双臂暗挖台车在土质地铁隧道施工适用性探讨

洪 鹏, 赵 胜, 安三虔

(中铁隧道局集团有限公司， 广东 广州 511458)

0 引言

近年来，我国城市地下空间开发如火如荼，浅埋暗挖法被广泛应用于隧道及地下工程建设[1-2]。在软弱地层，由于地质、水文和断面等原因，浅埋暗挖法施工主要依靠人工完成。随着中国社会老龄化的加剧，劳动力变得稀缺而昂贵，同时全民文化素质大幅提高，国家、社会和产业工人对作业环境的要求越来越高[3]，大力发展施工机械化迫在眉睫。

浅埋暗挖法所面临挑战之一即是机械化、自动化程度不高[3]。浅埋暗挖法多应用于软弱地层，开挖一般采用台阶、CD、CRD、双侧壁、中洞、侧洞、PBA等分步分块开挖工法，常规大型机械设备难以实施。常规浅埋暗挖法施工中劳动力投入较多，作业环境相对较差，劳动强度较大。探索和研发软土地层暗挖隧道机械化施工的新工艺和新装备是暗挖工法发展的重要趋势之一[4-5]。

目前，对浅埋暗挖法机械化施工的研究主要集中在2个方面： 1)对浅埋暗挖法常规机械如何配置的研究，如《浅埋暗挖大断面隧道开挖支护机械化配套施工技术》[6]、《深圳地铁暗挖隧道施工与机械配置分析》[7]、《暗挖隧道工程洞内装碴及运输设备配套的研究》[8]等，主要研究如何合理地配置施工设备，进而提升施工效率、加强安全质量控制和获得更好的效益。2)对应用于浅埋暗挖法中某一特定工序或整个施工过程进行针对性的设备、工艺、工法的研制、应用及推广的研究，已经研发并投入应用试验的主要有拱架安装机[9]、臂式掘进机[10-11]、预切槽机[12-14]等，考虑浅埋暗挖法施工工况的特殊性，应用效果显著并广泛推广应用的设备极少。现阶段美、德、日等国隧道施工多采用综合机械化掘进法，工法的主要设备为掘进机，其具有高效率、高安全等优点，但掘进机设备成本较高(约3.2亿元/台)，极大地影响了在我国的推广应用。

双臂暗挖台车是集成了挖装机、凿岩机等功能的新型多功能设备，适用于浅埋暗挖法机械化施工，掌子面开挖、出渣、支护均可一体化实施，目前已经在北京地铁16号线1标、15标和西安地铁5号线15标应用实施，并逐步推广应用，但针对暗挖台车应用的专题研究和总结相对较少。

本文结合西安地铁5号线15标黄土地层区间隧道首次应用暗挖台车，研究总结暗挖台车的功能、特点和适用性，并提出改进建议，探析软土地层地铁暗挖隧道机械化施工的发展思路和趋势。

1 施工设备及工艺

1.1 施工设备简介

双臂暗挖台车集成了挖装机、凿岩机等功能，是市政暗挖隧道机械化施工发展的新型产品。暗挖隧道掌子面开挖成型、出渣、辅助支护等均可独立完成。整机结构见图1。

图1 双臂暗挖台车整机结构图Fig. 1 Structure of double-boom underground excavation trolley

暗挖台车根据整机质量和工作范围不同，分为不同的规格型号，分别适用于3 m×3 m至6 m×6 m开挖断面和软土、砂卵石、风化岩等不同地质。同种型号根据隧道开挖水文地质条件和需求不同，右臂可以选取导管机、湿喷机械手、液压破碎锤等不同的功能模块。

1.2 工艺流程

暗挖台车施工工艺遵循常规浅埋暗挖法“管超前、严注浆、短进尺、强支护、早封闭、勤量测”18字方针[2]。洞室上台阶施工工艺流程见图2，下台阶施工工艺流程见图3。

图2上台阶施工工艺流程

Fig. 2 Construction technology process of upper bench

图3下台阶施工工艺流程

Fig. 3 Construction process of lower bench

1.3 作业工序分解

暗挖台车整机作业如图4所示。

(a) 右臂铣刨开槽

(b) 右臂超前小导管打设图4 暗挖台车整机作业示意图Fig. 4 Sketches of operation of underground excavation trolley

