雙臂暗挖臺(tái)車在土質(zhì)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(tuán)有限公司， 廣東 廣州 511458)

0 引言

近年來(lái)，我國(guó)城市地下空間開(kāi)發(fā)如火如荼，淺埋暗挖法被廣泛應(yīng)用于隧道及地下工程建設(shè)[1-2]。在軟弱地層，由于地質(zhì)、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(guó)社會(huì)老齡化的加劇，勞動(dòng)力變得稀缺而昂貴，同時(shí)全民文化素質(zhì)大幅提高，國(guó)家、社會(huì)和產(chǎn)業(yè)工人對(duì)作業(yè)環(huán)境的要求越來(lái)越高[3]，大力發(fā)展施工機(jī)械化迫在眉睫。

淺埋暗挖法所面臨挑戰(zhàn)之一即是機(jī)械化、自動(dòng)化程度不高[3]。淺埋暗挖法多應(yīng)用于軟弱地層，開(kāi)挖一般采用臺(tái)階、CD、CRD、雙側(cè)壁、中洞、側(cè)洞、PBA等分步分塊開(kāi)挖工法，常規(guī)大型機(jī)械設(shè)備難以實(shí)施。常規(guī)淺埋暗挖法施工中勞動(dòng)力投入較多，作業(yè)環(huán)境相對(duì)較差，勞動(dòng)強(qiáng)度較大。探索和研發(fā)軟土地層暗挖隧道機(jī)械化施工的新工藝和新裝備是暗挖工法發(fā)展的重要趨勢(shì)之一[4-5]。

目前，對(duì)淺埋暗挖法機(jī)械化施工的研究主要集中在2個(gè)方面： 1)對(duì)淺埋暗挖法常規(guī)機(jī)械如何配置的研究，如《淺埋暗挖大斷面隧道開(kāi)挖支護(hù)機(jī)械化配套施工技術(shù)》[6]、《深圳地鐵暗挖隧道施工與機(jī)械配置分析》[7]、《暗挖隧道工程洞內(nèi)裝碴及運(yùn)輸設(shè)備配套的研究》[8]等，主要研究如何合理地配置施工設(shè)備，進(jìn)而提升施工效率、加強(qiáng)安全質(zhì)量控制和獲得更好的效益。2)對(duì)應(yīng)用于淺埋暗挖法中某一特定工序或整個(gè)施工過(guò)程進(jìn)行針對(duì)性的設(shè)備、工藝、工法的研制、應(yīng)用及推廣的研究，已經(jīng)研發(fā)并投入應(yīng)用試驗(yàn)的主要有拱架安裝機(jī)[9]、臂式掘進(jìn)機(jī)[10-11]、預(yù)切槽機(jī)[12-14]等，考慮淺埋暗挖法施工工況的特殊性，應(yīng)用效果顯著并廣泛推廣應(yīng)用的設(shè)備極少?，F(xiàn)階段美、德、日等國(guó)隧道施工多采用綜合機(jī)械化掘進(jìn)法，工法的主要設(shè)備為掘進(jìn)機(jī)，其具有高效率、高安全等優(yōu)點(diǎn)，但掘進(jìn)機(jī)設(shè)備成本較高(約3.2億元/臺(tái))，極大地影響了在我國(guó)的推廣應(yīng)用。

雙臂暗挖臺(tái)車是集成了挖裝機(jī)、鑿巖機(jī)等功能的新型多功能設(shè)備，適用于淺埋暗挖法機(jī)械化施工，掌子面開(kāi)挖、出渣、支護(hù)均可一體化實(shí)施，目前已經(jīng)在北京地鐵16號(hào)線1標(biāo)、15標(biāo)和西安地鐵5號(hào)線15標(biāo)應(yīng)用實(shí)施，并逐步推廣應(yīng)用，但針對(duì)暗挖臺(tái)車應(yīng)用的專題研究和總結(jié)相對(duì)較少。

本文結(jié)合西安地鐵5號(hào)線15標(biāo)黃土地層區(qū)間隧道首次應(yīng)用暗挖臺(tái)車，研究總結(jié)暗挖臺(tái)車的功能、特點(diǎn)和適用性，并提出改進(jìn)建議，探析軟土地層地鐵暗挖隧道機(jī)械化施工的發(fā)展思路和趨勢(shì)。

