論暗挖臺(tái)車在地鐵施工中的應(yīng)用與改進(jìn)

馬莉

摘 要：在地鐵施工中應(yīng)用暗挖臺(tái)車能夠提高城市地鐵暗挖施工的機(jī)械化程度，在降低勞動(dòng)力需求量的同時(shí)提高作業(yè)環(huán)境質(zhì)量，增加作業(yè)崗位技術(shù)含量，適應(yīng)社會(huì)發(fā)展趨勢(shì)，有效降低勞動(dòng)力短缺對(duì)地鐵施工行業(yè)的影響。在國家大力發(fā)展基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的背景下，暗挖臺(tái)車能夠助力城市軌道交通淺埋暗挖法新發(fā)展。改進(jìn)與完善新型設(shè)備的研發(fā)應(yīng)用，需不斷增強(qiáng)設(shè)備適用性與穩(wěn)定性，降低使用成本，提高工作效率。

關(guān)鍵詞：暗挖；設(shè)備；應(yīng)用；改進(jìn)

中圖分類號(hào)：U455 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：2096-6903（2023）02-0058-04

1 工程背景

1.1 背景

目前，居民出行交通需求迅速增長，可建設(shè)城市軌道交通的城市范圍不斷擴(kuò)大。目前全國已有40個(gè)城市獲批建設(shè)地鐵項(xiàng)目，全國地鐵總里程突破6 000 km。與此同時(shí)，地鐵施工也面臨著老齡化、人工成本不斷上漲。安全事故問責(zé)力度加重、施工進(jìn)度和質(zhì)量要求不斷提高。環(huán)境保護(hù)和以人為本意識(shí)不斷加強(qiáng)等社會(huì)環(huán)境變化，迫切要求地鐵施工的做出變革。

地鐵暗挖施工目前主要依靠人力，隨著中國地鐵已進(jìn)入大規(guī)模建設(shè)階段，暗挖施工對(duì)于設(shè)備的需求越來越大。目前暗挖施工設(shè)備尚處于摸索階段，隨著暗挖施工機(jī)械的成熟，高效能、高可靠性、輕量化、智能化的暗挖施工設(shè)備將成為行業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)和方向。

1.2 工程概況

北京地鐵十六號(hào)線國家圖書館站至二里溝站區(qū)間起始于國家圖書館站，線路向東在中關(guān)村大街下穿既有地鐵4、9號(hào)線區(qū)間，而后轉(zhuǎn)向南，下穿首都體育館、動(dòng)物園，二次下穿既有地鐵4號(hào)線區(qū)間，沿三里河路向南至二里溝站，如圖1所示。區(qū)間全長1 352 m。區(qū)間大部分采用暗挖機(jī)械臺(tái)車施工，隧道底板覆土埋深為18.7～30.8 m，如圖2所示。

1.3 工程特點(diǎn)

工程特點(diǎn)具體有以下2點(diǎn)。第一，環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)大，區(qū)間結(jié)構(gòu)下穿既有地鐵4、9號(hào)線區(qū)間、首體南路、西直門外大三里河路等市政道路，此外還有南長河、首體鍋爐房、動(dòng)物園、鬯春堂、銀泰莊園、凱旋大廈地下過街通道等建（構(gòu)）筑物以及南長河、動(dòng)物園池塘等河湖。線路上方管線、溝涵眾多。施工中對(duì)地層沉降控制要求嚴(yán)格[1]。

第二，隧道線路沿途設(shè)置施工豎井困難，導(dǎo)致單頭掘進(jìn)里程較長，材料及渣土運(yùn)輸線路長，作業(yè)功效低。

1.4 暗挖臺(tái)車情況

為了提升暗挖施工法的施工效率、降低施工成本、控制施工安全風(fēng)險(xiǎn)，項(xiàng)目部聯(lián)合建設(shè)方及設(shè)備制造商聯(lián)合研制集挖、裝、銑、錨、噴等多功能集成的專用暗挖施工機(jī)械設(shè)備（暗挖臺(tái)車），并對(duì)新型支護(hù)體系和機(jī)械化暗挖施工工藝進(jìn)行研究。該暗挖臺(tái)車于2014年12月完成初步技術(shù)方案，2015年4月產(chǎn)品下線，2015年5月20 日進(jìn)場(chǎng)投入使用，并在使用過程中，不斷改造完善。

