淺埋暗挖法土質隧道中暗挖臺車的適用性分析

靳文源

(太原國省道汾河水庫段建設管理有限公司，山西 太原 030006)

1 工程概況

隧道工程位于我國西北地區，為分離式設計，上行線起訖樁號SK250+845～SK251+707，線路長862 m，下行線起訖樁號XK250+796～XK251+671，線路長885 m。結合地勘報告，隧址區域所揭露的地質由上至下依次為一般新黃土、飽和黃土及泥巖，其中飽和新黃土質均且穩定，主要位于隧道進口端；飽和黃土軟塑且不均勻，主要分布在隧道出口端，隧道洞身主要分布泥巖。該隧道于2019年11月開始施工，上行線主要從進口端開始單口掘進，采用上下導坑留核心土施工工藝，由于上行線圍巖穩定性良好，故2020年4月即順利貫通。下行線擬通過TWZ260型暗挖臺車開挖，考慮到該施工機械屬于工程所在地區土質隧道開挖中的首次應用，必須加強機械適用性分析及性能優化改進探討。

2 暗挖臺車施工

2.1 施工人員及設備配置

結合該淺埋暗挖土質隧道左右線掌子面情況進行施工設備和人員配備，具體而言，左線標準段臺階法開挖采用1臺TWZ260型暗挖臺車，配備司機和輔工各1名；右線標準段臺階法開挖使用1臺PC60型挖掘機，配備司機1名、開挖工6名。左線φ42 mm×3.5 m小導管施工主要采用1臺TWZ260型暗挖臺車和1臺KBY50型注漿機，配備司機1名、注漿工2名；右線小導管施工采用1臺YT28風鉆和1臺KBY50型注漿機，配備鉆工和注漿工各2名。

通過以上施工設備及人員的配備可以看出，開挖及小導管施工工序中暗挖臺車的使用可使施工人員的配質量明顯減少，其余工序則無明顯差異。

2.2 施工工效

左線小里程標準斷面TWZ260型暗挖臺車開挖初支循環時間均值和最小值分別為335 min和290 min，右線小里程PC60型挖掘機開挖初支循環時間均值和最小值分別為430 min和345 min。通過比較作業時間可以看出，暗挖臺車開挖作業時間比挖掘機開挖短，在不考慮其他因素的情況下，暗挖臺車開挖進度理論上可以達到4循環/d，也就是開挖初支日進尺3 m、月進尺90 m，比挖掘機2.25 m的日開挖進尺和67.5 m的月進尺工效高。

此外，傳統暗挖施工過程以人工開挖為主，作業人員勞動強度大，安全風險高。使用暗挖臺車施工后作業人員配備量大大減少，且人員均遠離掌子面，降低勞動強度的同時，施工安全性明顯提升。

2.3 能源消耗統計

統計該淺埋土質隧道左右線小里程施工掘進及能耗情況，具體如表1所示，表中電力和柴油CO2排放系數分別取0.75 kg/(kW·h)和2.7 t/t，柴油CO2排放按照1 192 L/t標準進行折算；工程所在地工程用電單價為0.85元/(kW·h)，柴油單價5元/L。根據表中結果的對比可以看出，暗挖臺車使用電力能源的情況下，平均能耗為1.70元·m-3，比挖掘機施工2.49元·m-3的能耗降低34.12%；使用TWZ260型暗挖臺車提升施工全過程機械化后，CO2排放量增加。

2.4 隧道初支

土質隧道施工期間圍巖及初支變形是由水文地質、開挖施工工藝、斷面形式、圍巖強弱及支護時機等多種原因造成的，一般情況下，若采用人工開挖施工方式，能最大限度減輕對圍巖及初支結構的擾動。

表1 左右線小里程開挖施工能耗統計

應用暗挖臺車開挖掌子面必然會對圍巖及初支結構造成較大擾動，這也是暗挖臺車機械開挖施工控制的重難點所在[1]。根據對該土質隧道左線小里程TWZ260型暗挖臺車開挖及右側小里程PC60型挖掘機結合人工開挖下地表沉降、初支拱頂沉降的監測結果可以看出，左線TWZ260型暗挖臺車開挖和右線PC60型挖掘機結合人工開挖在地表沉降和初支拱頂沉降速率、累計沉降速率等方面的監測值并無較大差異。造成這種現象的原因主要在于該土質隧道工程所在區域水文地質條件良好，隧道橫穿老黃土層和古土壤，基底恰好在老黃土層之上，土質均勻，基底承載力均值在270 kPa左右。此外，隧道施工區域地下水位在隧道底板以下18～22 m左右，可實現無水作業。開挖過程中土體具有較好的自穩能力，開挖期間圍巖及初支結構變形不大。左右線地表沉降時態曲線具體見圖1。

圖1 左右線地表沉降時態曲線(2020年)

