雙臂暗挖臺車在土質地鐵隧道施工適用性探討

洪 鵬, 趙 勝, 安三虔

(中鐵隧道局集團有限公司， 廣東 廣州 511458)

0 引言

近年來，我國城市地下空間開發如火如荼，淺埋暗挖法被廣泛應用于隧道及地下工程建設[1-2]。在軟弱地層，由于地質、水文和斷面等原因，淺埋暗挖法施工主要依靠人工完成。隨著中國社會老齡化的加劇，勞動力變得稀缺而昂貴，同時全民文化素質大幅提高，國家、社會和產業工人對作業環境的要求越來越高[3]，大力發展施工機械化迫在眉睫。

淺埋暗挖法所面臨挑戰之一即是機械化、自動化程度不高[3]。淺埋暗挖法多應用于軟弱地層，開挖一般采用臺階、CD、CRD、雙側壁、中洞、側洞、PBA等分步分塊開挖工法，常規大型機械設備難以實施。常規淺埋暗挖法施工中勞動力投入較多，作業環境相對較差，勞動強度較大。探索和研發軟土地層暗挖隧道機械化施工的新工藝和新裝備是暗挖工法發展的重要趨勢之一[4-5]。

目前，對淺埋暗挖法機械化施工的研究主要集中在2個方面： 1)對淺埋暗挖法常規機械如何配置的研究，如《淺埋暗挖大斷面隧道開挖支護機械化配套施工技術》[6]、《深圳地鐵暗挖隧道施工與機械配置分析》[7]、《暗挖隧道工程洞內裝碴及運輸設備配套的研究》[8]等，主要研究如何合理地配置施工設備，進而提升施工效率、加強安全質量控制和獲得更好的效益。2)對應用于淺埋暗挖法中某一特定工序或整個施工過程進行針對性的設備、工藝、工法的研制、應用及推廣的研究，已經研發并投入應用試驗的主要有拱架安裝機[9]、臂式掘進機[10-11]、預切槽機[12-14]等，考慮淺埋暗挖法施工工況的特殊性，應用效果顯著并廣泛推廣應用的設備極少。現階段美、德、日等國隧道施工多采用綜合機械化掘進法，工法的主要設備為掘進機，其具有高效率、高安全等優點，但掘進機設備成本較高(約3.2億元/臺)，極大地影響了在我國的推廣應用。

雙臂暗挖臺車是集成了挖裝機、鑿巖機等功能的新型多功能設備，適用于淺埋暗挖法機械化施工，掌子面開挖、出渣、支護均可一體化實施，目前已經在北京地鐵16號線1標、15標和西安地鐵5號線15標應用實施，并逐步推廣應用，但針對暗挖臺車應用的專題研究和總結相對較少。

本文結合西安地鐵5號線15標黃土地層區間隧道首次應用暗挖臺車，研究總結暗挖臺車的功能、特點和適用性，并提出改進建議，探析軟土地層地鐵暗挖隧道機械化施工的發展思路和趨勢。

1 施工設備及工藝

1.1 施工設備簡介

雙臂暗挖臺車集成了挖裝機、鑿巖機等功能，是市政暗挖隧道機械化施工發展的新型產品。暗挖隧道掌子面開挖成型、出渣、輔助支護等均可獨立完成。整機結構見圖1。

圖1 雙臂暗挖臺車整機結構圖Fig. 1 Structure of double-boom underground excavation trolley

暗挖臺車根據整機質量和工作范圍不同，分為不同的規格型號，分別適用于3 m×3 m至6 m×6 m開挖斷面和軟土、砂卵石、風化巖等不同地質。同種型號根據隧道開挖水文地質條件和需求不同，右臂可以選取導管機、濕噴機械手、液壓破碎錘等不同的功能模塊。

1.2 工藝流程

暗挖臺車施工工藝遵循常規淺埋暗挖法“管超前、嚴注漿、短進尺、強支護、早封閉、勤量測”18字方針[2]。洞室上臺階施工工藝流程見圖2，下臺階施工工藝流程見圖3。

圖2上臺階施工工藝流程

Fig. 2 Construction technology process of upper bench

圖3下臺階施工工藝流程

Fig. 3 Construction process of lower bench

1.3 作業工序分解

暗挖臺車整機作業如圖4所示。

(a) 右臂銑刨開槽

(b) 右臂超前小導管打設圖4 暗挖臺車整機作業示意圖Fig. 4 Sketches of operation of underground excavation trolley

