淺埋暗挖法土質(zhì)隧道中暗挖臺(tái)車的適用性分析

靳文源

(太原國省道汾河水庫段建設(shè)管理有限公司，山西 太原 030006)

1 工程概況

隧道工程位于我國西北地區(qū)，為分離式設(shè)計(jì)，上行線起訖樁號(hào)SK250+845～SK251+707，線路長(zhǎng)862 m，下行線起訖樁號(hào)XK250+796～XK251+671，線路長(zhǎng)885 m。結(jié)合地勘報(bào)告，隧址區(qū)域所揭露的地質(zhì)由上至下依次為一般新黃土、飽和黃土及泥巖，其中飽和新黃土質(zhì)均且穩(wěn)定，主要位于隧道進(jìn)口端；飽和黃土軟塑且不均勻，主要分布在隧道出口端，隧道洞身主要分布泥巖。該隧道于2019年11月開始施工，上行線主要從進(jìn)口端開始單口掘進(jìn)，采用上下導(dǎo)坑留核心土施工工藝，由于上行線圍巖穩(wěn)定性良好，故2020年4月即順利貫通。下行線擬通過TWZ260型暗挖臺(tái)車開挖，考慮到該施工機(jī)械屬于工程所在地區(qū)土質(zhì)隧道開挖中的首次應(yīng)用，必須加強(qiáng)機(jī)械適用性分析及性能優(yōu)化改進(jìn)探討。

2 暗挖臺(tái)車施工

2.1 施工人員及設(shè)備配置

結(jié)合該淺埋暗挖土質(zhì)隧道左右線掌子面情況進(jìn)行施工設(shè)備和人員配備，具體而言，左線標(biāo)準(zhǔn)段臺(tái)階法開挖采用1臺(tái)TWZ260型暗挖臺(tái)車，配備司機(jī)和輔工各1名；右線標(biāo)準(zhǔn)段臺(tái)階法開挖使用1臺(tái)PC60型挖掘機(jī)，配備司機(jī)1名、開挖工6名。左線φ42 mm×3.5 m小導(dǎo)管施工主要采用1臺(tái)TWZ260型暗挖臺(tái)車和1臺(tái)KBY50型注漿機(jī)，配備司機(jī)1名、注漿工2名；右線小導(dǎo)管施工采用1臺(tái)YT28風(fēng)鉆和1臺(tái)KBY50型注漿機(jī)，配備鉆工和注漿工各2名。

通過以上施工設(shè)備及人員的配備可以看出，開挖及小導(dǎo)管施工工序中暗挖臺(tái)車的使用可使施工人員的配質(zhì)量明顯減少，其余工序則無明顯差異。

2.2 施工工效

左線小里程標(biāo)準(zhǔn)斷面TWZ260型暗挖臺(tái)車開挖初支循環(huán)時(shí)間均值和最小值分別為335 min和290 min，右線小里程PC60型挖掘機(jī)開挖初支循環(huán)時(shí)間均值和最小值分別為430 min和345 min。通過比較作業(yè)時(shí)間可以看出，暗挖臺(tái)車開挖作業(yè)時(shí)間比挖掘機(jī)開挖短，在不考慮其他因素的情況下，暗挖臺(tái)車開挖進(jìn)度理論上可以達(dá)到4循環(huán)/d，也就是開挖初支日進(jìn)尺3 m、月進(jìn)尺90 m，比挖掘機(jī)2.25 m的日開挖進(jìn)尺和67.5 m的月進(jìn)尺工效高。

此外，傳統(tǒng)暗挖施工過程以人工開挖為主，作業(yè)人員勞動(dòng)強(qiáng)度大，安全風(fēng)險(xiǎn)高。使用暗挖臺(tái)車施工后作業(yè)人員配備量大大減少，且人員均遠(yuǎn)離掌子面，降低勞動(dòng)強(qiáng)度的同時(shí)，施工安全性明顯提升。

2.3 能源消耗統(tǒng)計(jì)

統(tǒng)計(jì)該淺埋土質(zhì)隧道左右線小里程施工掘進(jìn)及能耗情況，具體如表1所示，表中電力和柴油CO2排放系數(shù)分別取0.75 kg/(kW·h)和2.7 t/t，柴油CO2排放按照1 192 L/t標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行折算；工程所在地工程用電單價(jià)為0.85元/(kW·h)，柴油單價(jià)5元/L。根據(jù)表中結(jié)果的對(duì)比可以看出，暗挖臺(tái)車使用電力能源的情況下，平均能耗為1.70元·m-3，比挖掘機(jī)施工2.49元·m-3的能耗降低34.12%；使用TWZ260型暗挖臺(tái)車提升施工全過程機(jī)械化后，CO2排放量增加。