1 施工設(shè)備及工藝

1.1 施工設(shè)備簡(jiǎn)介

雙臂暗挖臺(tái)車集成了挖裝機(jī)、鑿巖機(jī)等功能，是市政暗挖隧道機(jī)械化施工發(fā)展的新型產(chǎn)品。暗挖隧道掌子面開(kāi)挖成型、出渣、輔助支護(hù)等均可獨(dú)立完成。整機(jī)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 雙臂暗挖臺(tái)車整機(jī)結(jié)構(gòu)圖Fig. 1 Structure of double-boom underground excavation trolley

暗挖臺(tái)車根據(jù)整機(jī)質(zhì)量和工作范圍不同，分為不同的規(guī)格型號(hào)，分別適用于3 m×3 m至6 m×6 m開(kāi)挖斷面和軟土、砂卵石、風(fēng)化巖等不同地質(zhì)。同種型號(hào)根據(jù)隧道開(kāi)挖水文地質(zhì)條件和需求不同，右臂可以選取導(dǎo)管機(jī)、濕噴機(jī)械手、液壓破碎錘等不同的功能模塊。

1.2 工藝流程

暗挖臺(tái)車施工工藝遵循常規(guī)淺埋暗挖法“管超前、嚴(yán)注漿、短進(jìn)尺、強(qiáng)支護(hù)、早封閉、勤量測(cè)”18字方針[2]。洞室上臺(tái)階施工工藝流程見(jiàn)圖2，下臺(tái)階施工工藝流程見(jiàn)圖3。

圖2上臺(tái)階施工工藝流程

Fig. 2 Construction technology process of upper bench

圖3下臺(tái)階施工工藝流程

Fig. 3 Construction process of lower bench

1.3 作業(yè)工序分解

暗挖臺(tái)車整機(jī)作業(yè)如圖4所示。

(a) 右臂銑刨開(kāi)槽

(b) 右臂超前小導(dǎo)管打設(shè)圖4 暗挖臺(tái)車整機(jī)作業(yè)示意圖Fig. 4 Sketches of operation of underground excavation trolley

1)銑刨和開(kāi)槽。主要開(kāi)挖上臺(tái)階拱部土方，用右臂銑刨功能完成，在右臂作業(yè)時(shí)需停止左臂作業(yè)。調(diào)整銑刨頭與大臂的角度，通過(guò)大臂的左右、上下擺動(dòng)，大臂的長(zhǎng)度變化，銑刨頭的角度變化等動(dòng)作實(shí)現(xiàn)。右臂銑刨開(kāi)槽如圖5所示。

(a)

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

2)土方開(kāi)挖。停止右臂作業(yè)，采用左臂開(kāi)挖土方。與挖掘機(jī)類似，左臂大臂可以側(cè)向旋轉(zhuǎn)、伸縮，主要開(kāi)挖側(cè)墻、仰拱和核心土土方。左臂土方開(kāi)挖作業(yè)如圖6所示。

(a) 俯視圖

(b) 側(cè)視效果圖圖6 左臂開(kāi)挖作業(yè)示意圖(單位： mm)Fig. 6 Excavation operation of left boom (unit: mm)

3)下臺(tái)階側(cè)墻及仰拱開(kāi)挖，鏟斗轉(zhuǎn)臂90°下臺(tái)階開(kāi)挖施工如圖7所示。

圖7 左臂開(kāi)挖下臺(tái)階作業(yè)Fig. 7 Excavation operation of left boom for lower bench

4)出渣。通過(guò)輸料系統(tǒng)完成，由左臂將渣土收扒至收料盤(pán)內(nèi)，再通過(guò)皮帶傳輸至出土三輪車中。出渣作業(yè)如圖8所示。