1)铣刨和开槽。主要开挖上台阶拱部土方，用右臂铣刨功能完成，在右臂作业时需停止左臂作业。调整铣刨头与大臂的角度，通过大臂的左右、上下摆动，大臂的长度变化，铣刨头的角度变化等动作实现。右臂铣刨开槽如图5所示。

(a)

(b)图5 右臂铣刨开槽作业示意图Fig. 5 Milling operation of right boom

2)土方开挖。停止右臂作业，采用左臂开挖土方。与挖掘机类似，左臂大臂可以侧向旋转、伸缩，主要开挖侧墙、仰拱和核心土土方。左臂土方开挖作业如图6所示。

(a) 俯视图

(b) 侧视效果图图6 左臂开挖作业示意图(单位： mm)Fig. 6 Excavation operation of left boom (unit: mm)

3)下台阶侧墙及仰拱开挖，铲斗转臂90°下台阶开挖施工如图7所示。

图7 左臂开挖下台阶作业Fig. 7 Excavation operation of left boom for lower bench

4)出渣。通过输料系统完成，由左臂将渣土收扒至收料盘内，再通过皮带传输至出土三轮车中。出渣作业如图8所示。

(a) 左臂收渣

(b) 皮带传输出渣图8 出渣作业Fig. 8 Mucking

5)辅助打设超前小导管。利用暗挖台车的右臂快换接头更换为导管打设装置进行辅助打设。对于黄土地层，采用静压的方式或“静压+冲击”的方式；对于砂卵石地层，采用“静压+旋转+风吹”的方式，辅以冲击。导管打设装置如图9所示。

图9 超前小导管打设装置示意图Fig. 9 Sketch of advanced small pipe device

6)其他工序。在不同机械臂配置下，暗挖台车还能实现辅助支护(托举拱架)和湿喷混凝土等功能。

2 暗挖台车与传统装备施工对比

2.1 工程概况

西安地铁5号线15标长鸣路站—月登阁站暗挖区间(简称长月区间)为双线分离式隧道，长728.079 m，设临时竖井及横通道1处。标准段采用台阶法施工。长月区间平面图如图10所示，区间标准断面如图11所示。

图10 长月区间平面图Fig. 10 Layout of Changminglu Station-Yuedengge Station Section

图11 长月区间标准断面图(单位： mm)

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

工程地质依次为杂填土、新黄土、古土壤、老黄土、粉质黏土、卵石。区间隧道穿越古土壤和老黄土，区间隧道基底均位于老黄土中。地下水位位于底板以下15～20 m，地下水对工程施工无影响。

隧道左线小里程和右线小里程分离并行，且断面、工法、长度、工程水文地质均基本一致。在施工中，左线上台阶采用传统人工开挖，下台阶采用挖掘机辅助人工开挖；右线上下台阶均采用暗挖台车施工。将施工中相应指标进行统计对比分析，研究暗挖台车机械化施工的特点。

2.2 施工资源配置

根据左右线掌子面施工情况，将暗挖各工序的施工人员和设备配置进行对比，见表1。由表1可以看出，暗挖台车在开挖、小导管施工工序上减少了施工人员配置，在其他工序无明显差异。

2.3 施工工效

为了消除其他因素影响，客观对比施工效率，统计隧道开挖初期支护循环时间，见表2。由表2可以看出，暗挖台车开挖单循环平均作业时间、最小作业时间相比挖掘机辅助人工开挖均有所减少。在没有其他因素制约的情况下，理论上暗挖台车开挖平均可以达到4循环/d，即开挖初期支护日进尺3 m、月进尺90 m，超过挖掘机辅助人工开挖日进尺2.25 m、月进尺67.5 m的平均水平。随着施工进度的加快，暗挖施工整体工期缩短，高风险施工作业时间相应缩减，进而有利于施工安全管控。

