基于暗挖臺(tái)車的暗挖工法安全綠色環(huán)保施工探索

王彥臻

摘要：針對(duì)暗挖法面臨的機(jī)械化程度不高、安全風(fēng)險(xiǎn)高、作業(yè)環(huán)境差的挑戰(zhàn)，本文結(jié)合西安地鐵五號(hào)線某暗挖區(qū)間引入的暗挖臺(tái)車、電動(dòng)挖掘機(jī)、電動(dòng)三輪車、燈帶霧化降塵系統(tǒng)等設(shè)備設(shè)施的應(yīng)用情況進(jìn)行總結(jié)分析，探索暗挖工法安全綠色環(huán)保施工新的發(fā)展思路，并提出了相關(guān)建議。

【關(guān)鍵詞】暗挖法；暗挖臺(tái)車；電動(dòng)三輪車；電動(dòng)挖掘機(jī)；燈帶霧化降塵系統(tǒng)

淺埋暗挖工法誕生于30多年前，經(jīng)過(guò)多年的實(shí)踐應(yīng)用和發(fā)展，已成熟并被廣泛應(yīng)用。根據(jù)暗挖工法的核心理念，結(jié)合不同的輔助措施、機(jī)械配置等，衍生了眾多輔助工藝，成功的應(yīng)用于各種隧道及地下工程。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；全民文化素質(zhì)較30年前大幅度提高，施工作業(yè)工人和社會(huì)對(duì)施工作業(yè)環(huán)境的要求越來(lái)越高。暗挖法所面臨的挑戰(zhàn)中機(jī)械化自動(dòng)化程度不高、作業(yè)環(huán)境差、勞動(dòng)力投入多、勞動(dòng)強(qiáng)度大的問(wèn)題越來(lái)越凸顯，該如何應(yīng)對(duì)和解決所面臨的挑戰(zhàn)成為工法長(zhǎng)久保持旺盛生命力亟待解決的問(wèn)題。

本文結(jié)合西安地鐵五號(hào)線某暗挖區(qū)間引入的暗挖臺(tái)車、電動(dòng)挖掘機(jī)、電動(dòng)三輪車、燈帶霧化降塵系統(tǒng)等設(shè)備設(shè)施的應(yīng)用情況進(jìn)行總結(jié)分析，探索暗挖工法安全綠色環(huán)保施工新的發(fā)展思路，并提出了相關(guān)建議，以期對(duì)暗挖法的發(fā)展有所啟發(fā)。

1.工程實(shí)例

西安市在建地鐵某區(qū)間為雙線分離式隧道，長(zhǎng)728.079m，設(shè)臨時(shí)豎井及橫通道一處，詳見(jiàn)圖1。豎井小里程方向?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)斷面（C斷面），采用臺(tái)階法施工，長(zhǎng)453.551m。豎井東側(cè)（大里程方向）為過(guò)地裂段（D斷面），長(zhǎng)約268.338m，采用臺(tái)階+臨時(shí)仰拱法。

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

2.引入的新設(shè)備設(shè)施應(yīng)用情況

暗挖區(qū)間開(kāi)挖初支施工時(shí)引入了首次在黃土地層應(yīng)用的暗挖臺(tái)車新設(shè)備，使用電力驅(qū)動(dòng)的挖掘機(jī)和三輪車替代了傳統(tǒng)的燃油挖掘機(jī)和三輪車，研發(fā)應(yīng)用了燈帶霧化降塵系統(tǒng)。

2.1 暗挖臺(tái)車

2.1.1 暗挖臺(tái)車設(shè)備簡(jiǎn)介

雙臂暗挖臺(tái)車是集成挖裝機(jī)、鑿巖機(jī)等功能的多功能新型工裝，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)詳見(jiàn)圖2。

暗挖臺(tái)車根據(jù)整機(jī)重量和工作范圍不同，分幾種不同規(guī)格型號(hào)，分別適用于3mx3m至6mx6m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。