1)銑刨和開槽。主要開挖上臺階拱部土方，用右臂銑刨功能完成，在右臂作業時需停止左臂作業。調整銑刨頭與大臂的角度，通過大臂的左右、上下擺動，大臂的長度變化，銑刨頭的角度變化等動作實現。右臂銑刨開槽如圖5所示。

(a)

(b)圖5 右臂銑刨開槽作業示意圖Fig. 5 Milling operation of right boom

2)土方開挖。停止右臂作業，采用左臂開挖土方。與挖掘機類似，左臂大臂可以側向旋轉、伸縮，主要開挖側墻、仰拱和核心土土方。左臂土方開挖作業如圖6所示。

(a) 俯視圖

(b) 側視效果圖圖6 左臂開挖作業示意圖(單位： mm)Fig. 6 Excavation operation of left boom (unit: mm)

3)下臺階側墻及仰拱開挖，鏟斗轉臂90°下臺階開挖施工如圖7所示。

圖7 左臂開挖下臺階作業Fig. 7 Excavation operation of left boom for lower bench

4)出渣。通過輸料系統完成，由左臂將渣土收扒至收料盤內，再通過皮帶傳輸至出土三輪車中。出渣作業如圖8所示。

(a) 左臂收渣

(b) 皮帶傳輸出渣圖8 出渣作業Fig. 8 Mucking

5)輔助打設超前小導管。利用暗挖臺車的右臂快換接頭更換為導管打設裝置進行輔助打設。對于黃土地層，采用靜壓的方式或“靜壓+沖擊”的方式；對于砂卵石地層，采用“靜壓+旋轉+風吹”的方式，輔以沖擊。導管打設裝置如圖9所示。

圖9 超前小導管打設裝置示意圖Fig. 9 Sketch of advanced small pipe device

6)其他工序。在不同機械臂配置下，暗挖臺車還能實現輔助支護(托舉拱架)和濕噴混凝土等功能。

2 暗挖臺車與傳統裝備施工對比

2.1 工程概況

西安地鐵5號線15標長鳴路站—月登閣站暗挖區間(簡稱長月區間)為雙線分離式隧道，長728.079 m，設臨時豎井及橫通道1處。標準段采用臺階法施工。長月區間平面圖如圖10所示，區間標準斷面如圖11所示。

圖10 長月區間平面圖Fig. 10 Layout of Changminglu Station-Yuedengge Station Section

圖11 長月區間標準斷面圖(單位： mm)

Fig. 11 Standard cross-section of Changminglu Station-Yuedengge Station Section(unit: mm)

工程地質依次為雜填土、新黃土、古土壤、老黃土、粉質黏土、卵石。區間隧道穿越古土壤和老黃土，區間隧道基底均位于老黃土中。地下水位位于底板以下15～20 m，地下水對工程施工無影響。

隧道左線小里程和右線小里程分離并行，且斷面、工法、長度、工程水文地質均基本一致。在施工中，左線上臺階采用傳統人工開挖，下臺階采用挖掘機輔助人工開挖；右線上下臺階均采用暗挖臺車施工。將施工中相應指標進行統計對比分析，研究暗挖臺車機械化施工的特點。

2.2 施工資源配置

根據左右線掌子面施工情況，將暗挖各工序的施工人員和設備配置進行對比，見表1。由表1可以看出，暗挖臺車在開挖、小導管施工工序上減少了施工人員配置，在其他工序無明顯差異。

2.3 施工工效

為了消除其他因素影響，客觀對比施工效率，統計隧道開挖初期支護循環時間，見表2。由表2可以看出，暗挖臺車開挖單循環平均作業時間、最小作業時間相比挖掘機輔助人工開挖均有所減少。在沒有其他因素制約的情況下，理論上暗挖臺車開挖平均可以達到4循環/d，即開挖初期支護日進尺3 m、月進尺90 m，超過挖掘機輔助人工開挖日進尺2.25 m、月進尺67.5 m的平均水平。隨著施工進度的加快，暗挖施工整體工期縮短，高風險施工作業時間相應縮減，進而有利于施工安全管控。

