隧道三臂鑿巖臺(tái)車楔形及直眼掏槽爆破技術(shù)研究

摘 要：為了研究三臂鑿巖臺(tái)車楔形及直眼掏槽爆破技術(shù)在小斷面隧道開挖施工中的應(yīng)用，本文以巴玉隧道為依托，分別對(duì)兩種施工方法所使用的臺(tái)車性能參數(shù)、爆破方案的選擇、炮孔的布置位置以及材料使用等方面進(jìn)行了對(duì)比分析，研究表明直眼掏槽施工法無論在節(jié)約工程成本還是縮短施工工期方面都是最佳的方案，采用直眼掏槽開挖技術(shù)更能發(fā)揮三臂鑿巖臺(tái)車的優(yōu)勢(shì)。

關(guān)鍵詞：隧道；三臂鑿巖臺(tái)車；楔形爆破技術(shù)；直眼爆破技術(shù)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.12.123

0 引言

長期以來，巖石隧道施工中最主要采用手工鉆爆法和TBM法進(jìn)行破巖，這種爆破方法炮眼深度一般在1.6～2.0m，循環(huán)進(jìn)尺為1.2～1.7m，炮眼利用率一般為75%～85%，最低為60%左右。在我國鉆爆法比較盛行，鉆爆法的核心工序之一就是鉆孔爆破，一些礦山采用鑿巖臺(tái)車或液壓鑿巖機(jī)鉆孔等，以提高掘進(jìn)效率，但炮孔深度均在2.0～3.0m之間[1-2]。目前我國最常使用的鉆孔機(jī)具為氣動(dòng)鑿巖機(jī)配合自制開挖臺(tái)架以及多臂鑿巖臺(tái)車。而人工鉆孔爆破法施工成本較低，但是工人作業(yè)勞動(dòng)強(qiáng)度較大、作業(yè)環(huán)境惡劣、并且施工效率低下；多臂鑿巖臺(tái)車鉆爆法具有速度快、自動(dòng)化水平高、施工質(zhì)量高、操作安全、隧道開挖作業(yè)工作環(huán)境好，但是造價(jià)較高，從降低人工開挖勞動(dòng)強(qiáng)度，改善作業(yè)環(huán)境以及充分發(fā)揮機(jī)械設(shè)備優(yōu)勢(shì)上來說，機(jī)械作業(yè)是今后隧道施工的主要發(fā)展方向[3]，而多臂鑿巖臺(tái)車鉆爆法具備這些優(yōu)點(diǎn)，而在實(shí)際工程中也得到了更加廣泛的推廣和應(yīng)用。

針對(duì)這種現(xiàn)狀，本文對(duì)某隧道工程施工中，采用的三臂鑿巖臺(tái)車楔形掏槽與直眼掏槽鉆爆法施工技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)，同時(shí)以本工程為依托，比較了楔形掏槽與直眼掏槽鉆爆法所使用的臺(tái)車性能參數(shù)、爆破方案的選擇、炮孔的布置位置以及材料使用等方面。

1 工程概況

巴玉隧道為拉林鐵路控制性工程，總體沿東西走向，隧址位于藏南谷地桑日至加查下游段，進(jìn)口軌面標(biāo)高為3464.081m，位于山南地區(qū)桑日縣干登，出口軌面標(biāo)高為3344.109m，位于山南地區(qū)加查縣藏木。隧址地面標(biāo)高3260～5500m，高差達(dá)2300m，為典型的高山峽谷地貌。隧道工程地質(zhì)巖性揭示為巖漿巖，屬塊狀全晶質(zhì)花崗巖，整體性較好，巖石極軸抗壓強(qiáng)度普遍在192MPa以上，屬Ⅱ級(jí)圍巖；不良地質(zhì)有巖爆、高地應(yīng)力、地?zé)岬?，其中高地?yīng)力對(duì)爆破影響最大，通常爆破格外困難，炸藥單耗要比正常情況下高的多，這也是深埋花崗巖的固有特性。

