寧孟新，張宏剛

（中鐵一局集團(tuán)城市軌道交通工程有限公司，陜西 西安710000）

目前國(guó)內(nèi)城市地鐵建設(shè)快速發(fā)展，在地鐵隧道大斷面暗挖施工中，挖掘機(jī)器人和微型挖掘機(jī)協(xié)助進(jìn)行隧道開(kāi)挖工序施工必不可少。本文依托西安地鐵四號(hào)線TJSG-11標(biāo)火車站暗挖隧道項(xiàng)目，通過(guò)應(yīng)用實(shí)踐開(kāi)展了機(jī)器人在地鐵隧道大斷面施工中應(yīng)用研究。

1 工程背景

西安火車站作為西安地鐵四號(hào)線TJSG-11標(biāo)重點(diǎn)控制性工程，隧道與站場(chǎng)斜交設(shè)計(jì)。車站施工按照先施工隧道，緊后施工車站的分離島式車站型式，平面示意圖如圖1所示。

圖1 火車站車站平面示意圖

火車站暗挖隧道斜交車站212 m，受營(yíng)業(yè)線行車約束，施工過(guò)程中對(duì)施工沉降控制標(biāo)準(zhǔn)要求苛刻。由于受征地拆遷影響，進(jìn)場(chǎng)滯后18個(gè)月。原施工安排開(kāi)挖及支護(hù)方案，上部導(dǎo)坑采用人工進(jìn)行開(kāi)挖，下部導(dǎo)坑采用人工配合機(jī)械方式進(jìn)行開(kāi)挖，根據(jù)四號(hào)線后續(xù)施工工期要求，初支應(yīng)加快施工進(jìn)度，在每條隧道增加1臺(tái)布洛克開(kāi)挖機(jī)器人和一臺(tái)沃爾沃EC18D微型挖掘機(jī)協(xié)助進(jìn)行隧道開(kāi)挖工序施工，2種機(jī)械主要在上部導(dǎo)坑進(jìn)行開(kāi)挖，車站斷面開(kāi)挖示意圖如圖2所示。

圖2 火車站斷面開(kāi)挖示意圖（單位：mm）

2 臨時(shí)仰拱承載自動(dòng)挖掘機(jī)器人安全穩(wěn)定性分析

火車站暗挖項(xiàng)目受拆遷影響工期嚴(yán)重滯后，為保證工期隧道暗挖引進(jìn)智能掘進(jìn)機(jī)器人來(lái)提高施工進(jìn)度，同時(shí)也帶來(lái)了新的問(wèn)題，隧道原開(kāi)挖采用CRD工法，上導(dǎo)坑采用人工開(kāi)挖，隧道臨時(shí)仰拱最初設(shè)計(jì)雖預(yù)留多余荷載，現(xiàn)擬引入智能機(jī)器人施工，考慮荷載增加，隧道臨時(shí)仰拱的承載力及穩(wěn)定性需要重新進(jìn)行分析。

2.1 計(jì)算工況設(shè)計(jì)

隧道施工引入智能機(jī)器人，臨時(shí)仰拱能否承受智能機(jī)器人自重、施工過(guò)程中產(chǎn)生的振動(dòng)荷載及開(kāi)挖土方自重的影響。根據(jù)引進(jìn)機(jī)器人整機(jī)質(zhì)量2.8 t，取峰值荷載4 t進(jìn)行臨時(shí)仰拱校核，并將安全儲(chǔ)備提高到1.43。主要從2方面進(jìn)行計(jì)算：①用結(jié)構(gòu)大師進(jìn)行平面二維內(nèi)力求解；②用有限差分?jǐn)?shù)值軟件flac3d進(jìn)行空間求解，進(jìn)行三維有限差分?jǐn)?shù)值分析。

2.2 結(jié)構(gòu)大師二維計(jì)算分析

2.2.1 臨時(shí)仰拱內(nèi)力分析

按照機(jī)器人不同質(zhì)量，應(yīng)用結(jié)構(gòu)大師對(duì)本工程臨時(shí)仰拱的彎矩及剪力進(jìn)行求解，在不同跨度工況下，計(jì)算仰拱中間部位彎矩最大值和仰拱接頭及跨中剪力最大值，如圖3～圖5所示。

