論暗挖臺車在地鐵施工中的應用與改進

馬莉

摘 要：在地鐵施工中應用暗挖臺車能夠提高城市地鐵暗挖施工的機械化程度，在降低勞動力需求量的同時提高作業環境質量，增加作業崗位技術含量，適應社會發展趨勢，有效降低勞動力短缺對地鐵施工行業的影響。在國家大力發展基礎設施建設的背景下，暗挖臺車能夠助力城市軌道交通淺埋暗挖法新發展。改進與完善新型設備的研發應用，需不斷增強設備適用性與穩定性，降低使用成本，提高工作效率。

關鍵詞：暗挖；設備；應用；改進

中圖分類號：U455 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：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，可建設城市軌道交通的城市范圍不斷擴大。目前全國已有40個城市獲批建設地鐵項目，全國地鐵總里程突破6 000 km。與此同時，地鐵施工也面臨著老齡化、人工成本不斷上漲。安全事故問責力度加重、施工進度和質量要求不斷提高。環境保護和以人為本意識不斷加強等社會環境變化，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，隨著中國地鐵已進入大規模建設階段，暗挖施工對于設備的需求越來越大。目前暗挖施工設備尚處于摸索階段，隨著暗挖施工機械的成熟，高效能、高可靠性、輕量化、智能化的暗挖施工設備將成為行業發展的趨勢和方向。

1.2 工程概況

北京地鐵十六號線國家圖書館站至二里溝站區間起始于國家圖書館站，線路向東在中關村大街下穿既有地鐵4、9號線區間，而后轉向南，下穿首都體育館、動物園，二次下穿既有地鐵4號線區間，沿三里河路向南至二里溝站，如圖1所示。區間全長1 352 m。區間大部分采用暗挖機械臺車施工，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

工程特點具體有以下2點。第一，環境風險大，區間結構下穿既有地鐵4、9號線區間、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、動物園、鬯春堂、銀泰莊園、凱旋大廈地下過街通道等建（構）筑物以及南長河、動物園池塘等河湖。線路上方管線、溝涵眾多。施工中對地層沉降控制要求嚴格[1]。

第二，隧道線路沿途設置施工豎井困難，導致單頭掘進里程較長，材料及渣土運輸線路長，作業功效低。

1.4 暗挖臺車情況

為了提升暗挖施工法的施工效率、降低施工成本、控制施工安全風險，項目部聯合建設方及設備制造商聯合研制集挖、裝、銑、錨、噴等多功能集成的專用暗挖施工機械設備（暗挖臺車），并對新型支護體系和機械化暗挖施工工藝進行研究。該暗挖臺車于2014年12月完成初步技術方案，2015年4月產品下線，2015年5月20 日進場投入使用，并在使用過程中，不斷改造完善。

2 暗挖臺車功能

暗挖臺車設有左、右兩個工作臂，左臂具有挖掘、開邊槽、扒渣及輔助支護功能，右臂具有開挖上方土、銑槽、打設導管（通過快換錨桿鉆機實現）、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、大臂的伸縮和銑刨頭的旋轉等操作完成挖掘掌子面土方的功能。該作業在粘土、粉土及致密的砂卵石地層作業效率極高。泥巖及礫巖等地層作業效率較低。如圖4所示。

2.2 開槽

將銑刨頭調整到與小臂90°，銑刨頭能夠在已噴好的初支結構前方伸入開挖槽內。之后通過機械臂的上下與左右擺動、大臂的伸縮變化等動作實現開槽功能。大臂移動過程中，通過自動調平機構使機械臂在移動過程中，始終與銑刨頭處于90°狀態。該操作避免作業工人仰挖槽內土方，且工效顯著。如圖5所示。

2.3 輔助支護

在左臂鏟斗斗背焊接固定鐵柱，使其在對格柵進行托舉時，能夠卡住格柵縫隙，防止格柵滑脫，通過機械臂將格柵托舉到格柵安裝位置。該作業避免土方臺階在上下運輸格柵時滑塌破損，影響掌子面穩定。如圖6所示。

2.4 小導管打設

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

2.5 挖下臺階土方及修坡

通過左臂鏟斗直接進行下臺階土方開挖。該土方距離臺車更近，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、輸料槽將土方由臺車前方太高輸送至臺車后方裝車運出。如圖9所示。

2.7 噴射混凝土

機體右后方設有整合濕噴機，通過洞內小型砂漿運輸車供料，完成初支混凝土濕噴作業。該作業極大降低了作業揚塵，改善了封閉空間的作業環境。如圖10所示。

3 暗挖臺車改進與完善

暗挖臺車在作業過程中，部分功能存在缺陷及不適用現象。經過現場技術人員及生產廠家溝通和研討，做出以下5點改進。

第一，單根小導管打入動作快，但臺車打設導管的定位系統不夠完善，機械操作員距離打設土層距離5～7 m，視線受大臂、小導管模塊等設備干擾，導致小導管定位時間較長，總體效率提升不明顯。針對右臂存在定位不準確的問題，將右臂由原來的液控系統改為便攜電控操作系統（類似混凝土臂架泵車的操作系統），實現遙控操作，機械操作員可攜帶電控操作系統走進掌子面，就近操作導管定位，提高工作效率。如圖11所示。

第二，各機械臂的油缸活塞桿暴露在外，受地層中的卵石、施工中的短節連接筋磕碰概率較高，導致油缸活塞桿劃傷，液壓管路損傷。針對活塞桿劃傷問題，在機械臂骨架上焊接一端固定的3 mm厚鋼板半包裹護甲，覆蓋活塞桿上方。該鋼板護甲通過彎折增加自身剛度，且與活塞桿位置相對固定，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械臂下方進行保護。

第三，臺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，因卵石強度高，粒徑大小不一，部分卵石容易卡入刮板與基板之間，引發機械故障。針對卵石卡管板的情況，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，臺車右臂前段實際為設備安裝平臺，根據右臂的作業內容，更換相應的銑刨頭或小導管打設模塊。施工過程中，模塊的安裝與拆卸較為不變，且耗時較長，作業不連貫。針對模塊更換慢的問題，改進模塊固定方式，通過一側半圓形的開口套入固定柱，另一側為液壓自動銷深入固定孔進行安裝。該固定方式可操作機械自行完成，不用人員輔助，且速度快、效率高。如圖13所示。

第五，配套濕噴機在實際施工過程中，應用效果不佳。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，架設格柵后應立即噴射混凝土。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]。且砂漿運輸線路長，受交通影響，商品砂漿供應時間不易掌控。設備作業完成后需大量清水清洗管路，暗挖作業對明水管理嚴格，為保證開挖安全，沖洗管路的大量廢水的收集及處理花費了大量時間及人力。針對以上情況，將臺車取消集成混凝土濕噴系統，改為帶廢氣凈化的單獨預拌料潮噴工藝，進行混凝土噴射作業。

4 結語

暗挖臺車在地鐵施工領域的應用，不僅減少了掌子面作業人員，降低了群死群傷的重大、特別重大事故發生概率，還能提高卵石地層的超前小導管施工質量，降低施工風險，提高安全性[3]。采用電力替代燃油動力，消除內燃機產生的洞內污染，降低污染排放。同時，通過對暗挖臺車的改進，改善了機械化暗挖作業的適用性，提高城市地鐵暗挖施工的機械化程度。

參考文獻

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

[2] 王夢恕.中國隧道及地下工程修建技術[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收規范[S].北京：中國建筑工業出版社，1999.