表1 各工序施工人员及设备配置对比Table 1 Comparison of construction labors and equipment configuration among different operation procedures

注： 出渣采用暗挖台车或“挖掘机+三轮车”实施，拱架架立、喷混凝土均人工实施，在设备和人员配置上无明显差异。

表2 隧道开挖初期支护循环时间对比Table 2 Comparison of cycling time of primary support between right line and left line

2.4 施工安全性

在传统暗挖法施工中，主要采用人工开挖，作业人员多且拥挤在较狭窄的掌子面进行开挖，劳动强度大，安全风险高。采用暗挖台车施工，作业人员数量大幅减少且远离掌子面，仅从事操控、辅助等工作，劳动强度大幅降低，进而大幅提升了暗挖施工的安全性。传统人工开挖和暗挖台车机械化开挖作业对比如图12所示。

(a) 传统人工开挖

(b) 暗挖台车开挖图12 传统人工开挖和暗挖台车机械化开挖作业对比

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

随着施工机械化程度的提高，提高了机械使用率，减少了人工作业时间，不可避免地会增大施工能效和碳排放。统计2016年7—10月左右线小里程的施工能耗和CO2排放情况，得到隧道施工开挖设备能源消耗对比见表3。

从表3可以看出： 1)由于使用电力能源，暗挖台车开挖能源消耗平均为1.65元/m3，比采用挖掘机开挖的2.49元/m3降低了33.73%； 2)由于机械化程度提高，暗挖台车开挖CO2排放量平均为1.46 kg/m3，比采用挖掘机开挖的1.13 kg/m3增加了29.20%。

2.6 围岩及初期支护变形

隧道施工围岩和初期支护变形属于多因一果，其与工程水文地质、开挖工艺、开挖方式、断面形式、支护迟早与强弱等均有一定关联[15]。一般来说，施工中采用人工开挖，可减少对土体和初期支护的扰动，有利于围岩和初期支护的变形控制[16]。

采用暗挖台车施工，掌子面为机械法开挖，施工中围岩和初期支护变形是暗挖台车创新应用中需重点关注的问题之一。统计右线小里程(暗挖台车开挖)YDK43+580里程和左线小里程(人工开挖)ZDK43+580里程的地表沉降、拱顶沉降监测数据，并进行对比分析。左、右线地表沉降时态曲线如图13所示，左、右线初期支护拱顶沉降时态曲线如图14所示。

表3 隧道施工开挖设备能源消耗对比Table 3 Comparison of energy consumption of excavation equipment between right line and left line

注： 1)电力CO2排放系数为0.75 kg/ (kW·h)； 柴油CO2排放系数为2.7 t/t，柴油L折算t为1 192 L/t。2)电力单价为0.85元/(kW·h)，柴油单价为5元/L。

(a) 右线

(b) 左线图13 左、右线地表沉降时态曲线(2016年)

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

由监测数据可知，右线暗挖台车机械法开挖与左线人工开挖在地表沉降、初期支护拱顶沉降的沉降速率和累计沉降量上并无明显差别。

经分析，主要原因是工程水文地质条件较好，隧道穿越古土壤和老黄土层，基底位于老黄土层，施工所涉及地层土质均匀，基底老黄土地基承载力达到了200～280 kPa；同时，隧道所在区域地下水位位于隧道底板以下15～20 m，无水作业；开挖施工时土体自稳能力、初期支护成型后基底承载力均较为理想，整个隧道开挖施工中土体和初期支护变形均较小，进而一定程度上减小了机械开挖易扰动土体的影响。

(a) 右线

(b) 左线图14 左、右线初期支护拱顶沉降时态曲线(2016年)

Fig. 14 Subsidence curves of primary support crown top of left line and right line in 2016

2.7 作业环境

隧道工程与其他开挖建设工程一样，施工过程中尘土“溶”入空气，同时各种施工机械燃油产生的尾气也进入空气，既破坏施工环境，又影响空气质量。同时，隧道又是一个相对密闭的空间，隧道内有害气体体积分数过高，将对施工人员安全产生不利影响[17]。