(a) 左臂收渣

(b) 皮帶傳輸出渣圖8 出渣作業(yè)Fig. 8 Mucking

5)輔助打設(shè)超前小導(dǎo)管。利用暗挖臺(tái)車的右臂快換接頭更換為導(dǎo)管打設(shè)裝置進(jìn)行輔助打設(shè)。對(duì)于黃土地層，采用靜壓的方式或“靜壓+沖擊”的方式；對(duì)于砂卵石地層，采用“靜壓+旋轉(zhuǎn)+風(fēng)吹”的方式，輔以沖擊。導(dǎo)管打設(shè)裝置如圖9所示。

圖9 超前小導(dǎo)管打設(shè)裝置示意圖Fig. 9 Sketch of advanced small pipe device

6)其他工序。在不同機(jī)械臂配置下，暗挖臺(tái)車還能實(shí)現(xiàn)輔助支護(hù)(托舉拱架)和濕噴混凝土等功能。

2 暗挖臺(tái)車與傳統(tǒng)裝備施工對(duì)比

2.1 工程概況

西安地鐵5號(hào)線15標(biāo)長(zhǎng)鳴路站—月登閣站暗挖區(qū)間(簡(jiǎn)稱長(zhǎng)月區(qū)間)為雙線分離式隧道，長(zhǎng)728.079 m，設(shè)臨時(shí)豎井及橫通道1處。標(biāo)準(zhǔn)段采用臺(tái)階法施工。長(zhǎng)月區(qū)間平面圖如圖10所示，區(qū)間標(biāo)準(zhǔn)斷面如圖11所示。

圖10 長(zhǎng)月區(qū)間平面圖Fig. 10 Layout of Changminglu Station-Yuedengge Station Section

圖11 長(zhǎng)月區(qū)間標(biāo)準(zhǔn)斷面圖(單位： mm)

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

工程地質(zhì)依次為雜填土、新黃土、古土壤、老黃土、粉質(zhì)黏土、卵石。區(qū)間隧道穿越古土壤和老黃土，區(qū)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(duì)工程施工無(wú)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(zhǎng)度、工程水文地質(zhì)均基本一致。在施工中，左線上臺(tái)階采用傳統(tǒng)人工開(kāi)挖，下臺(tái)階采用挖掘機(jī)輔助人工開(kāi)挖；右線上下臺(tái)階均采用暗挖臺(tái)車施工。將施工中相應(yīng)指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)對(duì)比分析，研究暗挖臺(tái)車機(jī)械化施工的特點(diǎn)。

2.2 施工資源配置

根據(jù)左右線掌子面施工情況，將暗挖各工序的施工人員和設(shè)備配置進(jìn)行對(duì)比，見(jiàn)表1。由表1可以看出，暗挖臺(tái)車在開(kāi)挖、小導(dǎo)管施工工序上減少了施工人員配置，在其他工序無(wú)明顯差異。

2.3 施工工效

為了消除其他因素影響，客觀對(duì)比施工效率，統(tǒng)計(jì)隧道開(kāi)挖初期支護(hù)循環(huán)時(shí)間，見(jiàn)表2。由表2可以看出，暗挖臺(tái)車開(kāi)挖單循環(huán)平均作業(yè)時(shí)間、最小作業(yè)時(shí)間相比挖掘機(jī)輔助人工開(kāi)挖均有所減少。在沒(méi)有其他因素制約的情況下，理論上暗挖臺(tái)車開(kāi)挖平均可以達(dá)到4循環(huán)/d，即開(kāi)挖初期支護(hù)日進(jìn)尺3 m、月進(jìn)尺90 m，超過(guò)挖掘機(jī)輔助人工開(kāi)挖日進(jìn)尺2.25 m、月進(jìn)尺67.5 m的平均水平。隨著施工進(jìn)度的加快，暗挖施工整體工期縮短，高風(fēng)險(xiǎn)施工作業(yè)時(shí)間相應(yīng)縮減，進(jìn)而有利于施工安全管控。

表1 各工序施工人員及設(shè)備配置對(duì)比Table 1 Comparison of construction labors and equipment configuration among different operation procedures

注： 出渣采用暗挖臺(tái)車或“挖掘機(jī)+三輪車”實(shí)施，拱架架立、噴混凝土均人工實(shí)施，在設(shè)備和人員配置上無(wú)明顯差異。

