基于暗挖臺車的暗挖工法安全綠色環保施工探索

王彥臻

摘要：針對暗挖法面臨的機械化程度不高、安全風險高、作業環境差的挑戰，本文結合西安地鐵五號線某暗挖區間引入的暗挖臺車、電動挖掘機、電動三輪車、燈帶霧化降塵系統等設備設施的應用情況進行總結分析，探索暗挖工法安全綠色環保施工新的發展思路，并提出了相關建議。

【關鍵詞】暗挖法；暗挖臺車；電動三輪車；電動挖掘機；燈帶霧化降塵系統

淺埋暗挖工法誕生于30多年前，經過多年的實踐應用和發展，已成熟并被廣泛應用。根據暗挖工法的核心理念，結合不同的輔助措施、機械配置等，衍生了眾多輔助工藝，成功的應用于各種隧道及地下工程。隨著中國社會老齡化的加劇，勞動力變得稀缺而昂貴；全民文化素質較30年前大幅度提高，施工作業工人和社會對施工作業環境的要求越來越高。暗挖法所面臨的挑戰中機械化自動化程度不高、作業環境差、勞動力投入多、勞動強度大的問題越來越凸顯，該如何應對和解決所面臨的挑戰成為工法長久保持旺盛生命力亟待解決的問題。

本文結合西安地鐵五號線某暗挖區間引入的暗挖臺車、電動挖掘機、電動三輪車、燈帶霧化降塵系統等設備設施的應用情況進行總結分析，探索暗挖工法安全綠色環保施工新的發展思路，并提出了相關建議，以期對暗挖法的發展有所啟發。

1.工程實例

西安市在建地鐵某區間為雙線分離式隧道，長728.079m，設臨時豎井及橫通道一處，詳見圖1。豎井小里程方向為標準斷面（C斷面），采用臺階法施工，長453.551m。豎井東側（大里程方向）為過地裂段（D斷面），長約268.338m，采用臺階+臨時仰拱法。

工程地質依次為雜填土、新黃土、古土壤、老黃土、粉質粘土、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。地下水位位于底板下15～20m，地下水對工程施工無影響，不考慮施工降水。

2.引入的新設備設施應用情況

暗挖區間開挖初支施工時引入了首次在黃土地層應用的暗挖臺車新設備，使用電力驅動的挖掘機和三輪車替代了傳統的燃油挖掘機和三輪車，研發應用了燈帶霧化降塵系統。

2.1 暗挖臺車

2.1.1 暗挖臺車設備簡介

雙臂暗挖臺車是集成挖裝機、鑿巖機等功能的多功能新型工裝，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。整機結構詳見圖2。

暗挖臺車根據整機重量和工作范圍不同，分幾種不同規格型號，分別適用于3mx3m至6mx6m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。

在本區間中，引入的暗挖臺車設備應用于右線小里程段施工，獲得了較好的實際應用效果。

2.1.2 施工作業人員配置情況

將采用暗挖臺車開挖的右線掌子面施工作業人員配置情況和采用常規人工開挖的左線掌子面施工作業人員配置情況進行對比，詳見各工序施工人員及設備配置對比表（表1）。

從表1可以看出，暗挖臺車在開挖、小導管施工工序明顯減少了施工人員配置，其他工序無明顯差異。

2.1.3 施工安全性

在傳統暗挖法施工中，作業人員多，作業工人擁擠在較狹窄掌子面進行開挖，勞動強度大，安全風險大。采用暗挖臺車，作業工人數量大幅減少，且遠離掌子面，僅從事操控、輔助等工作，勞動強度大幅度降低。參與人員少、遠離掌子面、勞動強度低等因素大幅提升了暗挖施工的安全性，傳統暗挖和機械化施工開挖作業對比如圖3所示。