表1 各工序施工人員及設備配置對比Table 1 Comparison of construction labors and equipment configuration among different operation procedures

注： 出渣采用暗挖臺車或“挖掘機+三輪車”實施，拱架架立、噴混凝土均人工實施，在設備和人員配置上無明顯差異。

表2 隧道開挖初期支護循環時間對比Table 2 Comparison of cycling time of primary support between right line and left line

2.4 施工安全性

在傳統暗挖法施工中，主要采用人工開挖，作業人員多且擁擠在較狹窄的掌子面進行開挖，勞動強度大，安全風險高。采用暗挖臺車施工，作業人員數量大幅減少且遠離掌子面，僅從事操控、輔助等工作，勞動強度大幅降低，進而大幅提升了暗挖施工的安全性。傳統人工開挖和暗挖臺車機械化開挖作業對比如圖12所示。

(a) 傳統人工開挖

(b) 暗挖臺車開挖圖12 傳統人工開挖和暗挖臺車機械化開挖作業對比

Fig. 12 Comparison between conventional manual excavation method and mechanized excavation by underground excavation trolley

2.5 能源消耗及碳排放

隨著施工機械化程度的提高，提高了機械使用率，減少了人工作業時間，不可避免地會增大施工能效和碳排放。統計2016年7—10月左右線小里程的施工能耗和CO2排放情況，得到隧道施工開挖設備能源消耗對比見表3。

從表3可以看出： 1)由于使用電力能源，暗挖臺車開挖能源消耗平均為1.65元/m3，比采用挖掘機開挖的2.49元/m3降低了33.73%； 2)由于機械化程度提高，暗挖臺車開挖CO2排放量平均為1.46 kg/m3，比采用挖掘機開挖的1.13 kg/m3增加了29.20%。

2.6 圍巖及初期支護變形

隧道施工圍巖和初期支護變形屬于多因一果，其與工程水文地質、開挖工藝、開挖方式、斷面形式、支護遲早與強弱等均有一定關聯[15]。一般來說，施工中采用人工開挖，可減少對土體和初期支護的擾動，有利于圍巖和初期支護的變形控制[16]。

采用暗挖臺車施工，掌子面為機械法開挖，施工中圍巖和初期支護變形是暗挖臺車創新應用中需重點關注的問題之一。統計右線小里程(暗挖臺車開挖)YDK43+580里程和左線小里程(人工開挖)ZDK43+580里程的地表沉降、拱頂沉降監測數據，并進行對比分析。左、右線地表沉降時態曲線如圖13所示，左、右線初期支護拱頂沉降時態曲線如圖14所示。

表3 隧道施工開挖設備能源消耗對比Table 3 Comparison of energy consumption of excavation equipment between right line and left line

注： 1)電力CO2排放系數為0.75 kg/ (kW·h)； 柴油CO2排放系數為2.7 t/t，柴油L折算t為1 192 L/t。2)電力單價為0.85元/(kW·h)，柴油單價為5元/L。

(a) 右線

(b) 左線圖13 左、右線地表沉降時態曲線(2016年)

Fig. 13 Ground surface settlement curves of left line and right line in 2016

由監測數據可知，右線暗挖臺車機械法開挖與左線人工開挖在地表沉降、初期支護拱頂沉降的沉降速率和累計沉降量上并無明顯差別。

經分析，主要原因是工程水文地質條件較好，隧道穿越古土壤和老黃土層，基底位于老黃土層，施工所涉及地層土質均勻，基底老黃土地基承載力達到了200～280 kPa；同時，隧道所在區域地下水位位于隧道底板以下15～20 m，無水作業；開挖施工時土體自穩能力、初期支護成型后基底承載力均較為理想，整個隧道開挖施工中土體和初期支護變形均較小，進而一定程度上減小了機械開挖易擾動土體的影響。

(a) 右線

(b) 左線圖14 左、右線初期支護拱頂沉降時態曲線(2016年)

Fig. 14 Subsidence curves of primary support crown top of left line and right line in 2016

2.7 作業環境

隧道工程與其他開挖建設工程一樣，施工過程中塵土“溶”入空氣，同時各種施工機械燃油產生的尾氣也進入空氣，既破壞施工環境，又影響空氣質量。同時，隧道又是一個相對密閉的空間，隧道內有害氣體體積分數過高，將對施工人員安全產生不利影響[17]。

