隧道施工鑿巖臺車推廣應用問題的研究

林 宏

(中鐵四局工程管理中心，安徽 合肥 230000)

新建太原至焦作鐵路太原南至晉豫省界，石太k219+679～Dk327+200，正線長325.35km。其中，隧道共35.5座，隧道總長145.183km，占線路長度的44.62%。長度大于10km隧道5座，計57.239km，長度4km至10km之間的隧道8.5座，計54.980km，長度1km至4km之間的隧道10座，計25.195km，1km以下隧道12座，長度計7.769km。全線地質(zhì)復雜，有黃土隧道，又有粉細砂隧道，有大涌水量隧道，有低瓦斯隧道。線路穿越斷層(全線113處)，又穿越斷裂帶(太谷斷裂帶)。

在隧道工程占比大的項目中，以鑿巖臺車為核心的成套機械化作業(yè)理應受到重視，但標段內(nèi)采用鑿巖臺車施工的隧道項目屈指可數(shù)，施工隊伍多數(shù)仍然采用鑿巖機人工鉆孔施工。 據(jù)了解，新近施工的黔張常、渝懷二線、漢十等鐵路隧道項目也多以鑿巖機人工鉆孔為主要作業(yè)方式，鑿巖臺車并沒有作為施工首選。究其原因，多以鑿巖臺車使用成本高、圍巖差不適用等理由棄之不用。

文章對鑿巖臺車應用中存在的成本問題以及管理方面問題進行探討，為隧道施工鑿巖臺車推廣應用提出應對措施。

1 制約鑿巖臺車推廣應用的主要因素

1.1 設備以及配套設施一次性投資大

鑿巖臺車一次性購置投資大，1臺三臂鑿巖臺車價值800多萬元，半電腦控制、全電腦控制三臂鑿巖臺價格高達千萬元，相比1臺YT28手持式鑿巖機三千多元的購置成本，許多隧道施工單位可以節(jié)省施工投入。

其次，鑿巖臺車需要設置專用變壓器以及給排水系統(tǒng)，箱式變壓器費用約50萬元，采用150×4+75 mm2鋁芯電纜供鑿巖臺車用電，用35×3 mm2高壓電纜進洞，在鉆掘推進過程中，需要高壓電纜轉(zhuǎn)換接頭，以及每隔400 m左右設置變壓器洞室。

再次，鑿巖臺車液壓油冷卻和吹渣采用大流量的水系統(tǒng)，需要在洞口安裝一個10 m3儲水罐，在水罐上安裝一臺IRG50-200立式離心泵，采用100 mm供水管，臺車施工前，從水井向儲水罐注水，直至洞內(nèi)用水結(jié)束。同時，洞內(nèi)需配套排水設施，設置多級抽水站，采用多臺7.5 kW污水泵，采用100 mm排水管，將掌子面的積水抽至集水箱，再通過多級抽水機向洞外沉淀池排水，隧道外需修建1～2座沉淀池，否則將造成作業(yè)掌子面嚴重積水，不利于掌子面圍巖的穩(wěn)定，影響文明施工和安全。相比手持YT28鑿巖機鉆孔施工，配套僅需要設置空壓機站、風管、供水及人工臺架，設施簡單，價值低廉，深受隧道作業(yè)隊伍歡迎。

因此，臺車以及配套設施高昂的投資成本制約施工隊伍應用機械化的積極性。

1.2 使用成本高

鑿巖臺車使用費用包括設備折舊費、日常維修費、配件更換費、易損件消耗以及管理費等費用。爆破每立方米折合費用52.52元，遠高于鑿巖機36元使用費用。而且，鑿巖臺車一旦出現(xiàn)故障需停機維修，工序全部停工造成損失。

寶蘭鐵路某隧道項目采用一臺鑿巖臺車施工，經(jīng)測算，其使用成本大致見表1。

表1 鑿巖臺車施工成本分析

⑴鉆桿、鉆頭和釬尾油消耗巨大

某隧道自5月29日施工以來，截止7月30日，共更換10根鉆桿，消耗鉆頭49個，消耗釬尾油40升，合計材料消耗達到了7.88萬元，每立方米折合材料消耗達10.59元。