表2 隧道開(kāi)挖初期支護(hù)循環(huán)時(shí)間對(duì)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(tǒng)暗挖法施工中，主要采用人工開(kāi)挖，作業(yè)人員多且擁擠在較狹窄的掌子面進(jìn)行開(kāi)挖，勞動(dòng)強(qiáng)度大，安全風(fēng)險(xiǎn)高。采用暗挖臺(tái)車施工，作業(yè)人員數(shù)量大幅減少且遠(yuǎn)離掌子面，僅從事操控、輔助等工作，勞動(dòng)強(qiáng)度大幅降低，進(jìn)而大幅提升了暗挖施工的安全性。傳統(tǒng)人工開(kāi)挖和暗挖臺(tái)車機(jī)械化開(kāi)挖作業(yè)對(duì)比如圖12所示。

(a) 傳統(tǒng)人工開(kāi)挖

(b) 暗挖臺(tái)車開(kāi)挖圖12 傳統(tǒng)人工開(kāi)挖和暗挖臺(tái)車機(jī)械化開(kāi)挖作業(yè)對(duì)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(jī)械化程度的提高，提高了機(jī)械使用率，減少了人工作業(yè)時(shí)間，不可避免地會(huì)增大施工能效和碳排放。統(tǒng)計(jì)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(kāi)挖設(shè)備能源消耗對(duì)比見(jiàn)表3。

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

2.6 圍巖及初期支護(hù)變形

隧道施工圍巖和初期支護(hù)變形屬于多因一果，其與工程水文地質(zhì)、開(kāi)挖工藝、開(kāi)挖方式、斷面形式、支護(hù)遲早與強(qiáng)弱等均有一定關(guān)聯(lián)[15]。一般來(lái)說(shuō)，施工中采用人工開(kāi)挖，可減少對(duì)土體和初期支護(hù)的擾動(dòng)，有利于圍巖和初期支護(hù)的變形控制[16]。

采用暗挖臺(tái)車施工，掌子面為機(jī)械法開(kāi)挖，施工中圍巖和初期支護(hù)變形是暗挖臺(tái)車創(chuàng)新應(yīng)用中需重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題之一。統(tǒng)計(jì)右線小里程(暗挖臺(tái)車開(kāi)挖)YDK43+580里程和左線小里程(人工開(kāi)挖)ZDK43+580里程的地表沉降、拱頂沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行對(duì)比分析。左、右線地表沉降時(shí)態(tài)曲線如圖13所示，左、右線初期支護(hù)拱頂沉降時(shí)態(tài)曲線如圖14所示。

表3 隧道施工開(kāi)挖設(shè)備能源消耗對(duì)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(shù)為0.75 kg/ (kW·h)； 柴油CO2排放系數(shù)為2.7 t/t，柴油L折算t為1 192 L/t。2)電力單價(jià)為0.85元/(kW·h)，柴油單價(jià)為5元/L。

(a) 右線

(b) 左線圖13 左、右線地表沉降時(shí)態(tài)曲線(2016年)

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

由監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可知，右線暗挖臺(tái)車機(jī)械法開(kāi)挖與左線人工開(kāi)挖在地表沉降、初期支護(hù)拱頂沉降的沉降速率和累計(jì)沉降量上并無(wú)明顯差別。

經(jīng)分析，主要原因是工程水文地質(zhì)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(zhì)均勻，基底老黃土地基承載力達(dá)到了200～280 kPa；同時(shí)，隧道所在區(qū)域地下水位位于隧道底板以下15～20 m，無(wú)水作業(yè)；開(kāi)挖施工時(shí)土體自穩(wěn)能力、初期支護(hù)成型后基底承載力均較為理想，整個(gè)隧道開(kāi)挖施工中土體和初期支護(hù)變形均較小，進(jìn)而一定程度上減小了機(jī)械開(kāi)挖易擾動(dòng)土體的影響。

(a) 右線

(b) 左線圖14 左、右線初期支護(hù)拱頂沉降時(shí)態(tài)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(yè)環(huán)境

