地铁施工深竖井及暗挖隧道开挖施工设备配置研究

2020-02-16杨佳奇

设备管理与维修 2020年4期

杨佳奇

（中铁十九局集团第五工程有限公司，辽宁大连 116000）

0 引言

地铁建设需要突破各种地理条件和环境的限制，施工的过程具有一定难度，需要配置设备来帮助地铁施工深竖井及暗挖隧道开挖施工，减少对环境的污染，减少工程所用时间，提高工作效率，并且适用于地铁隧道等施工工期较长、施工条件多变的施工类型。工作人员在施工过程中，一定要注意可能出现的技术和设备风险，及时在第一时间预防。

1 深竖井及暗挖隧道开挖在地铁施工中的设备配置

1.1 基坑深度为0～35 m 以内开挖施工设备配置方案

在基坑深度为0～35 m 以内开挖施工设备配置中，通常采用307 挖掘机和312 挖掘机相结合作业的方式进行开挖。卡特307 挖掘机是深竖井及暗挖隧道开挖时的常用设备，其机器中具有液压系统，能够利用平稳的液压装置来进行推土和挖坑工作，能够轻松完成暗挖隧道开挖的地铁施工工作。其斗杆和动臂可以根据地铁施工时的土层特点，配备加长斗杆和拇指夹，使307 挖掘机的挖掘范围能够调整，动臂的稳定性得到提高。另外，307 挖掘机里安装了最新的卡特彼勒D 系列系统，这套系统具有非常高的调控能力，搭配操纵手柄上的辅助控制装置，可以使307 挖掘机的使用更加方便，减少了深竖井及暗挖隧道开挖的操控难度。

312挖掘机采用高频锤，相较其他挖掘机，其外壳采用精细化热处理工艺，整板成形，没有任何焊接点，较厚的钣金在挖掘较硬土层时不会轻易开裂，实用性非常强。在地铁施工中深竖井及暗挖隧道开挖工作时，避免了因机器设备破损、定期更换而延误的工作周期，对于较硬的土层也不需要重新设置解决方案，简化工作环节的流程，提高工作效率。312 挖掘机具有两个气压弹簧，相较于普通挖掘机没有气压弹簧或者只有一个，其工作的安全性大大提高。

在进行开挖时，需要先对施工现场的基坑深度进行分析和探测。经过数据对比分析，若基坑深度为0～35 m 以内，施工地点的泥岩硬度为25 MPa，需要重新规划施工的装置配置，若采用普通挖掘机进行开挖，无法达到预期效果。因此在开挖前，需要结合挖掘机尺寸与新增竖井型号，根据数据分析，配置一台卡特307 挖掘机，来进行基坑内松土层的松动，使隧道在开挖时更加顺利；再配置一台卡特312 挖掘机，通过挖掘机的高频振动破碎锤来破坏泥岩层，使泥岩层各部分的层次被破坏掉；泥岩层松动后，再次利用307 挖掘机进行作业，将泥岩层运送到合适位置，为后续工作创造条件。在暗挖隧道开挖的基坑中，由两台挖掘机同时作业，通过高频振动破碎锤对土层作业，再由另一台挖掘机与其配合，把作业完成的松土转运至抓斗中，加快了整个施工效率。但这种方式存在一定缺点，当两台挖掘机在基坑配合作业时，基坑的深度一旦超过35 m，受施工深度限制，工程后期的工作效率会较慢，有一定的局限性。

1.2 基坑深度35～55.51 m 以内开挖施工设备配置方案

在设备配置的选择上，要随着基坑挖掘的深度，来对设备配置进行选择，在深度到达35～55.51 m 时，选择施工设备时，可以将土方垂直提升设备更换为龙门吊配料斗吊运，也就是龙门吊吊运，即龙门式起重机。龙门式起重机是桥式起重机的一种变形，其具有多种分类方式，按照门框结构可以分为悬臂门式起重机和门式起重机，按照主梁形式可以分为单主梁和双主梁，按照主梁的结构又可进一步细分。每一款龙门起重机的作用和适用场合各不相同，地铁施工中需要根据土层特点选择不同的龙门式起重机，其作业范围大、场地利用率高、适应面广。

当需要施工的地铁开挖深度为55.51 m 时，可以选择龙门起重机中比较常用的45T 型起重机，其主钩起升速度为1.2～12 m/min，能够提高地铁开挖施工的效率。但是龙门吊配合施工时，因为基坑内场地狭小，龙门起重机的料斗放在基坑内由挖掘机装土的过程中，另一台高频振动破碎锤不能同时作业，这会影响整个工程的工作效率，可能在规定的施工周期内无法完成既定施工任务。