其中，釬尾油消耗1元/方，釬尾采用開放式的潤滑系統(tǒng)，釬尾油的消耗量較大，出于商業(yè)保護，在質(zhì)保期內(nèi)需采用廠家提供的油品，否則，不予保修，其他品牌的油品不能替代，無法降低其成本消耗。

其次，鉆頭、鉆桿嚴重超耗，基本上每個鉆頭只能打半個掌子面的孔，每根鉆桿也只能打2～3個掌子面的孔。究其原因，不僅有操作人員技術(shù)不熟練，操作不當造成鉆桿折斷和鉆頭加劇磨損；廠家配件質(zhì)量差和價格高也是成本消耗過大的主要原因。 操作手技術(shù)水平造成鉆桿、鉆頭的非正常消耗，加大了臺車使用成本。某知名品牌鑿巖臺車部分配件價格見表2。

表2 鑿巖臺車部分配件價格

由于廠家直銷政策需要提前下訂單，以及先付款后發(fā)貨的支付原則，零配件庫存計劃及供應商管理等問題，導致鑿巖臺車配件渠道單一，供貨周期較長。7月14日，在鉆孔施工中，發(fā)生卡鉆現(xiàn)象，由于操作人員處置措施不當，導致釬尾受軸向力作用變大，將左臂鑿巖機沖洗頭損壞，因更換損壞的沖洗頭耽誤工期10天。

⑵火工品消耗偏高

臺車開挖488m，共消耗炸藥57780k g，每方消耗炸藥1.02k g，同等級圍巖人工開挖每方消耗炸藥0.64 k g，高出0.38k g/m3(4.56元，炸藥：12000元/噸)。三臂鑿巖臺車成孔最小直徑為45 mm，相比人工手持鑿巖機鉆孔38 mm要大，雖然對清孔、裝藥有利，經(jīng)常因40 mm藥卷需求量小、市場供應短缺造成停工，施工隊伍不得不采用32 mm標準藥卷替代，火工品單方量消耗偏高。某型號鑿巖臺車費用分析統(tǒng)計見表3。

表3 鑿巖臺車費用分析統(tǒng)計

目前我國隧道采用鐵建設 [2012]發(fā)布的，《鐵路隧道工程機械化施工補充預算定額》，其中機械使用費執(zhí)行鐵建設[2006]129號《鐵路工程施工機械臺班費用(2005)》標準，低標準定額與實際價格水平相差甚遠。鑿巖臺車高昂的使用成本使隧道施工隊伍望而卻步，利用手持式Y(jié)T28鑿巖機，隧道隊伍還有可觀的利潤。

1.3 操作手操控機器水平影響開挖質(zhì)量

《高速鐵路隧道工程施工技術(shù)指南》(鐵建設[2010]241號)明確炮孔深度不大于3 m隧道開挖的允許超挖值應符合表4中的要求。

表4 隧道允許超挖值，mm

鉆孔作業(yè)的數(shù)量、位置、深度及斜率等要符合爆破設計要求。為減少周邊孔外插角度，鑿巖臺車施作鉆桿外插角要根據(jù)炮孔深度(小于3 m)調(diào)整3°～5°，盡可能使兩茬炮交界處臺階不大于15cm。因此，對鑿巖臺車操作手的操作技能提出了更高要求。

通過多個隧道項目測試，鑿巖臺車比人工氣動鑿巖機開挖要超挖3～8 mm，即鑿巖臺車在超欠挖控制方面要低于人工開挖，超挖比人工要高15%左右，圍巖超挖致使填充工作量和材料消耗加大，對于幾公里隧道來說，因超挖部分填充的材料造成的經(jīng)濟損失是非常驚人的。

因此，隧道超挖是施工隊伍千方百計管控的要素之一。

1.4 對施工組織要求高

臺車開挖施工專業(yè)性極高，施工工序間銜接尤為重要，要分別設置帶班負責人，做到下個工序開始前30分鐘相關(guān)作業(yè)人員到達現(xiàn)場，做好本工序的施工準備工作，接到指令后立即投入施工，實現(xiàn)工序無縫對接。