隧道最大埋深約2080m，進(jìn)出口均無公路相通，交通困難。隧道以越嶺走行于雅魯藏布江南岸，起訖里程DK190+388～DK203+461，全長13073m，為單洞單線隧道，隧道設(shè)進(jìn)、出口2個(gè)平導(dǎo)，進(jìn)口平導(dǎo)長度4058.827m，出口平導(dǎo)長度4073米。進(jìn)出口平導(dǎo)采用XL3D三臂鑿巖臺(tái)車進(jìn)行掘進(jìn)作業(yè)。平導(dǎo)設(shè)計(jì)開挖斷面為圓拱直墻型形，高為6.33m，寬7.5m，具體尺寸如圖1。

2 三臂鑿巖臺(tái)車楔形掏槽鉆爆法

2.1 XL3D三臂鑿巖臺(tái)車簡介

Boomer XL3D三臂鑿巖臺(tái)車整車由底盤、鉆臂、推進(jìn)梁、鑿巖機(jī)、服務(wù)平臺(tái)、液壓控制系統(tǒng)、空壓機(jī)以及水泵組成，可以進(jìn)行鉆爆空、錨桿孔、注漿孔、管棚施工、裝藥、安裝錨桿、灌漿以及安裝風(fēng)水管等高空作業(yè)[4]。具有安全、高效、符合人機(jī)工程學(xué)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，采用先導(dǎo)控制液壓系統(tǒng)，減少了控制平臺(tái)四周的高壓膠管數(shù)量，對(duì)操作者更安全，并且噪聲更小；采用新型人機(jī)工程學(xué)控制面板，控制系統(tǒng)的液壓部件集中在一起，易檢修、維護(hù)；符合FOPS（防落物沖擊）標(biāo)準(zhǔn)的防護(hù)頂棚，可以升高1.1m來增加更好的視野；為了增加效率和準(zhǔn)確度，Boomer XL3D配備了推進(jìn)梁角度測(cè)量系統(tǒng)（FAM3），這個(gè)系統(tǒng)有助于操作者精確鉆孔，減少超挖或是欠挖，增加一次進(jìn)尺量，其具體的性能參數(shù)如表1所示。

Boomer XL3D大臂長度7.1米，配備鉆桿長度5.25米，更加適用于大斷面開挖。XL3D三臂鑿巖臺(tái)車見圖2。

2.2 測(cè)量準(zhǔn)備工作

為了保證施工的進(jìn)度，改變了常規(guī)的施工測(cè)量方法，采用全站儀測(cè)量以及激光導(dǎo)向儀相結(jié)合的方法來進(jìn)行控制開挖。洞頂位置安裝了一臺(tái)激光指向儀，調(diào)整激光束與隧道軸線方向保持一致。臺(tái)車定位以后，測(cè)量人員采用全站儀進(jìn)行周邊炮眼的放樣。同時(shí)臺(tái)車施鉆人員根據(jù)激光投射與掌子面上的點(diǎn)束位置，先施鉆掏槽眼以及輔助眼。通過這種方法測(cè)量放樣就不再占有工序循環(huán)時(shí)間。每循環(huán)可以節(jié)約30～45min測(cè)量放樣時(shí)間。

2.3 楔形掏槽爆破設(shè)計(jì)

為了保證爆破工作安全有序進(jìn)行，不同的爆破部位根據(jù)實(shí)際情況選取不同的爆破參數(shù)和裝藥結(jié)構(gòu)，對(duì)不同位置的炮孔的爆破參數(shù)根據(jù)其爆破破碎標(biāo)準(zhǔn)試爆后進(jìn)行調(diào)整。通過人力和機(jī)械相結(jié)合的方法清理爆破現(xiàn)場，爆破具體的施工工序?yàn)椋菏┕ぴO(shè)備以及材料的準(zhǔn)備→現(xiàn)場爆破→清理爆破現(xiàn)場[5]。

2.3.1 炮孔布置

考慮到施工工期緊、安全風(fēng)險(xiǎn)高等特點(diǎn)，為減少作業(yè)面人員數(shù)量，規(guī)避開挖階段安全風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)出口平導(dǎo)全部采用XL3D三臂鑿巖臺(tái)車進(jìn)行掘進(jìn)作業(yè)，采用了楔形掏槽，并在實(shí)際施工中不斷對(duì)周邊眼的間距，裝藥量以及掏槽眼的角度進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，楔形掏槽鉆孔爆破設(shè)計(jì)炮孔布置如圖3所示。