隧道工程與其他開(kāi)挖建設(shè)工程一樣，施工過(guò)程中塵土“溶”入空氣，同時(shí)各種施工機(jī)械燃油產(chǎn)生的尾氣也進(jìn)入空氣，既破壞施工環(huán)境，又影響空氣質(zhì)量。同時(shí)，隧道又是一個(gè)相對(duì)密閉的空間，隧道內(nèi)有害氣體體積分?jǐn)?shù)過(guò)高，將對(duì)施工人員安全產(chǎn)生不利影響[17]。

根據(jù)GB 50299—1999《地下鐵道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》(2003版)，隧道內(nèi)施工環(huán)境應(yīng)符合表4規(guī)定。

表4 隧道內(nèi)施工環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)Table 4 Internal environment standards for tunnel construction

暗挖臺(tái)車整機(jī)采用電力作為能源，在隧道內(nèi)施工時(shí)，不排放油煙廢氣，理論上可以大幅度提升隧道內(nèi)施工作業(yè)環(huán)境。經(jīng)檢測(cè)并統(tǒng)計(jì)暗挖臺(tái)車和挖掘機(jī)開(kāi)挖時(shí)隧道內(nèi)氧氣、CO2、CO、NOx、掌子面氣溫、噪音等實(shí)測(cè)數(shù)值，見(jiàn)表5。

對(duì)比分析各環(huán)境指標(biāo)： 1)采用暗挖臺(tái)車開(kāi)挖時(shí)的噪音低于標(biāo)準(zhǔn)值和挖掘機(jī)開(kāi)挖，比挖掘機(jī)開(kāi)挖降低了26.7%； 2)掌子面溫度在采用暗挖臺(tái)車開(kāi)挖時(shí)顯著降低； 3)因挖掘機(jī)的柴油消耗大，采用挖掘機(jī)開(kāi)挖時(shí)空氣中氧氣含量低于暗挖臺(tái)車開(kāi)挖； 4)采用暗挖臺(tái)車開(kāi)挖時(shí)，有害氣體NOx、CO2、CO含量顯著低于挖掘機(jī)開(kāi)挖，特別是NOx和CO含量，在暗挖臺(tái)車開(kāi)挖時(shí)僅檢測(cè)出微量，而采用挖掘機(jī)開(kāi)挖時(shí)，其指標(biāo)已接近標(biāo)準(zhǔn)要求限值。從上述對(duì)比分析結(jié)果可以看出，采用暗挖臺(tái)車可以較大程度上改善隧道內(nèi)的施工作業(yè)環(huán)境。

表5 不同設(shè)備開(kāi)挖作業(yè)掌子面環(huán)境指標(biāo)檢測(cè)值Table 5 Detection value of environmental indicators of tunnel face for different excavation equipments

注： 檢測(cè)條件為下臺(tái)階機(jī)械開(kāi)挖，未出土，通風(fēng)風(fēng)量為22 m3/min，風(fēng)速為0.2 m/s。

3 暗挖臺(tái)車適用性分析

3.1 地質(zhì)適用性

通過(guò)右臂銑刨頭、左臂挖掘臂的力學(xué)性能設(shè)計(jì)，使暗挖臺(tái)車適應(yīng)于新黃土、老黃土、古土壤、軟土、砂卵石、風(fēng)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(tái)車出渣系統(tǒng)和銑刨頭的設(shè)計(jì)，暗挖臺(tái)車適用于無(wú)水作業(yè)或?qū)⒌叵滤涤陂_(kāi)挖面以下，確保無(wú)水作業(yè)。

3.3 適用斷面

不同型號(hào)暗挖臺(tái)車因外形尺寸、作業(yè)范圍大小不同，其適用斷面也不相同，可根據(jù)不同斷面進(jìn)行針對(duì)性選配。

3.4 適用工法

暗挖臺(tái)車體形較大，且為履帶行走系統(tǒng)，適宜單個(gè)掌子面使用，不宜頻繁變換掌子面。同時(shí)，適宜在臺(tái)階法和全斷面法中開(kāi)挖掘進(jìn)，臺(tái)階法中上、下臺(tái)階長(zhǎng)度宜為1.5～3.5 m短臺(tái)階。臺(tái)階法環(huán)向開(kāi)挖時(shí)核心土不宜太大，根據(jù)暗挖臺(tái)車尺寸及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工經(jīng)驗(yàn)，6 m×6 m開(kāi)挖斷面上臺(tái)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(zhuǎn)彎條件