2 地铁施工暗挖隧道技术与设备配置结合的具体应用

2.1 地铁施工暗挖隧道CD 法上下台阶开挖设备配置

CD 法进行施工时，上下台阶开挖主要由铣挖机进行作业。铣挖机是一个独立的设备部件，可以安装到任何类型的液压挖掘机上，如安装到挖掘机的小臂或大臂上可代替破碎锤和液压剪等设备，铣挖机为地铁隧道开挖提供了一种新的高效的施工方式。在隧道开挖时，一般只使用铣挖机挖掘隧道轮廓，只有少数岩层硬度比较低的情况，可以直接将铣挖机用于隧道的掘进，相比其他开挖方式，该方式对周围环境的影响较小。铣挖机操作方便，由其开挖的轮廓非常清晰，在后期施工中，工作人员只要根据开挖的轮廓进行施工，提高整个工作效率，而且可以轻松解决隧道开挖时内表面凿槽问题和开挖边沟问题。上下台阶法是在挖掘的过程中，分上下两步进行开挖工作，能够最大化利用铣挖机的优势。

在实际操作中，高频破碎锤与卡特312 挖掘机相互配合开挖上台阶，对周边弧形超欠挖的控制上存在施工难度。如果采用人工修边的方式，会增大整个工程量，延长工程周期，耗费很高的人力成本。若高频破碎锤从下台阶开挖，铣挖机在下台阶对上台阶开挖，铣挖机挖过的周围的超欠挖的弧形变小，使人工修边的工作量大大减少。但是工作人员在使用铣挖机的过程中智能性较低，在对周边弧形开挖时需要专业人员在旁指挥。若需要开挖的隧道岩层为泥质粉砂岩，施工会损害铣挖机刀头，需要及时更换损害严重的刀头，需要的成本比较大。

2.2 将管井抽水或水平渗水井和真空泵结合

针对一些特殊土层，结合真空泵和管井抽水展开抽水工作，为隧道开挖做前期的基础工作铺垫，可使后续工作顺利进行；也可根据辐射井当中的水平渗水井和真空泵连接的方式，来完成抽水工作。这两种方式运用了相同原理，真空泵能够在水平井或管井中构建出适合抽水的真空环境，加快地层中水流流向水管的速度，提高抽水效率，减少地铁施工中抽取地表水的工时。工作人员观察这种方法运用后的实际效果，尤其是沉降的观测结果，利用真空泵将管井抽水或结合水平渗水来抽水所产生的沉降，与传统降水方法所产生的沉降量几乎相同，所以这种方式对环境的污染很小。

在地铁隧道开挖施工时，需要先对暗挖的土层以及周围环境进行全面的调查分析。通过调查数据分析，发现需要暗挖的土地含水层以砂土层和粉土层为主，通过查阅资料发现，这种土层自身的渗透系数相较正常土层小，在降水工作中要根据土层的特点选择合适方式。如果常规的降水方法不能及时排除透水层中的饱和水及含水层当中的残留水，会导致暗挖作业时土层中还存在水量，不利于整个暗挖工作的开展，使作业安全性受到影响。此种情况下，需要使用真空降水技术和真空泵投入到隧道开挖应用中，全部排出土层的地下水，尤其要排空饱和水，使整个地铁施工的过程更加顺利。

2.3 隧道内开挖水平运输和垂直运输设备配置

不同的运输方式，需要根据隧道开挖的情况进行判断。垂直运输主要应用于每循环隧道开挖完成后，需要将渣土进行运输，在隧道比较短的情况下，可以采用40 侧翻装载机进行运输。这种设备装置能够直接将渣土转运到竖井底部龙门吊料斗内，并且40 侧翻装载机的一端是封闭形式，可防止运输过程中产生渣土洒落。在选择隧道内开挖垂直运输设备配置时，主要选用龙门吊配料斗吊运大型施工用材料，如钢筋、管棚等。其垂直提升速度快、吊运量较大，适合较大工程量现场的大规模吊运、修建。

隧道开挖施工中，管棚用于增强软弱地层和破碎地段的承载力，及一些严格限制要求的情况，可以防止发生再次塌方造成的二次伤害；即使再次塌方，管棚也会在中间起到缓冲作用。管棚具有环槽效应，极大降低了反向拉伸波对围岩造成的破坏，以及减小对周围扰动的范围；管棚具有加固效应，能够提高围岩的承受能力，因此，管棚被常常运用于地铁施工中。但是因为管棚长度和形状的独特性，主要依靠竖井井口提升架及洞内运输机车进行运送，将已经加工好的管棚运送到地铁施工的隧道中。在管棚放置的时候，需要注意在洞中做好防止管棚滚落的措施，以免出现危险。