在本區(qū)間中，引入的暗挖臺(tái)車設(shè)備應(yīng)用于右線小里程段施工，獲得了較好的實(shí)際應(yīng)用效果。

2.1.2 施工作業(yè)人員配置情況

將采用暗挖臺(tái)車開(kāi)挖的右線掌子面施工作業(yè)人員配置情況和采用常規(guī)人工開(kāi)挖的左線掌子面施工作業(yè)人員配置情況進(jìn)行對(duì)比，詳見(jiàn)各工序施工人員及設(shè)備配置對(duì)比表（表1）。

從表1可以看出，暗挖臺(tái)車在開(kāi)挖、小導(dǎo)管施工工序明顯減少了施工人員配置，其他工序無(wú)明顯差異。

2.1.3 施工安全性

在傳統(tǒng)暗挖法施工中，作業(yè)人員多，作業(yè)工人擁擠在較狹窄掌子面進(jìn)行開(kāi)挖，勞動(dòng)強(qiáng)度大，安全風(fēng)險(xiǎn)大。采用暗挖臺(tái)車，作業(yè)工人數(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)度大幅度降低。參與人員少、遠(yuǎn)離掌子面、勞動(dòng)強(qiáng)度低等因素大幅提升了暗挖施工的安全性，傳統(tǒng)暗挖和機(jī)械化施工開(kāi)挖作業(yè)對(duì)比如圖3所示。

2.1.4 作業(yè)環(huán)境

隧道工程和其他開(kāi)挖建設(shè)工程一樣，施工過(guò)程中塵土飛揚(yáng)，“溶”入空氣；各種施工機(jī)械燃油產(chǎn)生的尾氣也進(jìn)入大氣中，這樣即破壞施工環(huán)境，又影響空氣質(zhì)量。同時(shí)隧道卻又是一個(gè)相對(duì)密閉的空間，隧道內(nèi)有害氣體濃度過(guò)高，將對(duì)施工人員的安全產(chǎn)生影響。

根據(jù)《地下鐵道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》（GB50299-1999）（2003版），隧道施工環(huán)境應(yīng)符合表2規(guī)定。

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)對(duì)比了暗挖臺(tái)車開(kāi)挖和挖機(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。詳見(jiàn)不同設(shè)備開(kāi)挖作業(yè)掌子面環(huán)境指標(biāo)檢測(cè)值（表3）。

環(huán)境指標(biāo)中，暗挖臺(tái)車開(kāi)挖時(shí)噪音低于標(biāo)準(zhǔn)值和挖機(jī)開(kāi)挖，比挖機(jī)開(kāi)挖降低了 26.7%。掌子面溫度在采用暗挖臺(tái)車開(kāi)挖時(shí)顯著降低。氧氣因挖機(jī)的柴油消耗大，挖機(jī)開(kāi)挖時(shí)空氣中氧氣含量低于暗挖臺(tái)車開(kāi)挖。采用暗挖臺(tái)車開(kāi)挖時(shí)，有害氣體氮氧化物、CO2、CO含量顯著低于挖機(jī)開(kāi)挖，特別是氮氧化物和CO含量，在暗挖臺(tái)車開(kāi)挖時(shí)僅檢測(cè)出微量，而挖機(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)比分析可以看出，暗挖臺(tái)車的使用，可以很大程度上改善隧道內(nèi)施工作業(yè)環(huán)境，提升安全性，也進(jìn)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(huì)發(fā)展和自然環(huán)境不斷惡化，低碳、節(jié)能環(huán)保新材料、新設(shè)備、新工法的研發(fā)和普及是國(guó)家乃至全球發(fā)展的需要。統(tǒng)計(jì)2016年7月～2016年9月隧道開(kāi)挖初支施工能源消耗情況，并選取兩個(gè)典型斷面進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)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(tái)車開(kāi)挖能源消耗平均為55.55元/m，比燃油挖機(jī)開(kāi)挖的112.77元/m降低了50.74%；開(kāi)挖作業(yè)CO2排放平均為42.48kg/ m3，比挖機(jī)開(kāi)挖的58.76kg/m3降低了27.71%。同時(shí)，我們應(yīng)該看到，采用暗挖臺(tái)車時(shí)，隧道上下臺(tái)階均采用臺(tái)車開(kāi)挖，而采用挖機(jī)開(kāi)挖時(shí)，僅進(jìn)行下臺(tái)階開(kāi)挖和輔助上臺(tái)階開(kāi)挖，如采用實(shí)際開(kāi)挖土方量折算，暗挖臺(tái)車在能源消耗和碳排放上的優(yōu)勢(shì)將更加明顯。從能源消耗和碳排放的角度上，暗挖臺(tái)車的使用可以進(jìn)一步提升暗挖工法綠色化施工能力。