圖3 仰拱接頭處彎矩最大值

圖4 仰拱跨中彎矩最大值

圖5 不同荷載、不同跨度的仰拱接頭及跨中剪力最大值

通過(guò)對(duì)跨中及接頭最大彎矩、剪力計(jì)算得出結(jié)論：增大機(jī)器人質(zhì)量，臨時(shí)仰拱跨中彎矩、剪力也逐漸增大，質(zhì)量與彎矩、剪力呈線性不斷增加；當(dāng)機(jī)器人荷載增大到4 t的最不利條件時(shí)，安全儲(chǔ)備仍大于容許安全系數(shù)1.0，故判斷臨時(shí)仰拱安全。

2.2.2 臨時(shí)支撐螺栓強(qiáng)度分析

隧道開(kāi)挖臨時(shí)仰拱連接接頭采取標(biāo)準(zhǔn)件高強(qiáng)螺栓，根據(jù)施工設(shè)計(jì)要求，高強(qiáng)度螺栓直徑采用22 mm，螺桿有效直徑為22-2.5=19.5 mm。

設(shè)計(jì)剪力值：Fs=1 193.98×250=298.496 kN＞29.19 kN。

安全系數(shù)：ω=298.496/29.19=10.23。

計(jì)算可得，在機(jī)器人質(zhì)量為4 t的工況下，當(dāng)剪力值達(dá)到29.19 kN時(shí)，螺栓接頭仍具有較大的安全儲(chǔ)備，能滿足使用的安全要求。

2.3 三維有限差分?jǐn)?shù)值分析

隧道在進(jìn)行CRD法施工時(shí)，每次有效開(kāi)挖深度完成后，要及時(shí)進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)和初次襯砌施工，臨時(shí)支護(hù)和初次襯砌處已經(jīng)存在應(yīng)力，如果按照施工順序機(jī)器人開(kāi)挖時(shí)，支護(hù)就存在的一個(gè)初始應(yīng)力狀態(tài)[1]，其“初始狀態(tài)”的內(nèi)力可能直接導(dǎo)致襯砌和臨時(shí)中隔撐破壞。因此，需要通過(guò)三維有限差分?jǐn)?shù)值分析臨時(shí)仰拱的受力[2]。

利用flac3d軟件建立有限差分?jǐn)?shù)值模型[2-3]，本項(xiàng)目左線、右線距離較遠(yuǎn)，不考慮施工互相影響，模型節(jié)點(diǎn)22 906個(gè)，水平單元21 450個(gè)，尺寸長(zhǎng)、寬、高是170 m、50 m、85 mm，模型頂面自由面，其余各面取法向約束，數(shù)值模型如圖6所示，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和地勘報(bào)告取值相關(guān)計(jì)算參數(shù)如表1所示。三維有限差分?jǐn)?shù)值模擬在前述最不利工況6 m跨長(zhǎng)的基礎(chǔ)上增大荷載到6 t，采用6 t作為最大載荷進(jìn)行加載模擬。

圖6 利用flac3d數(shù)值模型圖

表1 地勘報(bào)告計(jì)算參數(shù)

2.3.1 模型監(jiān)測(cè)布點(diǎn)布置

數(shù)值模型中取多個(gè)襯砌應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)，針對(duì)水平位移和豎向位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)，模型取監(jiān)測(cè)應(yīng)力方向及監(jiān)測(cè)點(diǎn)如圖7所示。

圖7 數(shù)值模型模型位移及應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置

2.3.2 襯砌和臨時(shí)支護(hù)變形分析

2.3.2.1 襯砌、臨時(shí)支撐變形趨勢(shì)分析

數(shù)值計(jì)算模型中，監(jiān)測(cè)13點(diǎn)的豎向位移情況，如圖8所示，監(jiān)測(cè)點(diǎn)豎向位移隨著荷載的增大逐漸增大，變化值始終在±1 mm左右，因此判斷荷載對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)豎向位移影響不大。21～26測(cè)點(diǎn)豎向變形如圖9所示。

