区间暗挖隧道悬臂式掘进机掘进施工方案

火沙区间暗挖隧道 悬臂式掘进机掘进施工方案

中国铁建

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中铁十五局集团轨道交通 1号线第七工作段项目经理部

专业资料

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，再下穿洞路南明区人民（5层），进入洞路下后 至沙冲路站。

本区间右隧起讫里程

Y DK26+143.2〜Y DK27+.8

（YDK26+294.81 仁YDK26+300 ，短链 5.1m ）,左隧起讫里程 为 ZDK26+143.2 〜ZDK27+.8 （ZDK26+272.779二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+.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 右洞 平面

洞身段 YDK26+324.116 〜 出口端 YDK27+065.800 为直线 〜+.8 段 YDK26+143.2 〜+324.116 段 为直线 YDK27+065.800 段为 R=400m 左偏曲线 专业资料

ZDK26+353.156 左洞 平面

~ YDK27+061.006 为直线 ~+.8 段 ZDK26+143.2 ~ +353.156 段 为直线 ZDK27+061.006 段为 R=380m 左偏曲线 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 约为29.3m

2 %。上坡 右洞坡度 26.8m 2 %。上坡 左洞坡度 26.8m

16m，轨面最大埋深

-8.671 %。下坡 374.811m -9.212 %o下坡 352.779m 26.427 %。上坡 480m 26.427 %。上坡 480m 2 %。上坡 43.8m 2 %。上坡 43.8m 1.1.3特殊段落

下穿火车站站房地段 下穿火车站股道段 下穿居民楼段 居民楼一般为条基和桩基， 上基础形式 及埋深情 况 隧道拱顶距火车股道 22m， 拱顶埋深16.5m，基础形式为 群桩隧道拱顶距车站行包地道 基础，拱顶距桩底 2 ~ 6m 16m 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 16m 8 ~ 拱部180 °围采用一环©159大 管棚预支护（管棚设 4根©18 钢筋超前支护 笼）；拱部120 °围采用柳2 注浆小导管，壁厚 4.0mm , 拱部120 °围采用©42超前 注浆小导管，小导管 L=3.5m ， 环向间距 拱部120 °围采用柳2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 L=3.5m，环向间距0.35m，纵 向间距1.4m 初喷混凝 土 36cm 厚C30喷射混凝土，全 环设置 拱部采用© 32注浆锚管，角度 0.35m，纵向间距1.5m 28cm 厚C25喷射混凝土， 全环设置 28cm 厚C25喷射混凝土， 全环设置 拱部采用© 32注浆钢花管， 拱部采用© 32注浆钢花管， 60 °, L=3.5m，对拱顶部位围 岩进系统锚杆 行注浆加固；边墙采用© 22 砂浆锚杆，L=3.0m ;锚杆间 距: 1.0 杆，L=3.0m ;锚杆间距： 1.0 X1.0m （环x纵），梅花形布 置 钢筋网

L=3.5m ;边墙采用© 22砂 浆锚L=3.5m ；边墙采用© 22砂浆 锚杆，L=3.0m ;锚杆间距： 1.0 X1.0m （环X纵），梅花形 布置 采用© 6钢筋，构成 20 X 20cm网格，全环单层设置； X1.0m （环X纵）， 梅花形布置 采用© 6钢筋，构成 20 X 20cm网格，全环双层设置； 采用© 6钢筋，构成20 X20cm 网格，全环双层设置；钢筋网应 专业资料

与锚杆尾端连接牢固 钢筋网应与锚杆尾端连接 牢固 钢筋网应与锚杆尾端连接牢 固 采用I20b型钢钢架，全环设 置，纵向间距0.5m/榀 采用50cm厚C35防水钢筋 混凝土，其抗渗等级为 P10 采用C20混凝土 主筋采用5根©20，纵向钢 筋为©12，箍筋为© 8钢筋 地表最大沉降值为 20mm ， 隧轨面沉降值不得超过 10mm ;相道拱顶最大沉降值为 30mm，水邻两股钢轨水平 高差不得超过 平收敛最大值为 20mm （警戒6mm ;相邻 两股钢轨三角坑不得值：监测控制 值的0.75 倍），超过 6mm ;前后高低（纵向水平） 6mm 建筑物倾斜 警戒值一般取i v 0.002 采用128b型钢钢架，全环设置， 加强支护 纵向间距0.35m/榀； 采用65cm厚C35防水钢筋混 二次衬砌 凝土，其抗渗等级为 P10 仰拱填充 二衬钢筋 采用C20混凝土 主筋采用10根©22，纵向钢筋 为©14，箍筋为© 10钢筋 地表最大沉降值为 20mm，隧 道拱顶最大沉降值为 30mm ， 水平收敛监控量测 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

采用I20b型钢钢架，全环 设置，纵向间距0.5m/榀 采用50cm厚C35防水钢筋 混凝土，其抗渗等级为 P10 采用C20混凝土 主筋采用5根©20，纵向钢 筋为© 12，箍筋为© 8钢筋 i v 0.002 1.2工程地质及水文情况

本区间隧道处于市主城区核心区，线路通过围为民用建筑密集 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 1051.78-10.32

线路平面布置图

1.3 隧道周边环境影响

本区间隧道位于市主城区围，其下穿火车站、玉厂路、洞路，周 边管网密集，上空有架空电线，地下管网多。区间隧道围地面建筑物 较多，其中多为1〜9

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层民用建筑。其中位于区间隧道路线正上方或 左右边线 30m 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 1 3Z(K26+ 1