鉆孔與裝藥是2個工序，要符合“裝藥作業(yè)與鉆孔作業(yè)不得在同一開挖工作面進行” 的要求（《鐵建設[2010]241號規(guī)定》），或滿足“鉆孔與裝藥順序自上而下，鉆孔與裝藥孔距離不小于2.5m”(《鐵路工程施工安全技術(shù)規(guī)程》Tb10401.1-2003)的要求，鉆孔與裝藥人員分區(qū)作業(yè)。爆破作業(yè)和出渣工序作業(yè)，要求鑿巖臺車移至安全位置，留出必要的安全作業(yè)空間。

因此，要合理安排鉆孔、出渣和爆破班組之間的工序銜接，任何環(huán)節(jié)如果不能無縫對接都將影響整個工效。

1.5 對操作手技能要求較高

鑿巖臺車尤其是電腦控制的臺車集機電液一體化控制，要求操作手具備一定的操作技能以及操作水平，一個優(yōu)秀的臺車操作手必須經(jīng)過理論、實踐的長期培訓，才能練就出合格的工藝技術(shù)水平。 另一方面，施工企業(yè)缺乏培養(yǎng)機電專業(yè)管理和操作人員機制，缺乏臺車設備管理與使用成熟經(jīng)驗，尤其缺少類似鑿巖臺車大型機械設備的操作手，無法實現(xiàn)機械化作業(yè)的工效以及施工質(zhì)量。如果沒有較高的待遇，高水平的操作手難以留住。

鑿巖臺車對操作手要求遠高于手持式鑿巖機，許多施工企業(yè)應用鑿巖臺車僅是遠景規(guī)劃，難以付諸實施。

2 鑿巖臺車作業(yè)技術(shù)優(yōu)勢分析

鑿巖臺車和人工手持氣動鑿巖機開挖對比，施工進度、作業(yè)參數(shù)、材料消耗等方面具有技術(shù)優(yōu)勢。

2.1 鉆孔速度具有無可比擬的優(yōu)勢

三臂鑿巖臺車成孔速度快，每循環(huán)進尺3.2m，可節(jié)約1.5小時，特別在硬巖施工時，優(yōu)勢更為明顯。鑿巖臺車比氣動鑿巖機鉆孔速度快56%～122%，總體施工進度比人工開挖快37.3%?？梢詫崿F(xiàn)多孔同時推進，一次成孔多個，大大減少鉆孔時間，同時因鉆桿定位迅速而且不需要搭建輔助工作平臺，節(jié)約鉆孔準備工作時間。

2.2 安全環(huán)保

臺車開挖時，臺車操作人員在固定的操作臺上操縱鉆機，且施工人員離掌子面10多米遠，只有在裝藥作業(yè)時，施工人員離掌子面比較近。而使用氣動鑿巖機開挖，操作人員離掌子面較近，只有不到1米遠的距離，安全系數(shù)低且施工人員多(一班30名)，易發(fā)生多人傷亡事故，氣動鑿巖機開挖時沖擊振動巖面，自穩(wěn)性差的掌子面，易造成隧道拱部產(chǎn)生落石或坍塌，人員逃脫不及而受傷害甚至致死。

三臂鑿巖臺車機組人員勞動強度低，掌子面噪音小，空氣清新，不易卡鉆，掌子面視線較好，簡潔、整齊，大大促進掌子面的文明施工。臺車開挖時，不使用高壓氣體，對空氣沒有污染，只有較小的噪音污染和水污染，通過對施工后的廢水處理，達標后再排放可以消除水污染。使用氣動鑿巖機開挖，采用高壓氣體做動力，氣動鑿巖機數(shù)量較多，產(chǎn)生很大的空氣污染和噪音污染。

因此，臺車施工更符合安全、健康、環(huán)保等要求。

2.3 自動化程度高

采用電腦控制或半控制的鑿巖臺車，將傳感器信號通過解析模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并將大臂和推進梁的位置和傾斜角度顯示在駕駛室內(nèi)的顯示器上，由計算機自動控制鉆臂系統(tǒng)，鉆臂和推進梁的定位和調(diào)整完全由臺車電腦來完成，所有鉆孔按照預先設定的布孔圖自動精確地完成，鉆孔的精確度高，能夠有效避免超欠挖。