2.1.4 作業環境

隧道工程和其他開挖建設工程一樣，施工過程中塵土飛揚，“溶”入空氣；各種施工機械燃油產生的尾氣也進入大氣中，這樣即破壞施工環境，又影響空氣質量。同時隧道卻又是一個相對密閉的空間，隧道內有害氣體濃度過高，將對施工人員的安全產生影響。

根據《地下鐵道工程施工及驗收規范》（GB50299-1999）（2003版），隧道施工環境應符合表2規定。

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。經檢測并統計對比了暗挖臺車開挖和挖機開挖時隧道內氧氣、CO2、CO、NOx、掌子面氣溫、噪音等實測數值。詳見不同設備開挖作業掌子面環境指標檢測值（表3）。

環境指標中，暗挖臺車開挖時噪音低于標準值和挖機開挖，比挖機開挖降低了 26.7%。掌子面溫度在采用暗挖臺車開挖時顯著降低。氧氣因挖機的柴油消耗大，挖機開挖時空氣中氧氣含量低于暗挖臺車開挖。采用暗挖臺車開挖時，有害氣體氮氧化物、CO2、CO含量顯著低于挖機開挖，特別是氮氧化物和CO含量，在暗挖臺車開挖時僅檢測出微量，而挖機開挖時，其指標已接近標準要求限值。從上述對比分析可以看出，暗挖臺車的使用，可以很大程度上改善隧道內施工作業環境，提升安全性，也進一步提升綠色施工能力。

2.1.5 能源消耗和碳排放

隨著社會發展和自然環境不斷惡化，低碳、節能環保新材料、新設備、新工法的研發和普及是國家乃至全球發展的需要。統計2016年7月～2016年9月隧道開挖初支施工能源消耗情況，并選取兩個典型斷面進行對比分析，結果如表4所示。

從表4可以明顯看出，使用電力能源的暗挖臺車開挖能源消耗平均為55.55元/m，比燃油挖機開挖的112.77元/m降低了50.74%；開挖作業CO2排放平均為42.48kg/ m3，比挖機開挖的58.76kg/m3降低了27.71%。同時，我們應該看到，采用暗挖臺車時，隧道上下臺階均采用臺車開挖，而采用挖機開挖時，僅進行下臺階開挖和輔助上臺階開挖，如采用實際開挖土方量折算，暗挖臺車在能源消耗和碳排放上的優勢將更加明顯。從能源消耗和碳排放的角度上，暗挖臺車的使用可以進一步提升暗挖工法綠色化施工能力。

2.2 電動挖掘機

2.2.1電動挖掘機適用性

在本區間應用的HT65D型電動挖掘機，其制造參照了常見的PC60-8型柴油挖掘機，配置了380V、45kW電機，其主要參數與PC60-8型柴油挖掘機對比如表5所示。

根據該區間施工斷面尺寸，采用電動挖掘機（HT65D型）輔助下臺階開挖和出渣，電動挖掘機大小（長×寬×高）6.015m×1.96m×2.67m和作業范圍最大挖掘（高×深×半徑）5.16m×3.75m×6.107m在地鐵區間隧道適用性好。該設備挖斗容量0.25m3，出渣速率為0.75m3/分鐘。工程實例中，區間標準段（C斷面）開挖土方每循環為26.25m3和地裂縫斷面（D斷面）開挖土方每循環為29m3，出渣所需時間分別為35分鐘和39分鐘，可以達到3小時內完成開挖工序出渣的要求。因此，在土層地鐵區間單線暗挖隧道配置HT65D型電動挖掘機適用性、效率均較為理想。

2.2.2作業環境

傳統施工中，采用柴油挖掘機時會產生大量的有害氣體，其尾氣中NOx含量在35mg/m3以上、CO含100mg/m3以上，嚴重超出《地下鐵道工程施工及驗收規范》對作業環境空氣中NOx含量不應大于5mg/m3、CO含量不應大于30mg/m3的規定，嚴重危害作業工人的身體健康。實際施工中常用大量的通風來稀釋有害氣體，改善作業環境空氣質量，效率低且效果差。