43/27+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：

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«WW W 7、2m 4.5m IA5.0m 1.5心 1.5^3,0m 1.5-3. Om 15 心 Om tt7.6m 15x3.0m tt10.0m tA8,0m Jtfcl 4.9m W1.4m ^rn ^17m YDK 26+365. 和相扒羊3郴4# 刪砒、3机供# 啊口#・4#85 # mi mi r 8,2m itt ^17m r訓i 挪 ^17m 8,4m >12m 4.0m >8m MO <1m tt w- IA WWW r 1

«A 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 ZDK26+143.2-ZDK26+152 ZDK26+152-ZDK26+192 ZDK26+192-ZDK26+340（ 27.221m） ZDK26+340-ZDK26+365 ZDK26+365-ZDK26+416.5 ZDK26+416.5-ZDK26+434.5 ZDK26+434.5-ZDK26+467 ZDK26+467-ZDK26+510 ZDK26+510-ZDK26+550.27 长度（m） 8.8 40 短链 120.779 衬砌类型 大管棚工作室复合式衬砌 Ive型复合式衬砌 施工方法 台阶法 全断面法 台阶法 IV d型复合式衬砌 25 51.5 18 32.5 43 40.27 IVc型复合式衬砌 台阶法 台阶法 台阶法 台阶法 台阶法 台阶法 V d型复合式衬砌 交叉扣加强型衬砌 IVc型复合式衬砌 V d型复合式衬砌 交叉口加强型衬砌 专业资料

ZDK26+550.27-ZDK26+920 ZDK26+920-ZDK27+.8 369.73 153.8 IV d型复合式衬砌 Vc型复合式衬砌 台阶法 台阶法 右线各里程段设计衬砌类型及施工方法

起止里程 YDK26+143.2-YDK26+149 YDK26+149-YDK26+157 YDK26+157-YDK26+197 YDK26+197-YDK26+323 5.1 米） YDK26+323-YDK26+396.4 YDK26+396.4-YDK26+414.4 YDK26+414.4-YDK+473 YDK26+473-YDK26+493 YDK26+493-YDK26+534.5 YDK26+534.5-YDK26+862 YDK26+862-YDK27+.8 长度（m ） 5.8 8 40 （短链 120.811 衬砌类型 施工方法 台阶法 台阶法 全断面法 V d型复合式衬砌 大管棚工作室复合式衬砌 IVe型复合式衬砌 V d型复合式衬砌 台阶法 73.4 18 58.6 20 41.5 327.5 211.8 IVc型复合式衬砌 交叉扣加强型衬砌 IVc型复合式衬砌 台阶法 台阶法 台阶法 台阶法 台阶法 台阶法 台阶法 Vd型复合式衬砌 交叉扣加强型衬砌 Vd型复合式衬砌 Vc复合型衬砌 隧道衬砌支护技术参数表

初期支护参数 衬砌类型 系统锚杆 加强支护 超前支护 二次衬砌 喷射砼 钢筋网 型钢钢架 拱部：©25中空注浆锚 ©6钢筋网， C25喷射 单线IVc 杆 L=2.5m@1*1.2m 型 边墙：$22砂浆锚杆 @0.2*0.2m 26cm 全环布置 砼厚 @0.8m全环 I18型钢 ©42超前小导管 P1O、C35 环向间距：0.4m, 防水钢筋 L=3.5m拱咅怖置 砼、厚 专业资料

mo? LUO99 LU9 e=n 'ujge o ^tugeo® :目順回随 盼821 為护「/!畀创 geo、0归 Wfl 929 LU09C 山乙0^ 0® LUOUO^LUO^I 申B#沏：恫 ujouo^ujg^n 土* 叭|需寅 宓®B90 IO忠卓申乙筑:蹲f LUOUO^LUO^I LUO09 mo? LU08S 山乙0^ 0® 申B#沏：恫 LU9 e=n 'ujge o ujgo/^o® 曙匪qo乙 凹□沦 ujouo^ujg^n :目順回随 9C9 '02 為护「/!畀创 Wfl 929 宓®B90 土* IO忠卓申乙筑:蹲f PAIWW LUOUO^LUO^I LUO09 M啊蜩E LU08S 山乙0^ 0® 申B#沏：恫 W孚 卜治0 :引回回 W ^9 0® 聊如 LUOUO^LUO^I 随1甘［W葩 geo、0归 0 +1B¥ 69 忡 曙匪qo乙 Wfl 929 ZBBY 宓®B90 土* IO忠卓申9汐:窓请 LUOUO^LUO^I iuog> mo? LU09S 山乙0^ 0® 申B#沏：恫 ujouo^ujg^n W孚 LU9 e=n 'ujge o W ^9 0® WAWW :目順回随 Wfl 929 geo、0归 為护「/!畀创 宓®B90 土* IO忠卓申乙筑:蹲f iuo0> ujsuoi^ujgs^ 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，

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参照地铁、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 85

MPa ，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 专业资料

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，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（》lOOMPa ）,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

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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。

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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， 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。

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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临时存渣区，

掘

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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：

1— LL1 口 r\\ 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

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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。

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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，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X宽X高：11.7 X3.6 X2m ）,无常通过二衬台车，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。

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