不同型號(hào)的暗挖臺(tái)車吊裝下井和直角轉(zhuǎn)彎要求的凈空尺寸不同。TWZ260暗挖臺(tái)車整機(jī)局部拆解部件后的尺寸為5 m×2.3 m×2.2 m(長(zhǎng)×寬×高)，質(zhì)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(zhǎng)月區(qū)間豎井凈空尺寸為4.5 m×5 m，暗挖臺(tái)車整機(jī)無(wú)法下井，現(xiàn)場(chǎng)利用專用吊裝工具將暗挖臺(tái)車整體呈45°斜角吊裝，下井后將暗挖臺(tái)車水平放置在豎井底部。暗挖臺(tái)車吊裝下井如圖15所示。

TWZ260暗挖臺(tái)車在橫通道內(nèi)90°轉(zhuǎn)彎時(shí)要求橫通道尺寸不能小于5 m×5 m。長(zhǎng)月區(qū)間橫通道初期支護(hù)凈寬5.6 m，施工的右線小里程正線初期支護(hù)凈寬5.78 m，現(xiàn)場(chǎng)滿足暗挖臺(tái)車的旋轉(zhuǎn)空間。暗挖臺(tái)車90°轉(zhuǎn)彎如圖16所示。

暗挖臺(tái)車吊裝下井和巷道90°轉(zhuǎn)彎所要求尺寸為暗挖臺(tái)車能否順利進(jìn)場(chǎng)施工的關(guān)鍵，在豎井橫通道尺寸設(shè)計(jì)、場(chǎng)地布置和管路預(yù)埋時(shí)應(yīng)統(tǒng)籌考慮。

4 黃土地層暗挖臺(tái)車應(yīng)用

本工程為暗挖臺(tái)車在黃土地層中首次應(yīng)用，因黃土地層特殊的工程力學(xué)性質(zhì)，對(duì)暗挖臺(tái)車進(jìn)行了改進(jìn)和升級(jí)。

(a) 模擬圖

(b) 現(xiàn)場(chǎng)照片圖15 暗挖臺(tái)車吊裝下井

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

圖16 暗挖臺(tái)車90°轉(zhuǎn)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(tǒng)改進(jìn)

暗挖臺(tái)車原為刮板式出渣系統(tǒng)(見(jiàn)圖17)，因黃土具有軟黏性，易堵塞鏈條與夾板間縫隙，導(dǎo)致出渣系統(tǒng)堵塞、卡死。經(jīng)多次改進(jìn)和試驗(yàn)，最終更改為皮帶式出渣系統(tǒng)(見(jiàn)圖18)，順利解決了黃土易堵塞出渣系統(tǒng)的問(wèn)題。

4.2 左臂挖掘臂鏟斗選型

暗挖臺(tái)車左臂挖掘臂鏟斗有平板形(見(jiàn)圖19)和圓弧形(見(jiàn)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(jīng)計(jì)算，平板形和圓弧形2種型式鏟斗設(shè)計(jì)強(qiáng)度均滿足挖掘臂最大挖掘力作業(yè)要求。

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

圖18 皮帶式出渣系統(tǒng)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(kāi)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(kāi)挖斷面；采用平板形鏟斗，挖掘、收渣效率降低，主要應(yīng)用于邊墻和仰拱為平直形的開(kāi)挖斷面。

4.3 右臂銑刨頭改進(jìn)

暗挖臺(tái)車右臂原設(shè)計(jì)為錐齒形銑刨頭，如圖21所示。黃土地層開(kāi)挖時(shí)，渣土被銑刨成粉末狀，過(guò)于松散，銑刨及出土速度降低。優(yōu)化設(shè)計(jì)為扁平狀齒銑刨頭，如圖22所示，銑刨時(shí)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(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)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(xué)性能也有所區(qū)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(shí)除考慮施工效率外，還需結(jié)合工程地質(zhì)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(jié)論與建議