每個(gè)炮孔按照不同段位安裝非電毫秒雷管，分區(qū)并聯(lián)后與1段毫秒雷管連接，最后由電雷管引爆

2.3.2 爆破參數(shù)的確定

根據(jù)前述的爆破理論、相關(guān)參數(shù)以及相關(guān)隧道工程鉆孔爆破技術(shù)的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)本巴玉隧道工程的爆破位置以及所使用的藥量進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，具體的結(jié)果見表2。

根據(jù)表2可以看出，采用三臂臺(tái)車楔形掏槽施工鉆孔數(shù)量總計(jì)約133個(gè)，正常情況循環(huán)進(jìn)尺約3.4米，炮眼利用率90%，開挖總方量約148.69方，使用炸藥總量358.25kg，炸藥單耗約2.41kg。

2.4 臺(tái)車強(qiáng)制保養(yǎng)制度

為了保證臺(tái)車的使用率，必須要加強(qiáng)臺(tái)車的日常管理和保養(yǎng)，臺(tái)車保養(yǎng)實(shí)行“1+1”的臺(tái)車保養(yǎng)模式，即開挖放炮為一個(gè)保養(yǎng)循環(huán)，實(shí)行定機(jī)、定人、定臂等保養(yǎng)管理模式，從而抱保證臺(tái)車充分發(fā)揮其機(jī)械性能，減少故障率，最終保證施工進(jìn)度。其中保養(yǎng)的主要內(nèi)容是：檢查、清潔、緊固、調(diào)整、潤滑以及防腐等[6]。

3 三臂鑿巖臺(tái)車直眼掏槽鉆爆法

直眼掏槽是由若干個(gè)彼此距離很近的，垂直于開挖面的相互平行的炮眼組成。其中一個(gè)或幾個(gè)不裝藥的炮眼稱為空眼，其作用是給裝藥眼創(chuàng)造臨空面，保證掏槽眼范圍內(nèi)的巖石被破碎。所以直眼掏槽就是利用一些相互平行眼距不大的炮眼內(nèi)炸藥包爆炸的巨大能量，將掏槽區(qū)范圍內(nèi)的巖石破碎，并將其拋出槽外，從而形成一個(gè)設(shè)定的槽腔。這就為后續(xù)爆破的炮眼提供了一個(gè)平行于這些炮眼的第二臨空面，然后按順序起爆，直到設(shè)計(jì)的斷面周邊輪廓為止。直眼掏槽一般適用于中硬有堅(jiān)硬巖層，本工程中巴玉隧道平導(dǎo)巖石為花崗巖，又采用鉆孔臺(tái)車開挖，更能體現(xiàn)直眼掏槽的優(yōu)勢(shì)。

對(duì)于直眼掏槽以及楔形掏槽鉆孔爆破法，其使用的三臂鑿巖臺(tái)車的性能參數(shù)、測(cè)量準(zhǔn)備工作以及臺(tái)車保養(yǎng)方式基本上是相同的，區(qū)別在于爆破方案的選擇、炮孔的布置位置以及炮眼所使用的藥量的不同。

3.1 直眼掏槽爆破方案

3.1.1 炮孔布置

根據(jù)巖石的主要特性如強(qiáng)度、脆性、密度等，結(jié)合以往施工爆破經(jīng)驗(yàn)綜合分析：采用五梅花中空直眼掏槽方案較為合理。炮眼布置形式如圖4所示

為降低爆破后產(chǎn)生的灰塵，有效提高工序時(shí)間利用率，從孔底向孔口依次按照炸藥→水袋→炮泥進(jìn)行放置。圖中1段外圈4個(gè)φ100炮孔為中空孔，不裝藥，只是起到擴(kuò)大槽腔的作用。

3.1.2 爆破網(wǎng)絡(luò)