2 暗挖臺(tái)車功能

暗挖臺(tái)車設(shè)有左、右兩個(gè)工作臂，左臂具有挖掘、開邊槽、扒渣及輔助支護(hù)功能，右臂具有開挖上方土、銑槽、打設(shè)導(dǎo)管（通過快換錨桿鉆機(jī)實(shí)現(xiàn)）、輔助濕噴等功能，如圖3所示。

2.1 挖方

通過操縱右臂的上下與左右擺動(dòng)、大臂的伸縮和銑刨頭的旋轉(zhuǎn)等操作完成挖掘掌子面土方的功能。該作業(yè)在粘土、粉土及致密的砂卵石地層作業(yè)效率極高。泥巖及礫巖等地層作業(yè)效率較低。如圖4所示。

2.2 開槽

將銑刨頭調(diào)整到與小臂90°，銑刨頭能夠在已噴好的初支結(jié)構(gòu)前方伸入開挖槽內(nèi)。之后通過機(jī)械臂的上下與左右擺動(dòng)、大臂的伸縮變化等動(dòng)作實(shí)現(xiàn)開槽功能。大臂移動(dòng)過程中，通過自動(dòng)調(diào)平機(jī)構(gòu)使機(jī)械臂在移動(dòng)過程中，始終與銑刨頭處于90°狀態(tài)。該操作避免作業(yè)工人仰挖槽內(nèi)土方，且工效顯著。如圖5所示。

2.3 輔助支護(hù)

在左臂鏟斗斗背焊接固定鐵柱，使其在對(duì)格柵進(jìn)行托舉時(shí)，能夠卡住格柵縫隙，防止格柵滑脫，通過機(jī)械臂將格柵托舉到格柵安裝位置。該作業(yè)避免土方臺(tái)階在上下運(yùn)輸格柵時(shí)滑塌破損，影響掌子面穩(wěn)定。如圖6所示。

2.4 小導(dǎo)管打設(shè)

在粘土地層中，通過在機(jī)械臂前段安裝的小導(dǎo)管打設(shè)模塊，采用靜壓的方式或靜壓+沖擊的方式將小導(dǎo)管擠入地層中。在砂卵地層，小導(dǎo)管打設(shè)模塊采用靜壓+旋轉(zhuǎn)+氣沖+沖擊的方式將導(dǎo)管打入土層中。該作業(yè)速度快，節(jié)省大量人工，提高了作業(yè)效率。如圖7所示。

2.5 挖下臺(tái)階土方及修坡

通過左臂鏟斗直接進(jìn)行下臺(tái)階土方開挖。該土方距離臺(tái)車更近，鏟斗挖方效率較銑刨頭挖方效率更高。如圖8所示。

2.6 出渣

鏟斗配合刮板、輸料槽將土方由臺(tái)車前方太高輸送至臺(tái)車后方裝車運(yùn)出。如圖9所示。

2.7 噴射混凝土

機(jī)體右后方設(shè)有整合濕噴機(jī)，通過洞內(nèi)小型砂漿運(yùn)輸車供料，完成初支混凝土濕噴作業(yè)。該作業(yè)極大降低了作業(yè)揚(yáng)塵，改善了封閉空間的作業(yè)環(huán)境。如圖10所示。

3 暗挖臺(tái)車改進(jìn)與完善

暗挖臺(tái)車在作業(yè)過程中，部分功能存在缺陷及不適用現(xiàn)象。經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員及生產(chǎn)廠家溝通和研討，做出以下5點(diǎn)改進(jìn)。

第一，單根小導(dǎo)管打入動(dòng)作快，但臺(tái)車打設(shè)導(dǎo)管的定位系統(tǒng)不夠完善，機(jī)械操作員距離打設(shè)土層距離5～7 m，視線受大臂、小導(dǎo)管模塊等設(shè)備干擾，導(dǎo)致小導(dǎo)管定位時(shí)間較長，總體效率提升不明顯。針對(duì)右臂存在定位不準(zhǔn)確的問題，將右臂由原來的液控系統(tǒng)改為便攜電控操作系統(tǒng)（類似混凝土臂架泵車的操作系統(tǒng)），實(shí)現(xiàn)遙控操作，機(jī)械操作員可攜帶電控操作系統(tǒng)走進(jìn)掌子面，就近操作導(dǎo)管定位，提高工作效率。如圖11所示。