2.4 隧道初支

土質(zhì)隧道施工期間圍巖及初支變形是由水文地質(zhì)、開挖施工工藝、斷面形式、圍巖強(qiáng)弱及支護(hù)時(shí)機(jī)等多種原因造成的，一般情況下，若采用人工開挖施工方式，能最大限度減輕對(duì)圍巖及初支結(jié)構(gòu)的擾動(dòng)。

表1 左右線小里程開挖施工能耗統(tǒng)計(jì)

應(yīng)用暗挖臺(tái)車開挖掌子面必然會(huì)對(duì)圍巖及初支結(jié)構(gòu)造成較大擾動(dòng)，這也是暗挖臺(tái)車機(jī)械開挖施工控制的重難點(diǎn)所在[1]。根據(jù)對(duì)該土質(zhì)隧道左線小里程TWZ260型暗挖臺(tái)車開挖及右側(cè)小里程PC60型挖掘機(jī)結(jié)合人工開挖下地表沉降、初支拱頂沉降的監(jiān)測(cè)結(jié)果可以看出，左線TWZ260型暗挖臺(tái)車開挖和右線PC60型挖掘機(jī)結(jié)合人工開挖在地表沉降和初支拱頂沉降速率、累計(jì)沉降速率等方面的監(jiān)測(cè)值并無較大差異。造成這種現(xiàn)象的原因主要在于該土質(zhì)隧道工程所在區(qū)域水文地質(zhì)條件良好，隧道橫穿老黃土層和古土壤，基底恰好在老黃土層之上，土質(zhì)均勻，基底承載力均值在270 kPa左右。此外，隧道施工區(qū)域地下水位在隧道底板以下18～22 m左右，可實(shí)現(xiàn)無水作業(yè)。開挖過程中土體具有較好的自穩(wěn)能力，開挖期間圍巖及初支結(jié)構(gòu)變形不大。左右線地表沉降時(shí)態(tài)曲線具體見圖1。

圖1 左右線地表沉降時(shí)態(tài)曲線(2020年)

2.5 作業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)

隧道屬于相對(duì)密閉的施工環(huán)境，掘進(jìn)開挖過程中施工機(jī)械燃油尾氣及開挖粉塵均溶入空氣中，產(chǎn)生過高的有害氣體體積分?jǐn)?shù)[2]，影響施工人員身心健康。TWZ260型雙臂暗挖臺(tái)車作業(yè)過程中以電能為主要能源，幾乎不排放油煙廢氣，檢測(cè)結(jié)果顯示，左線小里程TWZ260型暗挖臺(tái)車作業(yè)期間隧道內(nèi)CO和NOx質(zhì)量濃度均為0.001 mg/m3，CO2體積分?jǐn)?shù)0.05%，氧氣體積分?jǐn)?shù)20.5%，氣溫25 ℃，噪聲55dB；而右線小里程挖掘機(jī)開挖期間CO和NOx質(zhì)量濃度分別為22 mg/m3和3.5 mg/m3，CO2體積分?jǐn)?shù)0.45%，氧氣體積分?jǐn)?shù)18.5%，氣溫35 ℃，噪聲75 dB。通過比較看出，雙臂暗挖臺(tái)車在土質(zhì)隧道開挖中的應(yīng)用，能顯著改善隧道內(nèi)作業(yè)環(huán)境。

3 暗挖臺(tái)車的適用性及改進(jìn)思路

3.1 暗挖臺(tái)車的適用性

從水文地質(zhì)、斷面形式及工法、吊裝下井及巷道直角轉(zhuǎn)彎等方面對(duì)暗挖臺(tái)車在淺埋暗挖土質(zhì)隧道施工中的適用性展開分析。

基于暗挖臺(tái)車銑刨頭及出渣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，其主要適用于將地下水位降至開挖面以下的無水作業(yè)。通過改進(jìn)左臂挖掘臂力學(xué)性能及右臂銑刨頭設(shè)計(jì)，可使暗挖臺(tái)車普遍適用于粘土、風(fēng)化巖、砂卵礫石、黃土等軟土地層，但是該土質(zhì)隧道土體硬度最大達(dá)到6 MPa，暗挖臺(tái)車錐形齒銑刨頭和扁平齒銑刨最大銑削硬度分別為6 MPa和4 MPa，勉強(qiáng)能達(dá)到土體最大硬度開挖要求。