采用電動挖掘機后，因整機采用電力作為能源，實現了隧道內尾氣煙塵零排放，相比于柴油挖掘機開挖，隧道內空氣質量得到了明顯改善。

現場實測，采用柴油挖掘機開挖作業時，其噪音為75dB，而采用電動挖掘機時，其噪音為54dB，電動挖掘機的電機噪音比柴油機的噪音要小21dB，降低了28%，進一步改善了施工作業環境。

2.2.3能源消耗和碳排放

施工中，統計了2016年7月～2016年9月隧道開挖初支施工能源消耗情況，本文選取三個斷面進行對比分析，分析電動挖掘機能源消耗和碳排放情況，結果如表6所示。

從表6中可以看出，采用電動挖掘機在能源消耗上明顯低于柴油挖掘機，電動挖掘機能源消耗折算費用為1.83元/m3和1.52元/m3，是柴油挖掘機3.22元/m3的一半左右。而從折算的碳排放可以看出，電動挖掘機碳排放水平也低于柴油挖掘機，是柴油挖掘機的69%～83%左右。

2.3電動三輪車

2.3.1電動三輪車適用性

該地鐵區間隧道長度短，作業面狹窄，渣土采用無軌運輸。施工中引進了MDY-180型電動三輪車作為渣土運輸車輛，其主要參數詳見表7。電動三輪車制造參照了柴油三輪車，但采用了7.5kW電機替代了柴油機。

根據安全管理規定，運輸車輛在作業區應小于10km/h，按車載容量1m3，行車速度10km/h考慮，長小于500m的施工作業面，三輪車出渣速度能達到1m3/10min，即每小時6m3。工程實例中，區間標準斷面（C斷面）土方26.25m3/循環和地裂縫斷面（D斷面）土方29m3/循環的開工初支工序要求在3小時內完成，出渣按2小時完成考慮，施工作業面配置三輪車不小于3臺。在該工程實例實際施工過程中，開挖初支各個作業面均配置3臺載重量為1.2m3的三輪車，區間分四個掌子面，共配置三輪車12臺，配置的三輪車中，部分為電動三輪車。

由上可知，車載容量為1.2m3的電動三輪車，其行車速度最大為10km/h和車輛的尺寸大小對于出土量相對小，作業空間相對狹窄的暗挖隧道適用性較強，適宜在地鐵區間暗挖隧道內使用。

2.3.2電動三輪車優勢和主要問題

常規使用的柴油三輪車設備工藝落后，排放標準低，使用時煙塵尾氣大，嚴重污染隧道內空氣，導致施工作業環境惡劣。采用電動三輪車，電機動力，實現了隧道內煙塵尾氣的0排放，根除了隧道內空氣重大污染源，改善了隧道內空氣質量。

電動三輪車電機產生的噪音顯著低于柴油機噪音，可以大幅降低隧道內噪音，進一步改善隧道內施工作業環境。

同時，我們不能忽視現階段電動三輪車應用所面臨的問題：

一是相比柴油三輪車，電動三輪車在動力和爬坡能力上相對較差，可以在坡度較緩的隧道內通暢使用，現場試驗最大坡度不宜大于1：15，需要進一步提升和改進。

二是電動三輪車采用蓄電池供電，理論續航能力為8～10個小時，實際施工中測試續航能力為5～6個小時，需要較頻繁充電，且充電時間較長，從電壓不足到完全充滿至少需要5個小時。施工中可以采用在隧道內設置充電樁，在開挖、拱架架立、噴漿等不需要三輪車的工序施工時進行充電予以解決，如圖4所示。但提高電池續航能力和縮減充電時間仍是電動三輪車應用需要解決的重要問題。