圖8 13測(cè)點(diǎn)豎向位移圖

圖9 21～26測(cè)點(diǎn)豎向變形圖

如圖9所示，通過(guò)分析21～26監(jiān)測(cè)點(diǎn)得出：當(dāng)襯砌和臨時(shí)支護(hù)所受荷載增大時(shí)，右側(cè)臨時(shí)仰拱變形不明顯，當(dāng)荷載達(dá)到6 t時(shí)，右側(cè)拱頂?shù)膿隙仍黾?.2 mm，據(jù)此判定臨時(shí)仰拱滿足施工要求。如圖10、圖11所示，對(duì)應(yīng)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)分別是31～33、34～38，通過(guò)水平、豎向變形曲線可知，未加載時(shí)位移變化很小，加載后的位移與未加載位移抵消以后，水平位移曲線32點(diǎn)處變形最大，34～38點(diǎn)處豎向位移變化也很大，均處于波動(dòng)狀態(tài)，但是兩者變形幅度均為超過(guò)0.08 mm，表明6 t荷載作為最不利計(jì)算荷載時(shí)，初期支護(hù)和臨時(shí)中隔支撐在水平和豎直方向均不產(chǎn)生影響。

圖10 31～33測(cè)點(diǎn)水平位移變化曲線

圖11 34～38測(cè)點(diǎn)豎向變形曲線

2.3.2.2 襯砌、臨時(shí)支撐變形分析

為了方便觀察開(kāi)挖機(jī)器人荷載變化對(duì)臨時(shí)仰拱的變形效果，將襯砌和臨時(shí)支護(hù)在施工期間已經(jīng)產(chǎn)生的部分位移清零，不同荷載對(duì)初支和臨時(shí)支護(hù)水平（X向）位移在不同荷載下，僅在荷載施加部位產(chǎn)生較大的沉降變形，而其余各部的豎向位移曲線幾乎不發(fā)生水平位移，變形較小。

2.3.3 襯砌和臨時(shí)支護(hù)應(yīng)力分析

2.3.3.1 襯砌、臨時(shí)支撐應(yīng)力發(fā)展趨勢(shì)分析

單元的應(yīng)力基數(shù)較大，只對(duì)加載后水平和豎向應(yīng)力變化增量進(jìn)行分析。如圖12、圖13所示，臨時(shí)支撐豎向應(yīng)力變化不大，反而水平應(yīng)力呈線性增加趨勢(shì)，由圖得知單元水平應(yīng)力增加最大值為僅6.78 kPa，臨時(shí)支撐應(yīng)力變化滿足安全要求。

圖12 水平應(yīng)力變化值

圖13 豎向應(yīng)力變化值

2.3.3.2 襯砌、臨時(shí)支撐豎向及大主應(yīng)力分析

從襯砌單元的豎向應(yīng)力分布情況可知，豎向應(yīng)力最大集中在臨時(shí)中隔撐下部，而從大主應(yīng)力圖可知支護(hù)體系大主應(yīng)力的最大值主要集中在中隔撐下部和臨時(shí)仰拱右部與初襯相連處，隨著智能機(jī)器人質(zhì)量的增加，出現(xiàn)波動(dòng)，但是并不改變位置，所以在施工過(guò)程中應(yīng)該尤其注意觀察者兩個(gè)位置，防止出現(xiàn)破壞。

2.3.4 臨時(shí)中隔撐開(kāi)洞安全性分析

原隧道施工設(shè)計(jì)采用CRD工法[4]，隧道上部開(kāi)挖以中隔墻為界形成2個(gè)開(kāi)挖坑道，后期引進(jìn)機(jī)器人施工，為了提高開(kāi)挖機(jī)器人施工效率，上部?jī)蓚€(gè)開(kāi)挖坑道中間做橫向連通通道，使開(kāi)挖機(jī)器人有了足夠的空間作業(yè)面，有效提高了開(kāi)挖機(jī)器人在坑道中作業(yè)效率，同時(shí)提高了坑道的利用率，滿足趕工期的施工要求。