2.2 電動(dòng)挖掘機(jī)

2.2.1電動(dòng)挖掘機(jī)適用性

在本區(qū)間應(yīng)用的HT65D型電動(dòng)挖掘機(jī)，其制造參照了常見(jiàn)的PC60-8型柴油挖掘機(jī)，配置了380V、45kW電機(jī)，其主要參數(shù)與PC60-8型柴油挖掘機(jī)對(duì)比如表5所示。

根據(jù)該區(qū)間施工斷面尺寸，采用電動(dòng)挖掘機(jī)（HT65D型）輔助下臺(tái)階開(kāi)挖和出渣，電動(dòng)挖掘機(jī)大小（長(zhǎng)×寬×高）6.015m×1.96m×2.67m和作業(yè)范圍最大挖掘（高×深×半徑）5.16m×3.75m×6.107m在地鐵區(qū)間隧道適用性好。該設(shè)備挖斗容量0.25m3，出渣速率為0.75m3/分鐘。工程實(shí)例中，區(qū)間標(biāo)準(zhǔn)段（C斷面）開(kāi)挖土方每循環(huán)為26.25m3和地裂縫斷面（D斷面）開(kāi)挖土方每循環(huán)為29m3，出渣所需時(shí)間分別為35分鐘和39分鐘，可以達(dá)到3小時(shí)內(nèi)完成開(kāi)挖工序出渣的要求。因此，在土層地鐵區(qū)間單線暗挖隧道配置HT65D型電動(dòng)挖掘機(jī)適用性、效率均較為理想。

2.2.2作業(yè)環(huán)境

傳統(tǒng)施工中，采用柴油挖掘機(jī)時(shí)會(huì)產(chǎn)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(yán)重超出《地下鐵道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》對(duì)作業(yè)環(huán)境空氣中NOx含量不應(yīng)大于5mg/m3、CO含量不應(yīng)大于30mg/m3的規(guī)定，嚴(yán)重危害作業(yè)工人的身體健康。實(shí)際施工中常用大量的通風(fēng)來(lái)稀釋有害氣體，改善作業(yè)環(huán)境空氣質(zhì)量，效率低且效果差。

采用電動(dòng)挖掘機(jī)后，因整機(jī)采用電力作為能源，實(shí)現(xiàn)了隧道內(nèi)尾氣煙塵零排放，相比于柴油挖掘機(jī)開(kāi)挖，隧道內(nèi)空氣質(zhì)量得到了明顯改善。

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，采用柴油挖掘機(jī)開(kāi)挖作業(yè)時(shí)，其噪音為75dB，而采用電動(dòng)挖掘機(jī)時(shí)，其噪音為54dB，電動(dòng)挖掘機(jī)的電機(jī)噪音比柴油機(jī)的噪音要小21dB，降低了28%，進(jìn)一步改善了施工作業(yè)環(huán)境。

2.2.3能源消耗和碳排放

施工中，統(tǒng)計(jì)了2016年7月～2016年9月隧道開(kāi)挖初支施工能源消耗情況，本文選取三個(gè)斷面進(jìn)行對(duì)比分析，分析電動(dòng)挖掘機(jī)能源消耗和碳排放情況，結(jié)果如表6所示。

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

2.3電動(dòng)三輪車

2.3.1電動(dòng)三輪車適用性

該地鐵區(qū)間隧道長(zhǎng)度短，作業(yè)面狹窄，渣土采用無(wú)軌運(yùn)輸。施工中引進(jìn)了MDY-180型電動(dòng)三輪車作為渣土運(yùn)輸車輛，其主要參數(shù)詳見(jiàn)表7。電動(dòng)三輪車制造參照了柴油三輪車，但采用了7.5kW電機(jī)替代了柴油機(jī)。