根據GB 50299—1999《地下鐵道工程施工及驗收規范》(2003版)，隧道內施工環境應符合表4規定。

表4 隧道內施工環境標準Table 4 Internal environment standards for tunnel construction

暗挖臺車整機采用電力作為能源，在隧道內施工時，不排放油煙廢氣，理論上可以大幅度提升隧道內施工作業環境。經檢測并統計暗挖臺車和挖掘機開挖時隧道內氧氣、CO2、CO、NOx、掌子面氣溫、噪音等實測數值，見表5。

對比分析各環境指標： 1)采用暗挖臺車開挖時的噪音低于標準值和挖掘機開挖，比挖掘機開挖降低了26.7%； 2)掌子面溫度在采用暗挖臺車開挖時顯著降低； 3)因挖掘機的柴油消耗大，采用挖掘機開挖時空氣中氧氣含量低于暗挖臺車開挖； 4)采用暗挖臺車開挖時，有害氣體NOx、CO2、CO含量顯著低于挖掘機開挖，特別是NOx和CO含量，在暗挖臺車開挖時僅檢測出微量，而采用挖掘機開挖時，其指標已接近標準要求限值。從上述對比分析結果可以看出，采用暗挖臺車可以較大程度上改善隧道內的施工作業環境。

表5 不同設備開挖作業掌子面環境指標檢測值Table 5 Detection value of environmental indicators of tunnel face for different excavation equipments

注： 檢測條件為下臺階機械開挖，未出土，通風風量為22 m3/min，風速為0.2 m/s。

3 暗挖臺車適用性分析

3.1 地質適用性

通過右臂銑刨頭、左臂挖掘臂的力學性能設計，使暗挖臺車適應于新黃土、老黃土、古土壤、軟土、砂卵石、風化巖、黏土等軟土地層。土體最大硬度為3～6 MPa，其主要制約為右臂銑刨頭最大銑削硬度，其中錐形齒銑刨頭最大銑削硬度為6 MPa，扁平齒銑刨頭銑削硬度為3～4 MPa。

3.2 水文適用性

考慮暗挖臺車出渣系統和銑刨頭的設計，暗挖臺車適用于無水作業或將地下水降于開挖面以下，確保無水作業。

3.3 適用斷面

不同型號暗挖臺車因外形尺寸、作業范圍大小不同，其適用斷面也不相同，可根據不同斷面進行針對性選配。

3.4 適用工法

暗挖臺車體形較大，且為履帶行走系統，適宜單個掌子面使用，不宜頻繁變換掌子面。同時，適宜在臺階法和全斷面法中開挖掘進，臺階法中上、下臺階長度宜為1.5～3.5 m短臺階。臺階法環向開挖時核心土不宜太大，根據暗挖臺車尺寸及現場實際施工經驗，6 m×6 m開挖斷面上臺階核心土大小宜為縱向1.5～3.5 m、寬2.5～3.5 m、高1.5～2 m。

3.5 吊裝下井、巷道直角轉彎條件

不同型號的暗挖臺車吊裝下井和直角轉彎要求的凈空尺寸不同。TWZ260暗挖臺車整機局部拆解部件后的尺寸為5 m×2.3 m×2.2 m(長×寬×高)，質量約18.5 t，吊裝要求的豎井凈空盡量不小于4.5 m×5 m。長月區間豎井凈空尺寸為4.5 m×5 m，暗挖臺車整機無法下井，現場利用專用吊裝工具將暗挖臺車整體呈45°斜角吊裝，下井后將暗挖臺車水平放置在豎井底部。暗挖臺車吊裝下井如圖15所示。

TWZ260暗挖臺車在橫通道內90°轉彎時要求橫通道尺寸不能小于5 m×5 m。長月區間橫通道初期支護凈寬5.6 m，施工的右線小里程正線初期支護凈寬5.78 m，現場滿足暗挖臺車的旋轉空間。暗挖臺車90°轉彎如圖16所示。

暗挖臺車吊裝下井和巷道90°轉彎所要求尺寸為暗挖臺車能否順利進場施工的關鍵，在豎井橫通道尺寸設計、場地布置和管路預埋時應統籌考慮。

4 黃土地層暗挖臺車應用

本工程為暗挖臺車在黃土地層中首次應用，因黃土地層特殊的工程力學性質，對暗挖臺車進行了改進和升級。

(a) 模擬圖

(b) 現場照片圖15 暗挖臺車吊裝下井

Fig. 15 Hoisting and lowering-down of underground excavation trolley

圖16 暗挖臺車90°轉彎示意圖(單位： mm)