暗挖臺(tái)車因體型較大，行走系統(tǒng)主要為履帶式設(shè)計(jì)，僅適合單個(gè)掌子面使用，無法滿足掌子面頻繁變更方面的要求。同時(shí)，適用于上下臺(tái)階長(zhǎng)度均在1.5～3.5 m范圍內(nèi)的短臺(tái)階及全斷面開挖掘進(jìn)；臺(tái)階法環(huán)向開挖過程中應(yīng)加強(qiáng)核心土控制，結(jié)合類似工程施工經(jīng)驗(yàn)及暗挖臺(tái)車尺寸設(shè)計(jì)，對(duì)于6.0 m×6.0 m開挖斷面，其上臺(tái)階核心土尺寸應(yīng)按照長(zhǎng)1.5～3.5 m、寬2.5～3.5 m、高1.5～2.0 m控制。

不同型號(hào)的暗挖臺(tái)車在吊裝下井及巷道直角轉(zhuǎn)彎過程中具有不同的凈空要求，該隧道所用TWZ260型暗挖臺(tái)車整體長(zhǎng)5 m、寬2.3 m、高2.2 m，總質(zhì)量18.5 t，吊裝過程中所要求的豎井凈空尺寸至少為4.5 m×5.0 m。對(duì)于凈空較小而暗挖臺(tái)車無法下井的情況，必須借助專用的吊裝工具將暗挖臺(tái)車以45°角傾斜吊裝，下井后水平放置。此外，TWZ260型暗挖臺(tái)車在橫通道中直角轉(zhuǎn)彎時(shí)要求通道長(zhǎng)和寬均不能小于5 m。吊裝下井及直角轉(zhuǎn)彎所要求的尺寸是暗挖臺(tái)車順利進(jìn)場(chǎng)的關(guān)鍵，必須在場(chǎng)地布置、通道設(shè)計(jì)時(shí)重點(diǎn)考慮[3]。

3.2 暗挖臺(tái)車的改進(jìn)

結(jié)合該淺埋土質(zhì)隧道暗挖臺(tái)車的應(yīng)用實(shí)踐，出于黃土地層特殊的物理力學(xué)性質(zhì)考慮，對(duì)暗挖臺(tái)車作如下方面的改進(jìn)。

暗挖臺(tái)車原采用刮板式出渣系統(tǒng)，由于黃土具備較強(qiáng)的軟黏性特征，很容易造成鏈條和夾板間縫隙的堵塞，進(jìn)而卡死出渣系統(tǒng)。經(jīng)過數(shù)次改進(jìn)及試驗(yàn)后將原刮板式出渣系統(tǒng)調(diào)整為皮帶式出渣系統(tǒng)，能有效解決軟黏性黃土堵塞出渣系統(tǒng)的問題。

暗挖臺(tái)車左臂挖掘臂存在圓弧形和平板形等型式，受鏟斗連接的液壓油缸和鏈桿角度是影響挖掘臂挖掘力的主要因素，且圓弧形和平板形兩種型式挖掘臂鏟斗設(shè)計(jì)強(qiáng)度均滿足最大挖掘力方面的要求。為此，只需要從斷面形式和挖掘效率方面進(jìn)行挖掘臂型式的選擇。圓弧形挖掘臂鏟斗挖掘及收渣工效高，對(duì)于圓弧形仰拱及邊墻開挖斷面較為適用。平板型挖掘臂鏟斗挖掘、收渣效率都不及圓弧形鏟斗，適用于平直形仰拱和邊墻斷面的開挖。

暗挖臺(tái)車右臂原采用錐形齒銑刨頭設(shè)計(jì)，在開挖過程中，渣土經(jīng)銑刨后呈松散粉末狀，不利于出土效率的提升。為此，可將其右臂調(diào)整為以切削為主的扁平狀齒銑刨頭型式，將土體切削成條塊狀，便于銑刨效率和出土效率的提升[4]。兩種銑刨頭型式適用的土層也有差異，錐形齒銑刨頭和扁平狀齒銑刨頭最大銑削硬度分別為6 MPa和4 MPa，必須結(jié)合土層地質(zhì)合理選用。

4 結(jié) 論

綜上所述，暗挖臺(tái)車屬于隧道工程淺埋暗挖法機(jī)械化施工的開拓性產(chǎn)品，在施工機(jī)械化、安全性、開挖工效、作業(yè)環(huán)境改善等方面均具有顯著優(yōu)勢(shì)。但是暗挖臺(tái)車自身仍存在很大的改進(jìn)空間，如機(jī)械化暗挖對(duì)隧道圍巖及初支變形的影響，富水地層及雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、CRD法、CD法開挖的可行性等。此外，暗挖臺(tái)車因機(jī)械長(zhǎng)度大，司機(jī)與掌子面距離較遠(yuǎn)，無法直觀觀察和控制掌子面銑刨及超欠挖情況，可考慮為該機(jī)械配備遙控器，由操作人員直接在掌子面展開操作，或在工作大臂和駕駛室分別配置攝像頭和顯示屏，便于精準(zhǔn)控制。