2.4 具備一機多能、安全高效的優(yōu)勢

利用三臂鑿巖臺車的機械手，能夠?qū)崿F(xiàn)徑向系統(tǒng)錨桿、深孔地質(zhì)預測預報和管棚、超前小導管的施工，拓展了臺車使用范圍，與人工手持氣動鑿巖機施工相比，能夠適應隧道Ⅱ～V級破碎風化巖的施工，具備一機多能、安全高效的優(yōu)勢。

3 隧道鑿巖臺車成套機械化施工作業(yè)的途徑

3.1 結(jié)合隧道施工特點合理選用施工方法

利用鑿巖臺車進行隧道開挖是今后的發(fā)展方向。但是，鑿巖臺車也不是萬能機器，適用于所有隧道項目。

鑿巖臺車適合二級公路、一級公路、特級公路和鐵路雙線隧道Ⅲ、Ⅳ級以及部分Ⅴ級圍巖地段，開挖斷面面積90～130 m2，適合獨頭掘進2500 m及以上的隧道的全斷面開挖施工。

對于較短長度和軟弱圍巖隧道，鑿巖臺車施工發(fā)揮不了優(yōu)勢。臺階法開挖軟弱圍巖 (Ⅴ、Ⅵ級)受機器自身外形尺寸的限制(長度17 m，占用臺階過長)，臺階長度難以滿足鐵建設[2010]241號規(guī)定的步距要求。而手持式鑿巖機在小斷面、短隧道、圍巖地質(zhì)差(Ⅴ、Ⅵ級)，地質(zhì)變化頻繁及地質(zhì)不良地段的施工條件下具有一定的優(yōu)勢。

因此，針對隧道特點合理選擇鑿巖臺車和人工手持式鑿巖機施工模式，是隧道成套機械化施工作業(yè)的關(guān)鍵。

3.2 選擇適用的隧道施工管理模式

目前，隧道施工較多采用多工序分包作業(yè)，鉆孔、裝藥、裝渣運輸、襯砌養(yǎng)護等作業(yè)環(huán)節(jié)協(xié)調(diào)工作較多，工序間銜接不暢容易導致作業(yè)工效低下，影響工期和成本控制。在現(xiàn)有管理模式下僅僅采用鑿巖臺車鉆孔施工，專用設備技術(shù)優(yōu)勢得不到很好發(fā)揮，施工成本也高于人工作業(yè)。要充分發(fā)揮鑿巖臺車成套機械化作業(yè)效率，必須形成超前地質(zhì)勘探、鉆爆作業(yè)、裝渣運輸、錨噴支護及襯砌養(yǎng)護等隧道施工工藝機械化配套作業(yè)，才能彰顯機械化施工的優(yōu)勢。

因此，因地制宜選擇適用的隧道施工管理模式是推廣隧道機械化作業(yè)的關(guān)鍵。

3.3 建立鑿巖臺車專用設備的使用維護保養(yǎng)管理及考核機制

專用設備本身價值較高，一旦因使用不當造成損壞，不僅會產(chǎn)生高昂的維修費用，還會影響到項目的正常施工。為做好專用設備的使用管理，應成立鑿巖臺車專用設備管理公司，負責專用設備的使用與管理，開展工序?qū)I(yè)化施工，重點開展設備使用管理工作。

⑴操作手的管理。操作人員是設備的靈魂，設備使用得好不好，主要取決于操作人員的技能水平和責任心，尤其是主車司機的能力和素質(zhì)。項目部應建立嚴格的選聘和考核制度，將主車司機的薪酬與工作績效掛鉤，激發(fā)工作熱情和積極性。

⑵設備操作的管理。為確保專用設備的合規(guī)操作，項目部應編制鑿巖臺車、噴射混凝土機械手等專用設備操作手冊，從使用前檢查、設備行走、停車定位、作業(yè)施工到使用后清潔維保等全過程操作標準及注意事項，要求所有操作人員對照手冊進行作業(yè)，并將手冊內(nèi)容作為設備操作人員的考核標準，確保設備合規(guī)操作，減少操作不當造成的損害。