根據(jù)安全管理規(guī)定，運(yùn)輸車輛在作業(yè)區(qū)應(yīng)小于10km/h，按車載容量1m3，行車速度10km/h考慮，長(zhǎng)小于500m的施工作業(yè)面，三輪車出渣速度能達(dá)到1m3/10min，即每小時(shí)6m3。工程實(shí)例中，區(qū)間標(biāo)準(zhǔn)斷面（C斷面）土方26.25m3/循環(huán)和地裂縫斷面（D斷面）土方29m3/循環(huán)的開(kāi)工初支工序要求在3小時(shí)內(nèi)完成，出渣按2小時(shí)完成考慮，施工作業(yè)面配置三輪車不小于3臺(tái)。在該工程實(shí)例實(shí)際施工過(guò)程中，開(kāi)挖初支各個(gè)作業(yè)面均配置3臺(tái)載重量為1.2m3的三輪車，區(qū)間分四個(gè)掌子面，共配置三輪車12臺(tái)，配置的三輪車中，部分為電動(dòng)三輪車。

由上可知，車載容量為1.2m3的電動(dòng)三輪車，其行車速度最大為10km/h和車輛的尺寸大小對(duì)于出土量相對(duì)小，作業(yè)空間相對(duì)狹窄的暗挖隧道適用性較強(qiáng)，適宜在地鐵區(qū)間暗挖隧道內(nèi)使用。

2.3.2電動(dòng)三輪車優(yōu)勢(shì)和主要問(wèn)題

常規(guī)使用的柴油三輪車設(shè)備工藝落后，排放標(biāo)準(zhǔn)低，使用時(shí)煙塵尾氣大，嚴(yán)重污染隧道內(nèi)空氣，導(dǎo)致施工作業(yè)環(huán)境惡劣。采用電動(dòng)三輪車，電機(jī)動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)了隧道內(nèi)煙塵尾氣的0排放，根除了隧道內(nèi)空氣重大污染源，改善了隧道內(nèi)空氣質(zhì)量。

電動(dòng)三輪車電機(jī)產(chǎn)生的噪音顯著低于柴油機(jī)噪音，可以大幅降低隧道內(nèi)噪音，進(jìn)一步改善隧道內(nèi)施工作業(yè)環(huán)境。

同時(shí)，我們不能忽視現(xiàn)階段電動(dòng)三輪車應(yīng)用所面臨的問(wèn)題：

一是相比柴油三輪車，電動(dòng)三輪車在動(dòng)力和爬坡能力上相對(duì)較差，可以在坡度較緩的隧道內(nèi)通暢使用，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)最大坡度不宜大于1：15，需要進(jìn)一步提升和改進(jìn)。

二是電動(dòng)三輪車采用蓄電池供電，理論續(xù)航能力為8～10個(gè)小時(shí)，實(shí)際施工中測(cè)試?yán)m(xù)航能力為5～6個(gè)小時(shí)，需要較頻繁充電，且充電時(shí)間較長(zhǎng)，從電壓不足到完全充滿至少需要5個(gè)小時(shí)。施工中可以采用在隧道內(nèi)設(shè)置充電樁，在開(kāi)挖、拱架架立、噴漿等不需要三輪車的工序施工時(shí)進(jìn)行充電予以解決，如圖4所示。但提高電池續(xù)航能力和縮減充電時(shí)間仍是電動(dòng)三輪車應(yīng)用需要解決的重要問(wèn)題。

2.4隧道內(nèi)燈帶霧化降塵系統(tǒng)

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(jīng)高壓噴嘴霧化，形成飄飛的微米級(jí)水霧顆粒，細(xì)小的水霧顆粒能高效吸附空氣中煙塵雜質(zhì)，達(dá)到降塵目的。在隧道一定范圍內(nèi)安裝該系統(tǒng)，可以形成水霧狀降塵帷幕，達(dá)到隔斷、吸附、降塵目的，如圖5所示。