根据GB 50299—1999《地下铁道工程施工及验收规范》(2003版)，隧道内施工环境应符合表4规定。

表4 隧道内施工环境标准Table 4 Internal environment standards for tunnel construction

暗挖台车整机采用电力作为能源，在隧道内施工时，不排放油烟废气，理论上可以大幅度提升隧道内施工作业环境。经检测并统计暗挖台车和挖掘机开挖时隧道内氧气、CO2、CO、NOx、掌子面气温、噪音等实测数值，见表5。

对比分析各环境指标： 1)采用暗挖台车开挖时的噪音低于标准值和挖掘机开挖，比挖掘机开挖降低了26.7%； 2)掌子面温度在采用暗挖台车开挖时显著降低； 3)因挖掘机的柴油消耗大，采用挖掘机开挖时空气中氧气含量低于暗挖台车开挖； 4)采用暗挖台车开挖时，有害气体NOx、CO2、CO含量显著低于挖掘机开挖，特别是NOx和CO含量，在暗挖台车开挖时仅检测出微量，而采用挖掘机开挖时，其指标已接近标准要求限值。从上述对比分析结果可以看出，采用暗挖台车可以较大程度上改善隧道内的施工作业环境。

表5 不同设备开挖作业掌子面环境指标检测值Table 5 Detection value of environmental indicators of tunnel face for different excavation equipments

注： 检测条件为下台阶机械开挖，未出土，通风风量为22 m3/min，风速为0.2 m/s。

3 暗挖台车适用性分析

3.1 地质适用性

通过右臂铣刨头、左臂挖掘臂的力学性能设计，使暗挖台车适应于新黄土、老黄土、古土壤、软土、砂卵石、风化岩、黏土等软土地层。土体最大硬度为3～6 MPa，其主要制约为右臂铣刨头最大铣削硬度，其中锥形齿铣刨头最大铣削硬度为6 MPa，扁平齿铣刨头铣削硬度为3～4 MPa。

3.2 水文适用性

考虑暗挖台车出渣系统和铣刨头的设计，暗挖台车适用于无水作业或将地下水降于开挖面以下，确保无水作业。

3.3 适用断面

不同型号暗挖台车因外形尺寸、作业范围大小不同，其适用断面也不相同，可根据不同断面进行针对性选配。

3.4 适用工法

暗挖台车体形较大，且为履带行走系统，适宜单个掌子面使用，不宜频繁变换掌子面。同时，适宜在台阶法和全断面法中开挖掘进，台阶法中上、下台阶长度宜为1.5～3.5 m短台阶。台阶法环向开挖时核心土不宜太大，根据暗挖台车尺寸及现场实际施工经验，6 m×6 m开挖断面上台阶核心土大小宜为纵向1.5～3.5 m、宽2.5～3.5 m、高1.5～2 m。

3.5 吊装下井、巷道直角转弯条件

不同型号的暗挖台车吊装下井和直角转弯要求的净空尺寸不同。TWZ260暗挖台车整机局部拆解部件后的尺寸为5 m×2.3 m×2.2 m(长×宽×高)，质量约18.5 t，吊装要求的竖井净空尽量不小于4.5 m×5 m。长月区间竖井净空尺寸为4.5 m×5 m，暗挖台车整机无法下井，现场利用专用吊装工具将暗挖台车整体呈45°斜角吊装，下井后将暗挖台车水平放置在竖井底部。暗挖台车吊装下井如图15所示。

TWZ260暗挖台车在横通道内90°转弯时要求横通道尺寸不能小于5 m×5 m。长月区间横通道初期支护净宽5.6 m，施工的右线小里程正线初期支护净宽5.78 m，现场满足暗挖台车的旋转空间。暗挖台车90°转弯如图16所示。

暗挖台车吊装下井和巷道90°转弯所要求尺寸为暗挖台车能否顺利进场施工的关键，在竖井横通道尺寸设计、场地布置和管路预埋时应统筹考虑。

4 黄土地层暗挖台车应用

本工程为暗挖台车在黄土地层中首次应用，因黄土地层特殊的工程力学性质，对暗挖台车进行了改进和升级。

(a) 模拟图

(b) 现场照片图15 暗挖台车吊装下井

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

图16 暗挖台车90°转弯示意图(单位： mm)