第二，各機(jī)械臂的油缸活塞桿暴露在外，受地層中的卵石、施工中的短節(jié)連接筋磕碰概率較高，導(dǎo)致油缸活塞桿劃傷，液壓管路損傷。針對(duì)活塞桿劃傷問題，在機(jī)械臂骨架上焊接一端固定的3 mm厚鋼板半包裹護(hù)甲，覆蓋活塞桿上方。該鋼板護(hù)甲通過彎折增加自身剛度，且與活塞桿位置相對(duì)固定，防止掉落的卵石砸傷活塞桿。液壓管路通過收束帶固定在機(jī)械臂下方進(jìn)行保護(hù)。

第三，臺(tái)車的渣土輸料槽采用刮板式傳輸方式，砂卵石底層中使用時(shí)，因卵石強(qiáng)度高，粒徑大小不一，部分卵石容易卡入刮板與基板之間，引發(fā)機(jī)械故障。針對(duì)卵石卡管板的情況，后期將刮板型輸料槽改為皮帶型輸料槽，輸料皮帶上每隔500 mm設(shè)置50 mm的橡膠隔槽，防止卵石滾落降低輸料效率。如圖12所示。

第四，臺(tái)車右臂前段實(shí)際為設(shè)備安裝平臺(tái)，根據(jù)右臂的作業(yè)內(nèi)容，更換相應(yīng)的銑刨頭或小導(dǎo)管打設(shè)模塊。施工過程中，模塊的安裝與拆卸較為不變，且耗時(shí)較長，作業(yè)不連貫。針對(duì)模塊更換慢的問題，改進(jìn)模塊固定方式，通過一側(cè)半圓形的開口套入固定柱，另一側(cè)為液壓自動(dòng)銷深入固定孔進(jìn)行安裝。該固定方式可操作機(jī)械自行完成，不用人員輔助，且速度快、效率高。如圖13所示。

第五，配套濕噴機(jī)在實(shí)際施工過程中，應(yīng)用效果不佳。淺埋暗挖隧道要求短開挖，快封閉，開挖步距一般為500～750 mm之間，架設(shè)格柵后應(yīng)立即噴射混凝土。施工中每班噴射混凝土約4次，每次噴射混凝土僅1.5 m3左右[2]。且砂漿運(yùn)輸線路長，受交通影響，商品砂漿供應(yīng)時(shí)間不易掌控。設(shè)備作業(yè)完成后需大量清水清洗管路，暗挖作業(yè)對(duì)明水管理嚴(yán)格，為保證開挖安全，沖洗管路的大量廢水的收集及處理花費(fèi)了大量時(shí)間及人力。針對(duì)以上情況，將臺(tái)車取消集成混凝土濕噴系統(tǒng)，改為帶廢氣凈化的單獨(dú)預(yù)拌料潮噴工藝，進(jìn)行混凝土噴射作業(yè)。

4 結(jié)語

暗挖臺(tái)車在地鐵施工領(lǐng)域的應(yīng)用，不僅減少了掌子面作業(yè)人員，降低了群死群傷的重大、特別重大事故發(fā)生概率，還能提高卵石地層的超前小導(dǎo)管施工質(zhì)量，降低施工風(fēng)險(xiǎn)，提高安全性[3]。采用電力替代燃油動(dòng)力，消除內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)生的洞內(nèi)污染，降低污染排放。同時(shí)，通過對(duì)暗挖臺(tái)車的改進(jìn)，改善了機(jī)械化暗挖作業(yè)的適用性，提高城市地鐵暗挖施工的機(jī)械化程度。

參考文獻(xiàn)

[1] 王夢(mèng)恕.地下工程淺埋暗挖技術(shù)通論[M].安徽：安徽教育出版社，2004：10-15.

[2] 王夢(mèng)恕.中國隧道及地下工程修建技術(shù)[M].北京：人民交通出版社，2010：105-111.

[3] GB50299-1999 地下鐵道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，1999.