基于暗挖台车的暗挖工法安全绿色环保施工探索

王彦臻

摘要：针对暗挖法面临的机械化程度不高、安全风险高、作业环境差的挑战，本文結合西安地铁五号线某暗挖区间引入的暗挖台车、电动挖掘机、电动三轮车、灯带雾化降尘系统等设备设施的应用情况进行总结分析，探索暗挖工法安全绿色环保施工新的发展思路，并提出了相关建议。

【关键词】暗挖法；暗挖台车；电动三轮车；电动挖掘机；灯带雾化降尘系统

浅埋暗挖工法诞生于30多年前，经过多年的实践应用和发展，已成熟并被广泛应用。根据暗挖工法的核心理念，结合不同的辅助措施、机械配置等，衍生了众多辅助工艺，成功的应用于各种隧道及地下工程。随着中国社会老龄化的加剧，劳动力变得稀缺而昂贵；全民文化素质较30年前大幅度提高，施工作业工人和社会对施工作业环境的要求越来越高。暗挖法所面临的挑战中机械化自动化程度不高、作业环境差、劳动力投入多、劳动强度大的问题越来越凸显，该如何应对和解决所面临的挑战成为工法长久保持旺盛生命力亟待解决的问题。

本文结合西安地铁五号线某暗挖区间引入的暗挖台车、电动挖掘机、电动三轮车、灯带雾化降尘系统等设备设施的应用情况进行总结分析，探索暗挖工法安全绿色环保施工新的发展思路，并提出了相关建议，以期对暗挖法的发展有所启发。

1.工程实例

西安市在建地铁某区间为双线分离式隧道，长728.079m，设临时竖井及横通道一处，详见图1。竖井小里程方向为标准断面（C断面），采用台阶法施工，长453.551m。竖井东侧（大里程方向）为过地裂段（D断面），长约268.338m，采用台阶+临时仰拱法。

工程地质依次为杂填土、新黄土、古土壤、老黄土、粉质粘土、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。地下水位位于底板下15～20m，地下水对工程施工无影响，不考虑施工降水。

2.引入的新设备设施应用情况

暗挖区间开挖初支施工时引入了首次在黄土地层应用的暗挖台车新设备，使用电力驱动的挖掘机和三轮车替代了传统的燃油挖掘机和三轮车，研发应用了灯带雾化降尘系统。

2.1 暗挖台车

2.1.1 暗挖台车设备简介

双臂暗挖台车是集成挖装机、凿岩机等功能的多功能新型工装，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。整机结构详见图2。

暗挖台车根据整机重量和工作范围不同，分几种不同规格型号，分别适用于3mx3m至6mx6m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。

在本区间中，引入的暗挖台车设备应用于右线小里程段施工，获得了较好的实际应用效果。

2.1.2 施工作业人员配置情况

将采用暗挖台车开挖的右线掌子面施工作业人员配置情况和采用常规人工开挖的左线掌子面施工作业人员配置情况进行对比，详见各工序施工人员及设备配置对比表（表1）。

从表1可以看出，暗挖台车在开挖、小导管施工工序明显减少了施工人员配置，其他工序无明显差异。

2.1.3 施工安全性

在传统暗挖法施工中，作业人员多，作业工人拥挤在较狭窄掌子面进行开挖，劳动强度大，安全风险大。采用暗挖台车，作业工人数量大幅减少，且远离掌子面，仅从事操控、辅助等工作，劳动强度大幅度降低。参与人员少、远离掌子面、劳动强度低等因素大幅提升了暗挖施工的安全性，传统暗挖和机械化施工开挖作业对比如图3所示。

2.1.4 作业环境

隧道工程和其他开挖建设工程一样，施工过程中尘土飞扬，“溶”入空气；各种施工机械燃油产生的尾气也进入大气中，这样即破坏施工环境，又影响空气质量。同时隧道却又是一个相对密闭的空间，隧道内有害气体浓度过高，将对施工人员的安全产生影响。

根据《地下铁道工程施工及验收规范》（GB50299-1999）（2003版），隧道施工环境应符合表2规定。

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。经检测并统计对比了暗挖台车开挖和挖机开挖时隧道内氧气、CO2、CO、NOx、掌子面气温、噪音等实测数值。详见不同设备开挖作业掌子面环境指标检测值（表3）。

环境指标中，暗挖台车开挖时噪音低于标准值和挖机开挖，比挖机开挖降低了 26.7%。掌子面温度在采用暗挖台车开挖时显著降低。氧气因挖机的柴油消耗大，挖机开挖时空气中氧气含量低于暗挖台车开挖。采用暗挖台车开挖时，有害气体氮氧化物、CO2、CO含量显著低于挖机开挖，特别是氮氧化物和CO含量，在暗挖台车开挖时仅检测出微量，而挖机开挖时，其指标已接近标准要求限值。从上述对比分析可以看出，暗挖台车的使用，可以很大程度上改善隧道内施工作业环境，提升安全性，也进一步提升绿色施工能力。