Fig. 16 Right angle turning of underground excavation trolley in tunnel (unit： mm)

4.1 出渣系統改進

暗挖臺車原為刮板式出渣系統(見圖17)，因黃土具有軟黏性，易堵塞鏈條與夾板間縫隙，導致出渣系統堵塞、卡死。經多次改進和試驗，最終更改為皮帶式出渣系統(見圖18)，順利解決了黃土易堵塞出渣系統的問題。

4.2 左臂挖掘臂鏟斗選型

暗挖臺車左臂挖掘臂鏟斗有平板形(見圖19)和圓弧形(見圖20)2種型式。挖掘臂最大挖掘力決定于鏟斗所連接的液壓油缸和鏈桿角度，經計算，平板形和圓弧形2種型式鏟斗設計強度均滿足挖掘臂最大挖掘力作業要求。

圖17 刮板式出渣系統Fig. 17 Scraper-type mucking system

圖18 皮帶式出渣系統Fig. 18 Belt-type mucking system

圖19 平板形鏟斗Fig. 19 Flat bucket

圖20 圓弧形鏟斗Fig. 20 Circular bucket

不同型式鏟斗選擇主要考慮挖掘效率和開挖斷面形式。采用圓弧形鏟斗，挖掘、收渣效率高，適用于邊墻和仰拱為圓弧形的開挖斷面；采用平板形鏟斗，挖掘、收渣效率降低，主要應用于邊墻和仰拱為平直形的開挖斷面。

4.3 右臂銑刨頭改進

暗挖臺車右臂原設計為錐齒形銑刨頭，如圖21所示。黃土地層開挖時，渣土被銑刨成粉末狀，過于松散，銑刨及出土速度降低。優化設計為扁平狀齒銑刨頭，如圖22所示，銑刨時以切削為主，土體被切削銑刨成條塊狀，有利于提高銑刨及出土效率。經現場試驗表明，扁平狀齒銑刨頭的銑刨、出渣效率提升明顯。

錐齒形與扁平狀齒銑刨頭適用的土層力學性能也有所區別，錐齒形銑刨頭最大銑削硬度為6 MPa，扁平狀齒銑刨頭銑削硬度為3～4 MPa。在銑刨頭選型時除考慮施工效率外，還需結合工程地質情況。

圖21 錐齒形銑刨頭Fig. 21 Tapered-tooth milling head

圖22 扁平狀齒銑刨頭Fig. 22 Tabular-tooth milling head

5 結論與建議

5.1 結論

暗挖臺車作為淺埋暗挖法機械化施工發展的開拓性產品，其在施工安全性、機械化程度、施工工效、隧道作業環境改善等方面有很大優勢，開拓了淺埋暗挖法機械化施工的新思路。但同時，暗挖臺車本身以及淺埋暗挖法機械化施工仍有大量問題急需解決，如暗挖臺車機械開挖對暗挖隧道土體和初期支護變形的影響程度，以及機械化施工在暗挖工法中對土體和初期支護變形的影響等還需在工程水文地質更為敏感的隧道施工中進行進一步分析研究。暗挖臺車如何在富水地層應用，如何在CD法、CRD法、雙側壁導坑法等多導洞工法中實現機械化施工等也仍需繼續摸索實踐。

5.2 建議

1)暗挖臺車開挖、銑刨、出土等工序由駕駛室司機操作，因機械較龐大，司機距離掌子面較遠，開挖及銑刨時，不能直觀掌握掌子面超欠挖情況。建議研發暗挖臺車遙控器，司機直接在掌子面操作，或在其工作大臂設置攝像頭、在駕駛室配置顯示屏，確保觀察更直觀、準確。

2)暗挖臺車進退時，外接電纜線由人工操作線盤，暗挖臺車進退不方便，可改造為自動伸縮線盤。

3)TWZ260型暗挖臺車整機質量為26 t，其走行系統、左右臂、出渣系統均較為厚重，可從優化整機材質考慮，減小各系統質量，進一步提升其機動靈活性。

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