浅埋暗挖法土质隧道中暗挖台车的适用性分析

靳文源

(太原国省道汾河水库段建设管理有限公司，山西 太原 030006)

1 工程概况

隧道工程位于我国西北地区，为分离式设计，上行线起讫桩号SK250+845～SK251+707，线路长862 m，下行线起讫桩号XK250+796～XK251+671，线路长885 m。结合地勘报告，隧址区域所揭露的地质由上至下依次为一般新黄土、饱和黄土及泥岩，其中饱和新黄土质均且稳定，主要位于隧道进口端；饱和黄土软塑且不均匀，主要分布在隧道出口端，隧道洞身主要分布泥岩。该隧道于2019年11月开始施工，上行线主要从进口端开始单口掘进，采用上下导坑留核心土施工工艺，由于上行线围岩稳定性良好，故2020年4月即顺利贯通。下行线拟通过TWZ260型暗挖台车开挖，考虑到该施工机械属于工程所在地区土质隧道开挖中的首次应用，必须加强机械适用性分析及性能优化改进探讨。

2 暗挖台车施工

2.1 施工人员及设备配置

结合该浅埋暗挖土质隧道左右线掌子面情况进行施工设备和人员配备，具体而言，左线标准段台阶法开挖采用1台TWZ260型暗挖台车，配备司机和辅工各1名；右线标准段台阶法开挖使用1台PC60型挖掘机，配备司机1名、开挖工6名。左线φ42 mm×3.5 m小导管施工主要采用1台TWZ260型暗挖台车和1台KBY50型注浆机，配备司机1名、注浆工2名；右线小导管施工采用1台YT28风钻和1台KBY50型注浆机，配备钻工和注浆工各2名。

通过以上施工设备及人员的配备可以看出，开挖及小导管施工工序中暗挖台车的使用可使施工人员的配质量明显减少，其余工序则无明显差异。

2.2 施工工效

左线小里程标准断面TWZ260型暗挖台车开挖初支循环时间均值和最小值分别为335 min和290 min，右线小里程PC60型挖掘机开挖初支循环时间均值和最小值分别为430 min和345 min。通过比较作业时间可以看出，暗挖台车开挖作业时间比挖掘机开挖短，在不考虑其他因素的情况下，暗挖台车开挖进度理论上可以达到4循环/d，也就是开挖初支日进尺3 m、月进尺90 m，比挖掘机2.25 m的日开挖进尺和67.5 m的月进尺工效高。

此外，传统暗挖施工过程以人工开挖为主，作业人员劳动强度大，安全风险高。使用暗挖台车施工后作业人员配备量大大减少，且人员均远离掌子面，降低劳动强度的同时，施工安全性明显提升。

2.3 能源消耗统计

统计该浅埋土质隧道左右线小里程施工掘进及能耗情况，具体如表1所示，表中电力和柴油CO2排放系数分别取0.75 kg/(kW·h)和2.7 t/t，柴油CO2排放按照1 192 L/t标准进行折算；工程所在地工程用电单价为0.85元/(kW·h)，柴油单价5元/L。根据表中结果的对比可以看出，暗挖台车使用电力能源的情况下，平均能耗为1.70元·m-3，比挖掘机施工2.49元·m-3的能耗降低34.12%；使用TWZ260型暗挖台车提升施工全过程机械化后，CO2排放量增加。

2.4 隧道初支

土质隧道施工期间围岩及初支变形是由水文地质、开挖施工工艺、断面形式、围岩强弱及支护时机等多种原因造成的，一般情况下，若采用人工开挖施工方式，能最大限度减轻对围岩及初支结构的扰动。

表1 左右线小里程开挖施工能耗统计

应用暗挖台车开挖掌子面必然会对围岩及初支结构造成较大扰动，这也是暗挖台车机械开挖施工控制的重难点所在[1]。根据对该土质隧道左线小里程TWZ260型暗挖台车开挖及右侧小里程PC60型挖掘机结合人工开挖下地表沉降、初支拱顶沉降的监测结果可以看出，左线TWZ260型暗挖台车开挖和右线PC60型挖掘机结合人工开挖在地表沉降和初支拱顶沉降速率、累计沉降速率等方面的监测值并无较大差异。造成这种现象的原因主要在于该土质隧道工程所在区域水文地质条件良好，隧道横穿老黄土层和古土壤，基底恰好在老黄土层之上，土质均匀，基底承载力均值在270 kPa左右。此外，隧道施工区域地下水位在隧道底板以下18～22 m左右，可实现无水作业。开挖过程中土体具有较好的自稳能力，开挖期间围岩及初支结构变形不大。左右线地表沉降时态曲线具体见图1。

图1 左右线地表沉降时态曲线(2020年)

