘进机铣挖法在隧道及地下工程建造施工中运用了技术优化、掘进建造工艺设计、设备与工艺运用及维护以及技术经济比较等方法，取得了一定的研究成果，具有改善施工环境和施工周边生活质量，降低施工成本、扩大悬臂式掘进机应用领域、推进建筑施工技术发展的积极作用。
8.3 节能环保效益
①采用本工法施工能避免“宁超毋欠”，减少对围岩的破坏。
②采用本工法铣出的渣土细腻均匀，可以直接作为回填土应用。
③采用本工法对节能降耗和技术创新等工作提供了可靠的技术保障，为构建资源节约型、环境友好型施工技术亦可进行技术优化研究。
9 应用实例
我公司承建的大连南部滨海大道东端桥隧建设工程下穿同香山庄、白云隧道计929.962m，均为单向两车道隧道，为减少对白云隧道的施工影响同时保证既有白云隧道的正常使用，疏导交通；同时保证减少下穿同香山庄大面积住宅区时对地面房屋的影响，本区段决定采取的施工方法为铣挖施工。本工程2013年5月21日开工，2015年10月30日开通运营。通过采用本施工工法，明显地节省了人工、工期、材料，保质保量，按时完工，经济效益和社会效益良好，为我单位在隧道施工中积累了宝贵的经验。
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[5]DG/TJ08-236-2013，市政地下工程施工质量验收规范[S]. |