5.1 結(jié)論

暗挖臺(tái)車作為淺埋暗挖法機(jī)械化施工發(fā)展的開(kāi)拓性產(chǎn)品，其在施工安全性、機(jī)械化程度、施工工效、隧道作業(yè)環(huán)境改善等方面有很大優(yōu)勢(shì)，開(kāi)拓了淺埋暗挖法機(jī)械化施工的新思路。但同時(shí)，暗挖臺(tái)車本身以及淺埋暗挖法機(jī)械化施工仍有大量問(wèn)題急需解決，如暗挖臺(tái)車機(jī)械開(kāi)挖對(duì)暗挖隧道土體和初期支護(hù)變形的影響程度，以及機(jī)械化施工在暗挖工法中對(duì)土體和初期支護(hù)變形的影響等還需在工程水文地質(zhì)更為敏感的隧道施工中進(jìn)行進(jìn)一步分析研究。暗挖臺(tái)車如何在富水地層應(yīng)用，如何在CD法、CRD法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法等多導(dǎo)洞工法中實(shí)現(xiàn)機(jī)械化施工等也仍需繼續(xù)摸索實(shí)踐。

5.2 建議

1)暗挖臺(tái)車開(kāi)挖、銑刨、出土等工序由駕駛室司機(jī)操作，因機(jī)械較龐大，司機(jī)距離掌子面較遠(yuǎn)，開(kāi)挖及銑刨時(shí)，不能直觀掌握掌子面超欠挖情況。建議研發(fā)暗挖臺(tái)車遙控器，司機(jī)直接在掌子面操作，或在其工作大臂設(shè)置攝像頭、在駕駛室配置顯示屏，確保觀察更直觀、準(zhǔn)確。

2)暗挖臺(tái)車進(jìn)退時(shí)，外接電纜線由人工操作線盤(pán)，暗挖臺(tái)車進(jìn)退不方便，可改造為自動(dòng)伸縮線盤(pán)。

3)TWZ260型暗挖臺(tái)車整機(jī)質(zhì)量為26 t，其走行系統(tǒng)、左右臂、出渣系統(tǒng)均較為厚重，可從優(yōu)化整機(jī)材質(zhì)考慮，減小各系統(tǒng)質(zhì)量，進(jìn)一步提升其機(jī)動(dòng)靈活性。

參考文獻(xiàn)(References)：

[1] 王夢(mèng)恕.地下工程淺埋暗挖技術(shù)通論 [M].合肥： 安徽教育出版社, 2004.

WANG Mengshu. General theory of shallow mining technology of underground engineering [M]. Hefei： Anhui Education Publishing House, 2004.

[2] 王夢(mèng)恕.中國(guó)隧道及地下工程修建技術(shù) [M].北京： 人民交通出版社, 2010.

WANG Mengshu. Tunneling and underground engineering technology in China [M].Beijing： China Communications Press, 2010.

[3] 郭衛(wèi)社.淺埋暗挖法新趨勢(shì) [J].隧道建設(shè), 2012, 32(6)： 757.

GUO Weishe. New trends of shallow-cover mining method [J].Tunnel Construction, 2012, 32(6)： 757.

[4] 陳軍.隧道暗挖法機(jī)械化配套施工裝備及工藝研究 [D].石家莊： 石家莊鐵道大學(xué), 2013.

CHEN Jun. Research on mechanized supporting construction equipment and process technology of tunnel with mining excavation method [D].Shijiazhuang: Shijiazhuang Tiedao University, 2013.

[5] 洪開(kāi)榮.我國(guó)隧道及地下工程發(fā)展現(xiàn)狀與展望 [J].隧道建設(shè), 2015, 35(2)： 95.

HONG Kairong. State-of-art and prospect of tunnels and underground works in China [J].Tunnel Construction, 2015, 35(2)： 95.

[6] 寧文光,黃明利,朱孝笑.淺埋暗挖大斷面隧道開(kāi)挖支護(hù)機(jī)械化配套施工技術(shù) [J].市政技術(shù), 2016, 34(3)： 94.

NING Wenguang, HUANG Mingli, ZHU Xiaoxiao. Integrated construction technology of mechanized tunneling of large section shallow excavation [J].Municipal Engineering Technology, 2016, 34(3)： 94.