（2）結(jié)合各種自動(dòng)感應(yīng)裝置，可以根據(jù)粉塵濃度、時(shí)間、是否有作業(yè)工人等控制其作業(yè)，達(dá)到信息化施工目的。

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

2.4.2 實(shí)施效果

（1）實(shí)現(xiàn)隧道內(nèi)霧化降塵，改善隧道暗挖施工作業(yè)環(huán)境，提升隧道內(nèi)空氣質(zhì)量，提高了施工作業(yè)人員職業(yè)健康水平。隧道內(nèi)空氣質(zhì)量的改善，可以大幅縮減通風(fēng)設(shè)備使用，降低能耗和碳排放，達(dá)到綠色環(huán)保施工目標(biāo)。

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

3.結(jié)束語(yǔ)

結(jié)論：（1）目前，暗挖法雖在應(yīng)用的工程數(shù)量上有所減少，但仍被廣泛應(yīng)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(gòu)法、明挖法，其有著無(wú)法替代的優(yōu)勢(shì)：可以在覆土很淺（1m～2m）的地下工程中不占用地面場(chǎng)地進(jìn)行施工；可以在短距離內(nèi)靈活變化斷面，可以在大坡率、小半徑隧道中應(yīng)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(dǎo)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(zhàn)是暗挖法發(fā)展乃至隧道建設(shè)無(wú)法逃避的問(wèn)題。（2）采用暗挖臺(tái)車施工，可以提高暗挖法機(jī)械化和自動(dòng)化水平、減少勞動(dòng)力投入、降低勞動(dòng)強(qiáng)度、改善作業(yè)環(huán)境、低碳環(huán)保、提高施工作業(yè)安全性，是暗挖法安全綠色環(huán)保施工發(fā)展的可選路徑。（3）采用電力能源替代傳統(tǒng)的燃油能源，如用同等級(jí)的電力設(shè)備電動(dòng)挖掘機(jī)、電動(dòng)三輪車替代傳統(tǒng)的燃油設(shè)備柴油挖掘機(jī)、柴油三輪車，可以根除隧道內(nèi)的空氣的尾氣污染和消減作業(yè)環(huán)境的噪音污染，大幅提升隧道內(nèi)空氣質(zhì)量和降低施工噪音，改善作業(yè)環(huán)境。是暗挖法安全綠色環(huán)保施工發(fā)展現(xiàn)行最容易實(shí)行也是最具有實(shí)效的措施之一。（4）研發(fā)應(yīng)用新型設(shè)備設(shè)施輔助隧道施工作業(yè)環(huán)境的降塵、降噪、提高照明、控制環(huán)境溫度等在一定程度上可以緩解施工作業(yè)環(huán)境差的問(wèn)題，從觀念上改變?nèi)藗儗?duì)暗挖法臟亂差的傳統(tǒng)印象，煥發(fā)暗挖法新的活力。

討論：（1）因暗挖臺(tái)車本身存在的自重大、不能在富水地層應(yīng)用、適用斷面范圍小、無(wú)法在CD法、CRD法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法等多導(dǎo)洞工法中應(yīng)用等諸多適用性問(wèn)題，其推廣應(yīng)用仍存在不小阻力，急需對(duì)暗挖臺(tái)車進(jìn)行改造升級(jí)，以期適用于暗挖法各種工況，助力暗挖法安全綠色環(huán)保施工的發(fā)展。（2）在尋求將更多的隧道內(nèi)應(yīng)用的傳統(tǒng)燃油設(shè)備更換為電力驅(qū)動(dòng)設(shè)備的同時(shí)，也應(yīng)該正視與新能源汽車替代傳統(tǒng)燃油汽車類似的困擾。急需解決的仍然是動(dòng)力、電池續(xù)航能力、充電時(shí)間等問(wèn)題，這也是暗挖法安全綠色環(huán)保施工所面臨的重要問(wèn)題之一。（3）新型的暗挖法施工輔助設(shè)備設(shè)施的研發(fā)，在通風(fēng)、照明、降塵、降噪、環(huán)境溫度控制等方方面面應(yīng)該有一席之地，其研發(fā)和應(yīng)用也是助力暗挖法的發(fā)展的重要力量。

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