挖掘機器人在地鐵隧道施工的應用研究
——以西安地鐵四號線火車站隧道施工為例

寧孟新，張宏剛

（中鐵一局集團城市軌道交通工程有限公司，陜西 西安710000）

目前國內城市地鐵建設快速發展，在地鐵隧道大斷面暗挖施工中，挖掘機器人和微型挖掘機協助進行隧道開挖工序施工必不可少。本文依托西安地鐵四號線TJSG-11標火車站暗挖隧道項目，通過應用實踐開展了機器人在地鐵隧道大斷面施工中應用研究。

1 工程背景

西安火車站作為西安地鐵四號線TJSG-11標重點控制性工程，隧道與站場斜交設計。車站施工按照先施工隧道，緊后施工車站的分離島式車站型式，平面示意圖如圖1所示。

圖1 火車站車站平面示意圖

火車站暗挖隧道斜交車站212 m，受營業線行車約束，施工過程中對施工沉降控制標準要求苛刻。由于受征地拆遷影響，進場滯后18個月。原施工安排開挖及支護方案，上部導坑采用人工進行開挖，下部導坑采用人工配合機械方式進行開挖，根據四號線后續施工工期要求，初支應加快施工進度，在每條隧道增加1臺布洛克開挖機器人和一臺沃爾沃EC18D微型挖掘機協助進行隧道開挖工序施工，2種機械主要在上部導坑進行開挖，車站斷面開挖示意圖如圖2所示。

圖2 火車站斷面開挖示意圖（單位：mm）

2 臨時仰拱承載自動挖掘機器人安全穩定性分析

火車站暗挖項目受拆遷影響工期嚴重滯后，為保證工期隧道暗挖引進智能掘進機器人來提高施工進度，同時也帶來了新的問題，隧道原開挖采用CRD工法，上導坑采用人工開挖，隧道臨時仰拱最初設計雖預留多余荷載，現擬引入智能機器人施工，考慮荷載增加，隧道臨時仰拱的承載力及穩定性需要重新進行分析。

2.1 計算工況設計

隧道施工引入智能機器人，臨時仰拱能否承受智能機器人自重、施工過程中產生的振動荷載及開挖土方自重的影響。根據引進機器人整機質量2.8 t，取峰值荷載4 t進行臨時仰拱校核，并將安全儲備提高到1.43。主要從2方面進行計算：①用結構大師進行平面二維內力求解；②用有限差分數值軟件flac3d進行空間求解，進行三維有限差分數值分析。

2.2 結構大師二維計算分析

2.2.1 臨時仰拱內力分析

按照機器人不同質量，應用結構大師對本工程臨時仰拱的彎矩及剪力進行求解，在不同跨度工況下，計算仰拱中間部位彎矩最大值和仰拱接頭及跨中剪力最大值，如圖3～圖5所示。

圖3 仰拱接頭處彎矩最大值

圖4 仰拱跨中彎矩最大值

圖5 不同荷載、不同跨度的仰拱接頭及跨中剪力最大值

通過對跨中及接頭最大彎矩、剪力計算得出結論：增大機器人質量，臨時仰拱跨中彎矩、剪力也逐漸增大，質量與彎矩、剪力呈線性不斷增加；當機器人荷載增大到4 t的最不利條件時，安全儲備仍大于容許安全系數1.0，故判斷臨時仰拱安全。

2.2.2 臨時支撐螺栓強度分析

隧道開挖臨時仰拱連接接頭采取標準件高強螺栓，根據施工設計要求，高強度螺栓直徑采用22 mm，螺桿有效直徑為22-2.5=19.5 mm。

設計剪力值：Fs=1 193.98×250=298.496 kN＞29.19 kN。

安全系數：ω=298.496/29.19=10.23。

計算可得，在機器人質量為4 t的工況下，當剪力值達到29.19 kN時，螺栓接頭仍具有較大的安全儲備，能滿足使用的安全要求。

2.3 三維有限差分數值分析

隧道在進行CRD法施工時，每次有效開挖深度完成后，要及時進行臨時支護和初次襯砌施工，臨時支護和初次襯砌處已經存在應力，如果按照施工順序機器人開挖時，支護就存在的一個初始應力狀態[1]，其“初始狀態”的內力可能直接導致襯砌和臨時中隔撐破壞。因此，需要通過三維有限差分數值分析臨時仰拱的受力[2]。