2.1.5 能源消耗和碳排放

随着社会发展和自然环境不断恶化，低碳、节能环保新材料、新设备、新工法的研发和普及是国家乃至全球发展的需要。统计2016年7月～2016年9月隧道开挖初支施工能源消耗情况，并选取两个典型断面进行对比分析，结果如表4所示。

从表4可以明显看出，使用电力能源的暗挖台车开挖能源消耗平均为55.55元/m，比燃油挖機开挖的112.77元/m降低了50.74%；开挖作业CO2排放平均为42.48kg/ m3，比挖机开挖的58.76kg/m3降低了27.71%。同时，我们应该看到，采用暗挖台车时，隧道上下台阶均采用台车开挖，而采用挖机开挖时，仅进行下台阶开挖和辅助上台阶开挖，如采用实际开挖土方量折算，暗挖台车在能源消耗和碳排放上的优势将更加明显。从能源消耗和碳排放的角度上，暗挖台车的使用可以进一步提升暗挖工法绿色化施工能力。

2.2 电动挖掘机

2.2.1电动挖掘机适用性

在本区间应用的HT65D型电动挖掘机，其制造参照了常见的PC60-8型柴油挖掘机，配置了380V、45kW电机，其主要参数与PC60-8型柴油挖掘机对比如表5所示。

根据该区间施工断面尺寸，采用电动挖掘机（HT65D型）辅助下台阶开挖和出渣，电动挖掘机大小（长×宽×高）6.015m×1.96m×2.67m和作业范围最大挖掘（高×深×半径）5.16m×3.75m×6.107m在地铁区间隧道适用性好。该设备挖斗容量0.25m3，出渣速率为0.75m3/分钟。工程实例中，区间标准段（C断面）开挖土方每循环为26.25m3和地裂缝断面（D断面）开挖土方每循环为29m3，出渣所需时间分别为35分钟和39分钟，可以达到3小时内完成开挖工序出渣的要求。因此，在土层地铁区间单线暗挖隧道配置HT65D型电动挖掘机适用性、效率均较为理想。

2.2.2作业环境

传统施工中，采用柴油挖掘机时会产生大量的有害气体，其尾气中NOx含量在35mg/m3以上、CO含100mg/m3以上，严重超出《地下铁道工程施工及验收规范》对作业环境空气中NOx含量不应大于5mg/m3、CO含量不应大于30mg/m3的规定，严重危害作业工人的身体健康。实际施工中常用大量的通风来稀释有害气体，改善作业环境空气质量，效率低且效果差。

采用电动挖掘机后，因整机采用电力作为能源，实现了隧道内尾气烟尘零排放，相比于柴油挖掘机开挖，隧道内空气质量得到了明显改善。

现场实测，采用柴油挖掘机开挖作业时，其噪音为75dB，而采用电动挖掘机时，其噪音为54dB，电动挖掘机的电机噪音比柴油机的噪音要小21dB，降低了28%，进一步改善了施工作业环境。

2.2.3能源消耗和碳排放

施工中，统计了2016年7月～2016年9月隧道开挖初支施工能源消耗情况，本文选取三个断面进行对比分析，分析电动挖掘机能源消耗和碳排放情况，结果如表6所示。

从表6中可以看出，采用电动挖掘机在能源消耗上明显低于柴油挖掘机，电动挖掘机能源消耗折算费用为1.83元/m3和1.52元/m3，是柴油挖掘机3.22元/m3的一半左右。而从折算的碳排放可以看出，电动挖掘机碳排放水平也低于柴油挖掘机，是柴油挖掘机的69%～83%左右。

2.3电动三轮车

2.3.1电动三轮车适用性

该地铁区间隧道长度短，作业面狭窄，渣土采用无轨运输。施工中引进了MDY-180型电动三轮车作为渣土运输车辆，其主要参数详见表7。电动三轮车制造参照了柴油三轮车，但采用了7.5kW电机替代了柴油机。

根据安全管理规定，运输车辆在作业区应小于10km/h，按车载容量1m3，行车速度10km/h考虑，长小于500m的施工作业面，三轮车出渣速度能达到1m3/10min，即每小时6m3。工程实例中，区间标准断面（C断面）土方26.25m3/循环和地裂缝断面（D断面）土方29m3/循环的开工初支工序要求在3小时内完成，出渣按2小时完成考虑，施工作业面配置三轮车不小于3台。在该工程实例实际施工过程中，开挖初支各个作业面均配置3台载重量为1.2m3的三轮车，区间分四个掌子面，共配置三轮车12台，配置的三轮车中，部分为电动三轮车。

由上可知，车载容量为1.2m3的电动三轮车，其行车速度最大为10km/h和车辆的尺寸大小对于出土量相对小，作业空间相对狭窄的暗挖隧道适用性较强，适宜在地铁区间暗挖隧道内使用。