2.4隧道內燈帶霧化降塵系統

2.4.1工藝原理

（1）借鑒霧化降塵理念，采用高壓泵將水加壓至0.5～0.7MPa，經高壓噴嘴霧化，形成飄飛的微米級水霧顆粒，細小的水霧顆粒能高效吸附空氣中煙塵雜質，達到降塵目的。在隧道一定范圍內安裝該系統，可以形成水霧狀降塵帷幕，達到隔斷、吸附、降塵目的，如圖5所示。

（2）結合各種自動感應裝置，可以根據粉塵濃度、時間、是否有作業工人等控制其作業，達到信息化施工目的。

（3）結合燈帶技術，將霧化降塵系統與燈帶向結合，取消隧道內燈泡照明，采用燈帶照明，可以大幅增加隧道內照明亮度，消除照明死角，如圖6所示。

2.4.2 實施效果

（1）實現隧道內霧化降塵，改善隧道暗挖施工作業環境，提升隧道內空氣質量，提高了施工作業人員職業健康水平。隧道內空氣質量的改善，可以大幅縮減通風設備使用，降低能耗和碳排放，達到綠色環保施工目標。

（2）燈帶光照均勻、亮度高、照明無死角，空間占用小，美觀大方，提高了施工作業環境的安全水平。一定程度上也可以改善了人們對暗挖法作業面昏暗、煙塵大、噪音大、環境差的觀念。

3.結束語

結論：（1）目前，暗挖法雖在應用的工程數量上有所減少，但仍被廣泛應用在各種隧道和地下工程施工中。暗挖法相比其他工法如盾構法、明挖法，其有著無法替代的優勢：可以在覆土很淺（1m～2m）的地下工程中不占用地面場地進行施工；可以在短距離內靈活變化斷面，可以在大坡率、小半徑隧道中應用；可以在黃土地層地裂縫斷面采用暗挖施工；可以大幅縮減征地拆遷、管線遷移、交通導改工作量，也將施工擾民降到了最低。正視和解決暗挖法面臨的挑戰是暗挖法發展乃至隧道建設無法逃避的問題。（2）采用暗挖臺車施工，可以提高暗挖法機械化和自動化水平、減少勞動力投入、降低勞動強度、改善作業環境、低碳環保、提高施工作業安全性，是暗挖法安全綠色環保施工發展的可選路徑。（3）采用電力能源替代傳統的燃油能源，如用同等級的電力設備電動挖掘機、電動三輪車替代傳統的燃油設備柴油挖掘機、柴油三輪車，可以根除隧道內的空氣的尾氣污染和消減作業環境的噪音污染，大幅提升隧道內空氣質量和降低施工噪音，改善作業環境。是暗挖法安全綠色環保施工發展現行最容易實行也是最具有實效的措施之一。（4）研發應用新型設備設施輔助隧道施工作業環境的降塵、降噪、提高照明、控制環境溫度等在一定程度上可以緩解施工作業環境差的問題，從觀念上改變人們對暗挖法臟亂差的傳統印象，煥發暗挖法新的活力。

討論：（1）因暗挖臺車本身存在的自重大、不能在富水地層應用、適用斷面范圍小、無法在CD法、CRD法、雙側壁導坑法等多導洞工法中應用等諸多適用性問題，其推廣應用仍存在不小阻力，急需對暗挖臺車進行改造升級，以期適用于暗挖法各種工況，助力暗挖法安全綠色環保施工的發展。（2）在尋求將更多的隧道內應用的傳統燃油設備更換為電力驅動設備的同時，也應該正視與新能源汽車替代傳統燃油汽車類似的困擾。急需解決的仍然是動力、電池續航能力、充電時間等問題，這也是暗挖法安全綠色環保施工所面臨的重要問題之一。（3）新型的暗挖法施工輔助設備設施的研發，在通風、照明、降塵、降噪、環境溫度控制等方方面面應該有一席之地，其研發和應用也是助力暗挖法的發展的重要力量。

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