利用flac3d軟件建立有限差分數值模型[2-3]，本項目左線、右線距離較遠，不考慮施工互相影響，模型節點22 906個，水平單元21 450個，尺寸長、寬、高是170 m、50 m、85 mm，模型頂面自由面，其余各面取法向約束，數值模型如圖6所示，根據現場試驗和地勘報告取值相關計算參數如表1所示。三維有限差分數值模擬在前述最不利工況6 m跨長的基礎上增大荷載到6 t，采用6 t作為最大載荷進行加載模擬。

圖6 利用flac3d數值模型圖

表1 地勘報告計算參數

2.3.1 模型監測布點布置

數值模型中取多個襯砌應力監測點，針對水平位移和豎向位移進行監測，模型取監測應力方向及監測點如圖7所示。

圖7 數值模型模型位移及應力測點布置

2.3.2 襯砌和臨時支護變形分析

2.3.2.1 襯砌、臨時支撐變形趨勢分析

數值計算模型中，監測13點的豎向位移情況，如圖8所示，監測點豎向位移隨著荷載的增大逐漸增大，變化值始終在±1 mm左右，因此判斷荷載對監測點豎向位移影響不大。21～26測點豎向變形如圖9所示。

圖8 13測點豎向位移圖

圖9 21～26測點豎向變形圖

如圖9所示，通過分析21～26監測點得出：當襯砌和臨時支護所受荷載增大時，右側臨時仰拱變形不明顯，當荷載達到6 t時，右側拱頂的撓度增加1.2 mm，據此判定臨時仰拱滿足施工要求。如圖10、圖11所示，對應的監測點分別是31～33、34～38，通過水平、豎向變形曲線可知，未加載時位移變化很小，加載后的位移與未加載位移抵消以后，水平位移曲線32點處變形最大，34～38點處豎向位移變化也很大，均處于波動狀態，但是兩者變形幅度均為超過0.08 mm，表明6 t荷載作為最不利計算荷載時，初期支護和臨時中隔支撐在水平和豎直方向均不產生影響。

圖10 31～33測點水平位移變化曲線

圖11 34～38測點豎向變形曲線

2.3.2.2 襯砌、臨時支撐變形分析

為了方便觀察開挖機器人荷載變化對臨時仰拱的變形效果，將襯砌和臨時支護在施工期間已經產生的部分位移清零，不同荷載對初支和臨時支護水平（X向）位移在不同荷載下，僅在荷載施加部位產生較大的沉降變形，而其余各部的豎向位移曲線幾乎不發生水平位移，變形較小。

2.3.3 襯砌和臨時支護應力分析

2.3.3.1 襯砌、臨時支撐應力發展趨勢分析

單元的應力基數較大，只對加載后水平和豎向應力變化增量進行分析。如圖12、圖13所示，臨時支撐豎向應力變化不大，反而水平應力呈線性增加趨勢，由圖得知單元水平應力增加最大值為僅6.78 kPa，臨時支撐應力變化滿足安全要求。

圖12 水平應力變化值

圖13 豎向應力變化值

2.3.3.2 襯砌、臨時支撐豎向及大主應力分析

從襯砌單元的豎向應力分布情況可知，豎向應力最大集中在臨時中隔撐下部，而從大主應力圖可知支護體系大主應力的最大值主要集中在中隔撐下部和臨時仰拱右部與初襯相連處，隨著智能機器人質量的增加，出現波動，但是并不改變位置，所以在施工過程中應該尤其注意觀察者兩個位置，防止出現破壞。

2.3.4 臨時中隔撐開洞安全性分析

原隧道施工設計采用CRD工法[4]，隧道上部開挖以中隔墻為界形成2個開挖坑道，后期引進機器人施工，為了提高開挖機器人施工效率，上部兩個開挖坑道中間做橫向連通通道，使開挖機器人有了足夠的空間作業面，有效提高了開挖機器人在坑道中作業效率，同時提高了坑道的利用率，滿足趕工期的施工要求。

為提高機器人作業效率在中隔壁開挖臨時通道，臨時支護的完整性會受到影響，對承載能力進行分析，取最不利6 t荷載、6 t+開臨時通道+鋼架支護和6 t+開臨時通道3種工況進行分析研究，承載作用點在臨時通道旁邊；其中以6 t+開臨時通道+鋼架支護采用殼型結構單元進行模擬，如圖14所示。

圖14 臨時通道豎向位移對比云圖

通過豎向對比云圖分析：隧道上部中隔壁支撐中間設置橫向通道后，在6 t荷載工況下中隔撐最大豎向位移發生略有增大，但對臨時支撐的穩定性不會造成影響，因此增設橫向聯絡通道后臨時隔撐有足夠的強度和剛度滿足施工要求。