2.5 作業環境監測

隧道屬于相對密閉的施工環境，掘進開挖過程中施工機械燃油尾氣及開挖粉塵均溶入空氣中，產生過高的有害氣體體積分數[2]，影響施工人員身心健康。TWZ260型雙臂暗挖臺車作業過程中以電能為主要能源，幾乎不排放油煙廢氣，檢測結果顯示，左線小里程TWZ260型暗挖臺車作業期間隧道內CO和NOx質量濃度均為0.001 mg/m3，CO2體積分數0.05%，氧氣體積分數20.5%，氣溫25 ℃，噪聲55dB；而右線小里程挖掘機開挖期間CO和NOx質量濃度分別為22 mg/m3和3.5 mg/m3，CO2體積分數0.45%，氧氣體積分數18.5%，氣溫35 ℃，噪聲75 dB。通過比較看出，雙臂暗挖臺車在土質隧道開挖中的應用，能顯著改善隧道內作業環境。

3 暗挖臺車的適用性及改進思路

3.1 暗挖臺車的適用性

從水文地質、斷面形式及工法、吊裝下井及巷道直角轉彎等方面對暗挖臺車在淺埋暗挖土質隧道施工中的適用性展開分析。

基于暗挖臺車銑刨頭及出渣系統的設計，其主要適用于將地下水位降至開挖面以下的無水作業。通過改進左臂挖掘臂力學性能及右臂銑刨頭設計，可使暗挖臺車普遍適用于粘土、風化巖、砂卵礫石、黃土等軟土地層，但是該土質隧道土體硬度最大達到6 MPa，暗挖臺車錐形齒銑刨頭和扁平齒銑刨最大銑削硬度分別為6 MPa和4 MPa，勉強能達到土體最大硬度開挖要求。

暗挖臺車因體型較大，行走系統主要為履帶式設計，僅適合單個掌子面使用，無法滿足掌子面頻繁變更方面的要求。同時，適用于上下臺階長度均在1.5～3.5 m范圍內的短臺階及全斷面開挖掘進；臺階法環向開挖過程中應加強核心土控制，結合類似工程施工經驗及暗挖臺車尺寸設計，對于6.0 m×6.0 m開挖斷面，其上臺階核心土尺寸應按照長1.5～3.5 m、寬2.5～3.5 m、高1.5～2.0 m控制。

不同型號的暗挖臺車在吊裝下井及巷道直角轉彎過程中具有不同的凈空要求，該隧道所用TWZ260型暗挖臺車整體長5 m、寬2.3 m、高2.2 m，總質量18.5 t，吊裝過程中所要求的豎井凈空尺寸至少為4.5 m×5.0 m。對于凈空較小而暗挖臺車無法下井的情況，必須借助專用的吊裝工具將暗挖臺車以45°角傾斜吊裝，下井后水平放置。此外，TWZ260型暗挖臺車在橫通道中直角轉彎時要求通道長和寬均不能小于5 m。吊裝下井及直角轉彎所要求的尺寸是暗挖臺車順利進場的關鍵，必須在場地布置、通道設計時重點考慮[3]。

3.2 暗挖臺車的改進

結合該淺埋土質隧道暗挖臺車的應用實踐，出于黃土地層特殊的物理力學性質考慮，對暗挖臺車作如下方面的改進。

暗挖臺車原采用刮板式出渣系統，由于黃土具備較強的軟黏性特征，很容易造成鏈條和夾板間縫隙的堵塞，進而卡死出渣系統。經過數次改進及試驗后將原刮板式出渣系統調整為皮帶式出渣系統，能有效解決軟黏性黃土堵塞出渣系統的問題。

暗挖臺車左臂挖掘臂存在圓弧形和平板形等型式，受鏟斗連接的液壓油缸和鏈桿角度是影響挖掘臂挖掘力的主要因素，且圓弧形和平板形兩種型式挖掘臂鏟斗設計強度均滿足最大挖掘力方面的要求。為此，只需要從斷面形式和挖掘效率方面進行挖掘臂型式的選擇。圓弧形挖掘臂鏟斗挖掘及收渣工效高，對于圓弧形仰拱及邊墻開挖斷面較為適用。平板型挖掘臂鏟斗挖掘、收渣效率都不及圓弧形鏟斗，適用于平直形仰拱和邊墻斷面的開挖。

暗挖臺車右臂原采用錐形齒銑刨頭設計，在開挖過程中，渣土經銑刨后呈松散粉末狀，不利于出土效率的提升。為此，可將其右臂調整為以切削為主的扁平狀齒銑刨頭型式，將土體切削成條塊狀，便于銑刨效率和出土效率的提升[4]。兩種銑刨頭型式適用的土層也有差異，錐形齒銑刨頭和扁平狀齒銑刨頭最大銑削硬度分別為6 MPa和4 MPa，必須結合土層地質合理選用。

4 結 論

綜上所述，暗挖臺車屬于隧道工程淺埋暗挖法機械化施工的開拓性產品，在施工機械化、安全性、開挖工效、作業環境改善等方面均具有顯著優勢。但是暗挖臺車自身仍存在很大的改進空間，如機械化暗挖對隧道圍巖及初支變形的影響，富水地層及雙側壁導坑法、CRD法、CD法開挖的可行性等。此外，暗挖臺車因機械長度大，司機與掌子面距離較遠，無法直觀觀察和控制掌子面銑刨及超欠挖情況，可考慮為該機械配備遙控器，由操作人員直接在掌子面展開操作，或在工作大臂和駕駛室分別配置攝像頭和顯示屏，便于精準控制。