為提高機(jī)器人作業(yè)效率在中隔壁開(kāi)挖臨時(shí)通道，臨時(shí)支護(hù)的完整性會(huì)受到影響，對(duì)承載能力進(jìn)行分析，取最不利6 t荷載、6 t+開(kāi)臨時(shí)通道+鋼架支護(hù)和6 t+開(kāi)臨時(shí)通道3種工況進(jìn)行分析研究，承載作用點(diǎn)在臨時(shí)通道旁邊；其中以6 t+開(kāi)臨時(shí)通道+鋼架支護(hù)采用殼型結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行模擬，如圖14所示。

圖14 臨時(shí)通道豎向位移對(duì)比云圖

通過(guò)豎向?qū)Ρ仍茍D分析：隧道上部中隔壁支撐中間設(shè)置橫向通道后，在6 t荷載工況下中隔撐最大豎向位移發(fā)生略有增大，但對(duì)臨時(shí)支撐的穩(wěn)定性不會(huì)造成影響，因此增設(shè)橫向聯(lián)絡(luò)通道后臨時(shí)隔撐有足夠的強(qiáng)度和剛度滿足施工要求。

為了進(jìn)一步研究中隔墻受力的穩(wěn)定性和拆除以后對(duì)隧道的影響，通過(guò)對(duì)不同測(cè)點(diǎn)在拆除中隔壁前后豎向應(yīng)力變化情況進(jìn)行分析，取測(cè)點(diǎn)23、49和50的豎向應(yīng)力變化情況如圖15、圖16所示，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出結(jié)論：拆除部分中隔撐后，豎向位移發(fā)生微小變化。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，按施工要求拆除部分臨時(shí)中隔支撐后，考慮其穩(wěn)定性和安全性對(duì)該測(cè)點(diǎn)前后10 m范圍內(nèi)各測(cè)點(diǎn)進(jìn)行應(yīng)力監(jiān)測(cè)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力有所變化，但距離監(jiān)測(cè)點(diǎn)6 m范圍影響幾乎減少到零。因此拆除部分的中隔支撐做臨時(shí)通道對(duì)于隧道的整體變形在安全范圍內(nèi)，為保證施工安全，在挖出的中隔撐頂部要作工字鋼橫梁，確保隧道整體處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)。

圖15 23測(cè)點(diǎn)豎向沉降值

圖16 49、50測(cè)點(diǎn)豎向應(yīng)力值

3 開(kāi)挖機(jī)器人在CRD法隧道施工組織安排

3.1 初期支護(hù)施工工藝

上導(dǎo)坑施工：機(jī)器人1部掘進(jìn)→微型挖掘機(jī)土方裝車（人工開(kāi)挖輪廓修鑿）→電動(dòng)三輪車土方運(yùn)輸→下臺(tái)階溜土口裝車→電動(dòng)三輪車二次倒運(yùn)至豎井渣土坑→初支施工。

下導(dǎo)坑施工：挖掘機(jī)2部開(kāi)挖（土方裝運(yùn)）→1部溜土口及2部開(kāi)挖土方外運(yùn)→人工開(kāi)挖輪廓修鑿→初期支護(hù)。

3.2 施工組織[5]