為了進一步研究中隔墻受力的穩定性和拆除以后對隧道的影響，通過對不同測點在拆除中隔壁前后豎向應力變化情況進行分析，取測點23、49和50的豎向應力變化情況如圖15、圖16所示，根據實驗數據得出結論：拆除部分中隔撐后，豎向位移發生微小變化。根據實驗數據分析，按施工要求拆除部分臨時中隔支撐后，考慮其穩定性和安全性對該測點前后10 m范圍內各測點進行應力監測，實驗數據可知，監測點應力有所變化，但距離監測點6 m范圍影響幾乎減少到零。因此拆除部分的中隔支撐做臨時通道對于隧道的整體變形在安全范圍內，為保證施工安全，在挖出的中隔撐頂部要作工字鋼橫梁，確保隧道整體處于相對穩定狀態。

圖15 23測點豎向沉降值

圖16 49、50測點豎向應力值

3 開挖機器人在CRD法隧道施工組織安排

3.1 初期支護施工工藝

上導坑施工：機器人1部掘進→微型挖掘機土方裝車（人工開挖輪廓修鑿）→電動三輪車土方運輸→下臺階溜土口裝車→電動三輪車二次倒運至豎井渣土坑→初支施工。

下導坑施工：挖掘機2部開挖（土方裝運）→1部溜土口及2部開挖土方外運→人工開挖輪廓修鑿→初期支護。

3.2 施工組織[5]

依據火車站站一期暗挖工程設計安全步距要求，CRD工法暗挖隧道施工上臺階左、右側開挖面錯開步距10～15 m，同側上、下臺階開挖面相互錯開步距5 m，上臺階預留核心土長度1.5 m。在確保安全、質量的前提下，合理組織現場施工生產，采取措施為：①隧道左、右線分別投入1臺布洛克機器人和1臺沃爾沃EC18D微型挖掘機進行土方開挖并裝車，電動三輪車負責土方運輸，開挖輪廓由人工進行修邊。②上導坑左、右側臨時橫撐距掌子面10 m設置一處溜土口，溜土口位置臨時初期支護體系施工按照設計執行，后期通過破除臨時仰拱噴射混凝土、拆除臨時仰拱鋼架并對拆除鋼架端頭進行加固的方式來完成溜土口的施工，溜土口拆除鋼架端頭縱梁采用I22a型鋼與的臨時仰拱鋼架焊接。溜土口縱向錯開距離15 m。上導坑掌子面開挖土方采用EC18D微型挖掘機裝車后運至溜土口位置卸料至下導坑后進行二次倒運，運輸方式及溜土口。③上部導坑臨時中隔壁間隔距掌子面10 m設置1個臨時通道，后續施工間隔10 m預留1個臨時通道。通道寬度2 m，高度2.5 m，通道橫梁采用栓接，八字撐采用I22a工字鋼加工焊接，為機器人及挖掘機提供行走通道，中隔壁預留臨時通道。

3.3 監控量測

監控量測除按照《火車站站一期暗挖隧道左線大斷面開挖及支護試驗施工方案》要求的洞內監測項目以外，在臨時仰拱增設監測點。暗挖隧道內監測施工，在隧道內按5 m布設一個斷面，每個斷面臨時仰拱下方布設沉降點2個。

隧道內監測項目具體如表2所示。

表2 現場監控量測項目統計表

隧道內監測頻率與周期，外觀監測4次/d，初期支護結構拱頂沉降、初期支護結構凈空收斂、臨時仰拱每天1次，監測周期為開挖施工期。臨時仰拱監測允許沉降及對應措施，累計小于30 mm，且小于3 mm/d時，臨時仰拱鋼架兩端頭增加I22a斜撐。

4 結語

本文針開挖機器人在地鐵隧道大斷面開挖中的應用進行研究。通過計算分析，隧道施工引進開挖機械人優化施工方案合理可行，臨時支撐及連接螺栓強度均滿足施工要求。利用專用軟件flac3d建立有限差分數值模型，通過分析襯砌和臨時支撐的變形和應力并沒有得到明顯的變化，也幾乎不會使初期支護和臨時中隔支撐產生水平位移影響。在砂黃土地層中，地鐵隧道大斷面開挖中應用多功能機器人進行開挖作業，減少工人數量，極大降低了開挖風險，大大提高了施工效率。