Fig. 16 Right angle turning of underground excavation trolley in tunnel (unit： mm)

4.1 出渣系统改进

暗挖台车原为刮板式出渣系统(见图17)，因黄土具有软黏性，易堵塞链条与夹板间缝隙，导致出渣系统堵塞、卡死。经多次改进和试验，最终更改为皮带式出渣系统(见图18)，顺利解决了黄土易堵塞出渣系统的问题。

4.2 左臂挖掘臂铲斗选型

暗挖台车左臂挖掘臂铲斗有平板形(见图19)和圆弧形(见图20)2种型式。挖掘臂最大挖掘力决定于铲斗所连接的液压油缸和链杆角度，经计算，平板形和圆弧形2种型式铲斗设计强度均满足挖掘臂最大挖掘力作业要求。

图17 刮板式出渣系统Fig. 17 Scraper-type mucking system

图18 皮带式出渣系统Fig. 18 Belt-type mucking system

图19 平板形铲斗Fig. 19 Flat bucket

图20 圆弧形铲斗Fig. 20 Circular bucket

不同型式铲斗选择主要考虑挖掘效率和开挖断面形式。采用圆弧形铲斗，挖掘、收渣效率高，适用于边墙和仰拱为圆弧形的开挖断面；采用平板形铲斗，挖掘、收渣效率降低，主要应用于边墙和仰拱为平直形的开挖断面。

4.3 右臂铣刨头改进

暗挖台车右臂原设计为锥齿形铣刨头，如图21所示。黄土地层开挖时，渣土被铣刨成粉末状，过于松散，铣刨及出土速度降低。优化设计为扁平状齿铣刨头，如图22所示，铣刨时以切削为主，土体被切削铣刨成条块状，有利于提高铣刨及出土效率。经现场试验表明，扁平状齿铣刨头的铣刨、出渣效率提升明显。

锥齿形与扁平状齿铣刨头适用的土层力学性能也有所区别，锥齿形铣刨头最大铣削硬度为6 MPa，扁平状齿铣刨头铣削硬度为3～4 MPa。在铣刨头选型时除考虑施工效率外，还需结合工程地质情况。

图21 锥齿形铣刨头Fig. 21 Tapered-tooth milling head

图22 扁平状齿铣刨头Fig. 22 Tabular-tooth milling head

5 结论与建议

5.1 结论

暗挖台车作为浅埋暗挖法机械化施工发展的开拓性产品，其在施工安全性、机械化程度、施工工效、隧道作业环境改善等方面有很大优势，开拓了浅埋暗挖法机械化施工的新思路。但同时，暗挖台车本身以及浅埋暗挖法机械化施工仍有大量问题急需解决，如暗挖台车机械开挖对暗挖隧道土体和初期支护变形的影响程度，以及机械化施工在暗挖工法中对土体和初期支护变形的影响等还需在工程水文地质更为敏感的隧道施工中进行进一步分析研究。暗挖台车如何在富水地层应用，如何在CD法、CRD法、双侧壁导坑法等多导洞工法中实现机械化施工等也仍需继续摸索实践。

5.2 建议

1)暗挖台车开挖、铣刨、出土等工序由驾驶室司机操作，因机械较庞大，司机距离掌子面较远，开挖及铣刨时，不能直观掌握掌子面超欠挖情况。建议研发暗挖台车遥控器，司机直接在掌子面操作，或在其工作大臂设置摄像头、在驾驶室配置显示屏，确保观察更直观、准确。

2)暗挖台车进退时，外接电缆线由人工操作线盘，暗挖台车进退不方便，可改造为自动伸缩线盘。

3)TWZ260型暗挖台车整机质量为26 t，其走行系统、左右臂、出渣系统均较为厚重，可从优化整机材质考虑，减小各系统质量，进一步提升其机动灵活性。

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