因此，項目部應從以下方面著手提高管理水平：

加強施鉆技能培訓，努力提高施鉆水平；根據(jù)圍巖地質(zhì)現(xiàn)狀和爆破效果，調(diào)整爆破參數(shù)；加強現(xiàn)場管理，注重開挖質(zhì)量；加強施鉆技術(shù)經(jīng)驗總結(jié)和交流，全面提升施鉆水平；強化和加強測量放線技術(shù)管理，制定嚴格的超欠挖獎罰制度，分工明確，責任到人。

3.4 培育并發(fā)展鑿巖臺車配套工序支撐效應

發(fā)揮鑿巖臺車高效技術(shù)優(yōu)勢，需要建立配套工序的支撐，特別是裝藥、爆破作業(yè)的高效配合，形成鉆爆作業(yè)的連續(xù)施工。

⑴注重爆破人力資源的儲備與應用

按照公安部 《爆破作業(yè)人員安全技術(shù)考核標準》的規(guī)定，爆破工程技術(shù)人員應持有《爆破工程技術(shù)人員安全作業(yè)證》方能上崗操作。因此，隧道項目經(jīng)理部應加強持證的爆破人員管理，建立與鉆孔作業(yè)的協(xié)調(diào)機制，確保鉆孔、爆破工序的無縫對接，合理安排鉆、爆交叉作業(yè)，縮短工序時間，提高整體工效。其次，臺車裝藥工序?qū)I(yè)性及協(xié)同性極強，且臺車操作手也需要在最后集中裝藥環(huán)節(jié)一同裝藥，共同作為一個工班組對爆破最終效果負責。

⑵優(yōu)化爆破工藝技術(shù)

爆破工藝技術(shù)是鉆爆施工的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，直接影響鉆爆進尺、圍巖穩(wěn)定、超欠挖質(zhì)量控制和項目經(jīng)濟效益。 每次爆破后應檢查爆破效果，分析原因及時修正爆破參數(shù)，提高爆破效果，改善技術(shù)經(jīng)濟指標，優(yōu)化爆破設計。同時要積極溝通，采用直徑38或者40的炸藥，或者提升爆破工藝，采用聚能爆破、水壓爆破等新型爆破方案和施工理念進行爆破開挖。

3.5 加強鑿巖臺車機械化作業(yè)成本控制與管理

加強成本管理是隧道施工管理工作重點內(nèi)容之一。項目部應細化工序單產(chǎn)耗量定額表，責任到人，按月進行成本核算，成本分析，成本考核。鼓勵臺車配件實行國產(chǎn)化，關(guān)鍵配件必須原裝進口以保證質(zhì)量和使用壽命。

根據(jù)類似工程資料統(tǒng)計，臺車開挖與人工鉆爆法施工成本相比略高10元/m3。其中，人工成本基本接近，主要是臺車開挖的機械使用成本、維修成本以及火工品消耗稍高。因此，提高操作人員專業(yè)水平和素質(zhì)減少超欠挖，加強設備保養(yǎng)是實現(xiàn)鑿巖臺車技術(shù)優(yōu)勢的關(guān)鍵。通過機械化作業(yè)成本控制與管理達到利潤管控的目標。

4 結(jié)論

從隧道施工隊伍年齡結(jié)構(gòu)來看，目前比較普遍的是60、70年代出生的人，能夠承受勞動環(huán)境差、強度高、危險性大的人工鑿巖，隨著時代發(fā)展和社會進步，人們追求舒適、健康的工作環(huán)境成為主流，80后即使再高的報酬也沒有人愿意從事人工鑿巖的繁重勞動。在倡導隧道機械化施工的大背景下，鑿巖臺車是隧道施工機械化應用的關(guān)鍵設備，隨著科學技術(shù)的迅猛發(fā)展，以鑿巖臺車為核心的成套機械化作業(yè)在隧道施工中理應受到重視。臺車機械化施工方式，將施工作業(yè)人員從條件惡劣、勞動繁重的鑿巖鉆孔中解放出來，對改善施工條件、減輕勞動強度、加快施工進度、提高施工質(zhì)量，都具有重要的意義。

可以預見，不遠的將來，隨著技術(shù)進步以及人口紅利的消失，未來隧道鑿巖臺車成套機械化應用將會越來越廣。