2.5 作业环境监测

隧道属于相对密闭的施工环境，掘进开挖过程中施工机械燃油尾气及开挖粉尘均溶入空气中，产生过高的有害气体体积分数[2]，影响施工人员身心健康。TWZ260型双臂暗挖台车作业过程中以电能为主要能源，几乎不排放油烟废气，检测结果显示，左线小里程TWZ260型暗挖台车作业期间隧道内CO和NOx质量浓度均为0.001 mg/m3，CO2体积分数0.05%，氧气体积分数20.5%，气温25 ℃，噪声55dB；而右线小里程挖掘机开挖期间CO和NOx质量浓度分别为22 mg/m3和3.5 mg/m3，CO2体积分数0.45%，氧气体积分数18.5%，气温35 ℃，噪声75 dB。通过比较看出，双臂暗挖台车在土质隧道开挖中的应用，能显著改善隧道内作业环境。

3 暗挖台车的适用性及改进思路

3.1 暗挖台车的适用性

从水文地质、断面形式及工法、吊装下井及巷道直角转弯等方面对暗挖台车在浅埋暗挖土质隧道施工中的适用性展开分析。

基于暗挖台车铣刨头及出渣系统的设计，其主要适用于将地下水位降至开挖面以下的无水作业。通过改进左臂挖掘臂力学性能及右臂铣刨头设计，可使暗挖台车普遍适用于粘土、风化岩、砂卵砾石、黄土等软土地层，但是该土质隧道土体硬度最大达到6 MPa，暗挖台车锥形齿铣刨头和扁平齿铣刨最大铣削硬度分别为6 MPa和4 MPa，勉强能达到土体最大硬度开挖要求。

暗挖台车因体型较大，行走系统主要为履带式设计，仅适合单个掌子面使用，无法满足掌子面频繁变更方面的要求。同时，适用于上下台阶长度均在1.5～3.5 m范围内的短台阶及全断面开挖掘进；台阶法环向开挖过程中应加强核心土控制，结合类似工程施工经验及暗挖台车尺寸设计，对于6.0 m×6.0 m开挖断面，其上台阶核心土尺寸应按照长1.5～3.5 m、宽2.5～3.5 m、高1.5～2.0 m控制。

不同型号的暗挖台车在吊装下井及巷道直角转弯过程中具有不同的净空要求，该隧道所用TWZ260型暗挖台车整体长5 m、宽2.3 m、高2.2 m，总质量18.5 t，吊装过程中所要求的竖井净空尺寸至少为4.5 m×5.0 m。对于净空较小而暗挖台车无法下井的情况，必须借助专用的吊装工具将暗挖台车以45°角倾斜吊装，下井后水平放置。此外，TWZ260型暗挖台车在横通道中直角转弯时要求通道长和宽均不能小于5 m。吊装下井及直角转弯所要求的尺寸是暗挖台车顺利进场的关键，必须在场地布置、通道设计时重点考虑[3]。

3.2 暗挖台车的改进

结合该浅埋土质隧道暗挖台车的应用实践，出于黄土地层特殊的物理力学性质考虑，对暗挖台车作如下方面的改进。

暗挖台车原采用刮板式出渣系统，由于黄土具备较强的软黏性特征，很容易造成链条和夹板间缝隙的堵塞，进而卡死出渣系统。经过数次改进及试验后将原刮板式出渣系统调整为皮带式出渣系统，能有效解决软黏性黄土堵塞出渣系统的问题。

暗挖台车左臂挖掘臂存在圆弧形和平板形等型式，受铲斗连接的液压油缸和链杆角度是影响挖掘臂挖掘力的主要因素，且圆弧形和平板形两种型式挖掘臂铲斗设计强度均满足最大挖掘力方面的要求。为此，只需要从断面形式和挖掘效率方面进行挖掘臂型式的选择。圆弧形挖掘臂铲斗挖掘及收渣工效高，对于圆弧形仰拱及边墙开挖断面较为适用。平板型挖掘臂铲斗挖掘、收渣效率都不及圆弧形铲斗，适用于平直形仰拱和边墙断面的开挖。

暗挖台车右臂原采用锥形齿铣刨头设计，在开挖过程中，渣土经铣刨后呈松散粉末状，不利于出土效率的提升。为此，可将其右臂调整为以切削为主的扁平状齿铣刨头型式，将土体切削成条块状，便于铣刨效率和出土效率的提升[4]。两种铣刨头型式适用的土层也有差异，锥形齿铣刨头和扁平状齿铣刨头最大铣削硬度分别为6 MPa和4 MPa，必须结合土层地质合理选用。

4 结 论

综上所述，暗挖台车属于隧道工程浅埋暗挖法机械化施工的开拓性产品，在施工机械化、安全性、开挖工效、作业环境改善等方面均具有显著优势。但是暗挖台车自身仍存在很大的改进空间，如机械化暗挖对隧道围岩及初支变形的影响，富水地层及双侧壁导坑法、CRD法、CD法开挖的可行性等。此外，暗挖台车因机械长度大，司机与掌子面距离较远，无法直观观察和控制掌子面铣刨及超欠挖情况，可考虑为该机械配备遥控器，由操作人员直接在掌子面展开操作，或在工作大臂和驾驶室分别配置摄像头和显示屏，便于精准控制。