2.3.2电动三轮车优势和主要问题

常规使用的柴油三轮车设备工艺落后，排放标准低，使用时烟尘尾气大，严重污染隧道内空气，导致施工作业环境恶劣。采用电动三轮车，电机动力，实现了隧道内烟尘尾气的0排放，根除了隧道内空气重大污染源，改善了隧道内空气质量。

电动三轮车电机产生的噪音显著低于柴油机噪音，可以大幅降低隧道内噪音，进一步改善隧道内施工作业环境。

同时，我们不能忽视现阶段电动三轮车应用所面临的问题：

一是相比柴油三轮车，电动三轮车在动力和爬坡能力上相对较差，可以在坡度较缓的隧道内通畅使用，现场试验最大坡度不宜大于1：15，需要进一步提升和改进。

二是电动三轮车采用蓄电池供电，理论续航能力为8～10个小时，实际施工中测试续航能力为5～6个小时，需要较频繁充电，且充电时间较长，从电压不足到完全充满至少需要5个小时。施工中可以采用在隧道内设置充电桩，在开挖、拱架架立、喷浆等不需要三轮车的工序施工时进行充电予以解决，如图4所示。但提高电池续航能力和缩减充电时间仍是电动三轮车应用需要解决的重要问题。

2.4隧道内灯带雾化降尘系统

2.4.1工艺原理

（1）借鉴雾化降尘理念，采用高压泵将水加压至0.5～0.7MPa，经高压喷嘴雾化，形成飘飞的微米级水雾颗粒，细小的水雾颗粒能高效吸附空气中烟尘杂质，达到降尘目的。在隧道一定范围内安装该系统，可以形成水雾状降尘帷幕，达到隔断、吸附、降尘目的，如图5所示。

（2）结合各种自动感应装置，可以根据粉尘浓度、时间、是否有作业工人等控制其作业，达到信息化施工目的。

（3）结合灯带技术，将雾化降尘系统与灯带向结合，取消隧道内灯泡照明，采用灯带照明，可以大幅增加隧道内照明亮度，消除照明死角，如图6所示。

2.4.2 实施效果

（1）实现隧道内雾化降尘，改善隧道暗挖施工作业环境，提升隧道内空气质量，提高了施工作业人员职业健康水平。隧道内空气质量的改善，可以大幅缩减通风设备使用，降低能耗和碳排放，达到绿色环保施工目标。

（2）灯带光照均匀、亮度高、照明无死角，空间占用小，美观大方，提高了施工作业环境的安全水平。一定程度上也可以改善了人们对暗挖法作业面昏暗、烟尘大、噪音大、环境差的观念。

3.结束语

结论：（1）目前，暗挖法虽在应用的工程数量上有所减少，但仍被广泛应用在各种隧道和地下工程施工中。暗挖法相比其他工法如盾构法、明挖法，其有着无法替代的优势：可以在覆土很浅（1m～2m）的地下工程中不占用地面场地进行施工；可以在短距离内灵活变化断面，可以在大坡率、小半径隧道中应用；可以在黄土地层地裂缝断面采用暗挖施工；可以大幅缩减征地拆迁、管线迁移、交通导改工作量，也将施工扰民降到了最低。正视和解决暗挖法面临的挑战是暗挖法发展乃至隧道建设无法逃避的问题。（2）采用暗挖台车施工，可以提高暗挖法机械化和自动化水平、减少劳动力投入、降低劳动强度、改善作业环境、低碳环保、提高施工作业安全性，是暗挖法安全绿色环保施工发展的可选路径。（3）采用电力能源替代传统的燃油能源，如用同等级的电力设备电动挖掘机、电动三轮车替代传统的燃油设备柴油挖掘机、柴油三轮车，可以根除隧道内的空气的尾气污染和消减作业环境的噪音污染，大幅提升隧道内空气质量和降低施工噪音，改善作业环境。是暗挖法安全绿色环保施工发展现行最容易实行也是最具有实效的措施之一。（4）研发应用新型设备设施辅助隧道施工作业环境的降尘、降噪、提高照明、控制环境温度等在一定程度上可以缓解施工作业环境差的问题，从观念上改变人们对暗挖法脏乱差的传统印象，焕发暗挖法新的活力。

讨论：（1）因暗挖台车本身存在的自重大、不能在富水地層应用、适用断面范围小、无法在CD法、CRD法、双侧壁导坑法等多导洞工法中应用等诸多适用性问题，其推广应用仍存在不小阻力，急需对暗挖台车进行改造升级，以期适用于暗挖法各种工况，助力暗挖法安全绿色环保施工的发展。（2）在寻求将更多的隧道内应用的传统燃油设备更换为电力驱动设备的同时，也应该正视与新能源汽车替代传统燃油汽车类似的困扰。急需解决的仍然是动力、电池续航能力、充电时间等问题，这也是暗挖法安全绿色环保施工所面临的重要问题之一。（3）新型的暗挖法施工辅助设备设施的研发，在通风、照明、降尘、降噪、环境温度控制等方方面面应该有一席之地，其研发和应用也是助力暗挖法的发展的重要力量。

【参考文献】

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