[7] 黃俊,楊小麗.深圳地鐵暗挖隧道施工與機(jī)械配置分析 [J].鐵道建筑, 2003(12)： 18.

HUANG Jun, YANG Xiaoli. Construction of bored tunnel and machines allocation analysis in Shenzhen metro project [J].Railway Engineering, 2003(12)： 18.

[8] 張夏云.暗挖隧道工程洞內(nèi)裝碴及運(yùn)輸設(shè)備配套的研究 [J].西部探礦工程, 2003, 15(8)： 83.

ZHANG Xiayun. Study of in-tunnel muck loading and transportation equipment matching for mined tunnel projects [J].West-China Exploration Engineering, 2003, 15(8)： 83.

[9] 康寶生.一種新型隧道施工用拱架安裝機(jī) [J].隧道建設(shè), 2011, 31(5)： 624.

KANG Baosheng. A new type of steel rib installing machine used in tunneling [J].Tunnel Construction, 2011, 31(5)： 624.

[10] 關(guān)則廉.懸臂式掘進(jìn)機(jī)在地鐵工程暗挖隧道施工中的應(yīng)用 [J].現(xiàn)代隧道技術(shù), 2009, 46(5)： 73.

GUAN Zelian. Application of boom-type roadheaders in the construction of subway tunnels [J].Modern Tunnelling Technology, 2009, 46(5)： 73.

[11] 李建英, 賴滌泉, 朱齊平.臂式掘進(jìn)機(jī)在我國(guó)鐵路隧道施工中的應(yīng)用前景 [J].鐵道建筑技術(shù), 2001, 1(2)： 50.

LI Jianying, LAI Diquan, ZHU Qiping. The outlook for application of roadheader to railway tunnel excavation in China [J].Railway Construction Technology,2001, 1(2)： 50.

[12] 韓高升, 李梅, 王秀英.預(yù)切槽法在淺埋暗挖下穿公路段隧道中的設(shè)計(jì) [J].鐵道工程學(xué)報(bào), 2017, 34(4)： 58.

HAN Gaosheng, LI Mei, WANG Xiuying. Pre-cutting method design of the shallow-buried excavation underpass highway tunnel paragraph [J].Journal of Railway Engineering Society, 2017, 34(4)： 58.

[13] 王秀英, 劉維寧, 趙伯明, 等.預(yù)切槽技術(shù)及其應(yīng)用中的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題 [J].現(xiàn)代隧道技術(shù), 2011, 48(3)： 22.

WANG Xiuying, LIU Weining, ZHAO Boming, et al. Pre-cutting method and its key techniques in application [J].Modern Tunnelling Technology, 2011, 48(3)： 22.

[14] 楊積凱, 王秀英.軟弱圍巖隧道直進(jìn)式預(yù)切槽機(jī)械研發(fā) [J].現(xiàn)代隧道技術(shù), 2017, 54(4)： 213.

YANG Jikai, WANG Xiuying. Study and development of a linear drilling-type pre-cutting machine for tunnels in soft rock[J].Modern Tunnelling Technology,2017, 54(4)： 213.

[15] 鐘有信, 羅草原.淺埋暗挖地鐵施工地層沉降監(jiān)測(cè)與控制 [J].巖土工程技術(shù), 2002, 15(5)： 256.

ZHONG Youxin, LUO Caoyuan. Ground settlement monitoring & control in metro construction by underground cutting with shallow overburden [J].Geotechnical Engineering Technique, 2002, 15(5)： 256.

[16] 王夢(mèng)恕.隧道工程淺埋暗挖法施工要點(diǎn) [J].隧道建設(shè), 2006, 26(5)： 1.

WANG Mengshu. Outline of tunnel construction by means of method of undercutting with shallow overburden [J].Tunnel Construction, 2006, 26(5)： 1.

[17] 程馳.長(zhǎng)大隧道施工期空氣環(huán)境質(zhì)量分析及其控制措施研究 [D].成都： 西南交通大學(xué), 2008.

CHENG Chi. Study of air quality analysis and control measures in construction period of tunnel [D].Chengdu： Southwest Jiaotong University, 2008.