依據(jù)火車站站一期暗挖工程設(shè)計(jì)安全步距要求，CRD工法暗挖隧道施工上臺(tái)階左、右側(cè)開(kāi)挖面錯(cuò)開(kāi)步距10～15 m，同側(cè)上、下臺(tái)階開(kāi)挖面相互錯(cuò)開(kāi)步距5 m，上臺(tái)階預(yù)留核心土長(zhǎng)度1.5 m。在確保安全、質(zhì)量的前提下，合理組織現(xiàn)場(chǎng)施工生產(chǎn)，采取措施為：①隧道左、右線分別投入1臺(tái)布洛克機(jī)器人和1臺(tái)沃爾沃EC18D微型挖掘機(jī)進(jìn)行土方開(kāi)挖并裝車，電動(dòng)三輪車負(fù)責(zé)土方運(yùn)輸，開(kāi)挖輪廓由人工進(jìn)行修邊。②上導(dǎo)坑左、右側(cè)臨時(shí)橫撐距掌子面10 m設(shè)置一處溜土口，溜土口位置臨時(shí)初期支護(hù)體系施工按照設(shè)計(jì)執(zhí)行，后期通過(guò)破除臨時(shí)仰拱噴射混凝土、拆除臨時(shí)仰拱鋼架并對(duì)拆除鋼架端頭進(jìn)行加固的方式來(lái)完成溜土口的施工，溜土口拆除鋼架端頭縱梁采用I22a型鋼與的臨時(shí)仰拱鋼架焊接。溜土口縱向錯(cuò)開(kāi)距離15 m。上導(dǎo)坑掌子面開(kāi)挖土方采用EC18D微型挖掘機(jī)裝車后運(yùn)至溜土口位置卸料至下導(dǎo)坑后進(jìn)行二次倒運(yùn)，運(yùn)輸方式及溜土口。③上部導(dǎo)坑臨時(shí)中隔壁間隔距掌子面10 m設(shè)置1個(gè)臨時(shí)通道，后續(xù)施工間隔10 m預(yù)留1個(gè)臨時(shí)通道。通道寬度2 m，高度2.5 m，通道橫梁采用栓接，八字撐采用I22a工字鋼加工焊接，為機(jī)器人及挖掘機(jī)提供行走通道，中隔壁預(yù)留臨時(shí)通道。

3.3 監(jiān)控量測(cè)

監(jiān)控量測(cè)除按照《火車站站一期暗挖隧道左線大斷面開(kāi)挖及支護(hù)試驗(yàn)施工方案》要求的洞內(nèi)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目以外，在臨時(shí)仰拱增設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。暗挖隧道內(nèi)監(jiān)測(cè)施工，在隧道內(nèi)按5 m布設(shè)一個(gè)斷面，每個(gè)斷面臨時(shí)仰拱下方布設(shè)沉降點(diǎn)2個(gè)。

隧道內(nèi)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目具體如表2所示。

表2 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)項(xiàng)目統(tǒng)計(jì)表

隧道內(nèi)監(jiān)測(cè)頻率與周期，外觀監(jiān)測(cè)4次/d，初期支護(hù)結(jié)構(gòu)拱頂沉降、初期支護(hù)結(jié)構(gòu)凈空收斂、臨時(shí)仰拱每天1次，監(jiān)測(cè)周期為開(kāi)挖施工期。臨時(shí)仰拱監(jiān)測(cè)允許沉降及對(duì)應(yīng)措施，累計(jì)小于30 mm，且小于3 mm/d時(shí)，臨時(shí)仰拱鋼架兩端頭增加I22a斜撐。

4 結(jié)語(yǔ)

本文針開(kāi)挖機(jī)器人在地鐵隧道大斷面開(kāi)挖中的應(yīng)用進(jìn)行研究。通過(guò)計(jì)算分析，隧道施工引進(jìn)開(kāi)挖機(jī)械人優(yōu)化施工方案合理可行，臨時(shí)支撐及連接螺栓強(qiáng)度均滿足施工要求。利用專用軟件flac3d建立有限差分?jǐn)?shù)值模型，通過(guò)分析襯砌和臨時(shí)支撐的變形和應(yīng)力并沒(méi)有得到明顯的變化，也幾乎不會(huì)使初期支護(hù)和臨時(shí)中隔支撐產(chǎn)生水平位移影響。在砂黃土地層中，地鐵隧道大斷面開(kāi)挖中應(yīng)用多功能機(jī)器人進(jìn)行開(kāi)挖作業(yè)，減少工人數(shù)量，極大降低了開(kāi)挖風(fēng)險(xiǎn)，大大提高了施工效率。