周邊眼采用導(dǎo)爆索引爆藥包，由于導(dǎo)爆索具有傳爆方向，在周邊眼孔口沿同一方向并聯(lián)導(dǎo)爆索，理論上周邊眼采用導(dǎo)爆索并聯(lián)后可由1發(fā)毫秒雷管引爆，但是在實(shí)際操作過程中，為確保順利引爆，通常周邊眼按5～6個(gè)炮孔分區(qū)，分別安裝1發(fā)毫秒雷管，最后并聯(lián)所有毫秒雷管，然后由電雷管引爆。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是節(jié)省了毫秒雷管，提高了光爆質(zhì)量。圖5展示了周邊眼導(dǎo)爆索并聯(lián)的施工現(xiàn)場。

3.2 爆破參數(shù)的確定

根據(jù)前述的爆破理論、相關(guān)參數(shù)以及相關(guān)隧道工程鉆孔爆破技術(shù)的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)直言掏槽鉆爆發(fā)施工所使用的藥量進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，具體的結(jié)果見表3。

利用三臂臺(tái)車直眼掏槽施工方法，鉆孔數(shù)量總計(jì)約117個(gè)，正常情況循環(huán)進(jìn)尺約3.7米，炮眼利用率93%，開挖總方量約161.81方，使用炸藥總量248.8kg，炸藥單耗1.54kg。

4 技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益分析

為了進(jìn)一步體現(xiàn)直眼掏槽爆破施工法在掘進(jìn)效果及經(jīng)濟(jì)效益方面的優(yōu)勢(shì)，分別對(duì)三臂臺(tái)車楔形掏槽及直眼掏槽爆破兩種施工方法在炮孔的使用數(shù)量、炸藥單耗等方面進(jìn)行了對(duì)比分析，具體指標(biāo)見表4。

通過表4的分析結(jié)果可以看出，楔形掏槽技術(shù)與直眼掏槽技術(shù)平均循環(huán)進(jìn)尺幾乎相同，但是后者剩余的工期大大縮短，且消耗的炸藥量及導(dǎo)爆管數(shù)量都在減少，同時(shí)施工成本節(jié)約了31%， 可見直眼掏槽工法更能體現(xiàn)三臂鑿巖臺(tái)車的開挖優(yōu)勢(shì)。

5 結(jié)論

（1）本文以巴玉隧道工程為依托，總結(jié)了三臂鑿巖臺(tái)車楔形掏槽與直眼掏槽的施工方法，可以看出兩種施工方法所使用的三臂鑿巖臺(tái)車的性能參數(shù)、測(cè)量準(zhǔn)備工作以及臺(tái)車保養(yǎng)方式基本上是相同的，區(qū)別在于爆破方案的選擇、炮孔位置的布置以及炮眼所使用的藥量的不同。

（2）通過三臂鑿巖臺(tái)車楔形掏槽與直眼掏槽比較，可以看住直眼掏槽施工方法可以縮短施工周期，減少施工材料的用量，同時(shí)施工成本較楔形掏槽施工方法可節(jié)約31%，直眼掏槽施工法無論在節(jié)約工程成本還是縮短工期方面都是最佳的方案。

（3）直眼掏槽法炮眼布置并不是一成不變的，還是要堅(jiān)持“巖變我變”思想，隨時(shí)根據(jù)圍巖變化情況調(diào)整爆破參數(shù)，以達(dá)到理想的爆破效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]郝飛.堅(jiān)硬巖石巷道中深孔掘進(jìn)爆破實(shí)踐[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2009，37（09）：24-30.

[2]姚建，田冬梅.煤礦巖巷中深孔掘進(jìn)爆破試驗(yàn)研究[J].華北科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2011，08（01）：26-29.

[3]郭陜?cè)疲P(guān)于我國海地隧道建設(shè)若干工程技術(shù)問題的思考[J].隧道建設(shè)，2007，27（03）：1-3.

[4]胡偉，蔣成海，鐘浩等.高速公路中硬巖隧道掘進(jìn)爆破特征研究[J].中南公路工程，2006，31（01）：29-30.

[5]吳煥通，崔永軍.隧道施工及組織管理指南[M].北京：人民交通出版社.

[6]梁戰(zhàn)軍.復(fù)雜地質(zhì)條件下液壓鑿巖臺(tái)車快速掘進(jìn)技術(shù)[J].山西建筑，2010，36（21）：308-309.

作者簡介：呂玉松（1979-），男，山東菏澤人，本科，工程師，主要研究方向：鐵路隧道工程研究。