鑿巖臺車在鐵路隧道不同工法中的適用性

胡 煒，李 奎，譚信榮，蔣 堯

(中鐵二院工程集團有限責(zé)任公司，四川 成都 610031)

隨著國民經(jīng)濟的飛速發(fā)展和以人為本的理念日趨深入，隧道鉆爆法的機械化施工以其“高效、環(huán)保、安全”的優(yōu)點逐漸受到建設(shè)方與施工單位的重視[1-2]。隧道機械化施工是指采用配套機械進行隧道開挖、支護等一系列作業(yè)。其中，隧道鉆孔是機械化施工中的重要部分，對隧道的施工效率有著重要影響。隧道施工中的鉆孔主要包括掌子面鉆孔和洞周徑向鉆孔。掌子面鉆孔用以安裝炸藥和超前支護，洞周徑向鉆孔用以安裝錨桿、洞周注漿等。目前，國外隧道施工中普遍采用機械化臺車進行鉆孔作業(yè)，工作人員通過臺車中心室的計算機來操控臺車以實現(xiàn)自動化施工[3-5]。與之相比，國內(nèi)有少數(shù)采用鑿巖臺車施工的案例，但大多數(shù)隧道仍采用風(fēng)鉆人工鉆孔，在施工效率及自動化程度上相比機械化鑿巖臺車有較大差距。

文獻[6-9]對比了風(fēng)鉆與鑿巖臺車的優(yōu)缺點。鑿巖臺車在鉆孔效率、人力配置、施工質(zhì)量、安全性等方面占有顯著優(yōu)勢。機械化鑿巖臺車在我國隧道應(yīng)用較少的原因，除了臺車高昂的銷售和維修價格外，另一個主要原因是由于臺車在隧道復(fù)雜工法下的適用性不明確導(dǎo)致所購臺車型號和工法不匹配，以致臺車的適用范圍和使用率較低。因此，明確臺車在隧道不同施工工法中的適用性，針對性地選擇合適的鑿巖臺車對提高臺車的使用率及工作效率尤為重要。

1 影響鑿巖臺車適用性的因素

隧道施工中使用的鑿巖臺車有2種，一種只具有鉆孔功能，另一種除具有鉆孔功能外，還具備安裝錨桿(主要為樹脂錨桿、脹殼錨桿等)的功能。2種臺車的整體結(jié)構(gòu)基本相同。圖1是瑞典阿特拉斯公司的Boomer K41鑿巖臺車。臺車在工作時，工作人員通過計算機控制鉆臂和推進梁進行鉆孔。鉆臂用以支承推進梁，可在一定的角度內(nèi)上下左右擺動，并可伸長一定距離；推進梁用以安裝和推進鉆桿，其型號決定了鉆孔深度和直徑，同一臺車可配不同型號的推進梁。鉆臂和推進梁的技術(shù)參數(shù)決定了臺車的作業(yè)范圍。

圖1 Boomer K41臺車(單位：mm)

判斷臺車是否適用隧道，首先應(yīng)考慮其最大作業(yè)范圍能否覆蓋隧道施工范圍，若不能則該臺車只能對隧道部分區(qū)域施工，性價比不高。其次應(yīng)考慮臺車的一次性鉆孔深度能否滿足設(shè)計要求，若不能則需要接桿，影響施工效率。最后還應(yīng)考慮鉆孔直徑能否達到要求。因此，評判臺車的適用性應(yīng)從其作業(yè)范圍、一次性鉆孔深度、鉆孔直徑3個方面考慮。任一方面達不到設(shè)計要求都將降低隧道施工效率，無法完全發(fā)揮臺車的優(yōu)勢。

本文以阿特拉斯公司的鑿巖臺車為例，分析其適用性。

2 全斷面法鑿巖臺車的適用性

2.1 掌子面鉆孔

隧道在進行爆破、超前支護等作業(yè)時需要在掌子面鉆孔。全斷面法隧道掌子面鉆孔作業(yè)如圖2所示。

圖2 全斷面法隧道掌子面鉆孔作業(yè)

根據(jù)圖2，當(dāng)臺車作業(yè)高度完全覆蓋隧道開挖高度時，臺車的最大作業(yè)高度H應(yīng)滿足

H≥D

(1)

H=h1+h2+h3

(2)

h2=ltanα

(3)

式中：D為隧道初期支護內(nèi)凈空高度，m；h1為鉆臂鉸接點高度，m；h2為鉆臂可抬升的最大高度，m；h3為推進梁到鉆臂末端的距離，m；l為鉆臂最大長度，m；α為鉆臂舉升角，°。

h1與h3由臺車型號決定，α與l由鉆臂型號確定。按照同樣的方法可求得鑿巖臺車的最大作業(yè)寬度。根據(jù)式(1)—式(3)，同時考慮到臺車的一次性鉆孔深度和鉆孔直徑，鑿巖臺車進行掌子面鉆孔關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 鑿巖臺車進行掌子面鉆孔關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)

根據(jù)《鐵路工程建設(shè)通用參考圖》[10]可得不同時速下鐵路隧道開挖高度。同時考慮到臺車最大作業(yè)高度，隧道開挖高度、開挖進尺，一次性鉆孔深度及鉆孔直徑，可得全斷面法隧道掌子面鉆孔鑿巖臺車配置見表2。

表2 全斷面法隧道掌子面鉆孔鑿巖臺車配置

由表2可以看出，Boomer K41，Boomer K111，Boomer 281，Boomer 282不適用于鐵路隧道全斷面法施工，Boomer L1D，Boomer L2D適用于部分?jǐn)嗝婷娣e較小的隧道，而Boomer XL2D，Boomer XL3D適用于所有隧道，故其適用性及性價比最好。另外，Boomer L2D，Boomer XL2D，Boomer XL3D可選配安裝工作籃，為工作人員安裝炸藥和錨桿提供平臺，多個鉆臂可同時工作，從而進一步提高施工效率，因此可優(yōu)先選擇。

2.2 錨桿鉆孔

全斷面法隧道錨桿鉆孔作業(yè)示意如圖3。

圖3 全斷面法隧道錨桿鉆孔作業(yè)示意

根據(jù)圖3，當(dāng)臺車作業(yè)高度完全覆蓋隧道開挖高度時，臺車的最大作業(yè)高度H除應(yīng)滿足式(1)之外，還應(yīng)滿足

H=h1+h2+L1

(4)

式中:L1為推進梁末端到推進梁與鉆臂連接點的距離，m。

另外，當(dāng)臺車在邊墻水平鉆孔時推進梁的長度L為臺車的最小作業(yè)寬度，應(yīng)不大于隧道初期支護內(nèi)凈空寬度B，即應(yīng)滿足

B≥L

(5)

根據(jù)式(1)、式(4)—式(5)，綜合考慮一次性鉆孔深度及鉆孔直徑，鑿巖臺車錨桿鉆孔作業(yè)關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)見表3。

表3 鑿巖臺車錨桿鉆孔作業(yè)關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)

注：Boomer K41可配2種推進梁，故部分參數(shù)有2種取值。

根據(jù)《鐵路工程建設(shè)通用參考圖》[10]，統(tǒng)計可得全斷面法隧道初期支護內(nèi)凈空尺寸。同時考慮臺車最大作業(yè)高度、最小作業(yè)寬度、隧道初期支護內(nèi)凈空尺寸、一次性鉆孔深度、鉆孔直徑及錨桿長度，可得全斷面法隧道錨桿鉆孔鑿巖臺車配置，見表4。

表4 全斷面法隧道錨桿鉆孔鑿巖臺車配置

由表4可以看出：Boomer K41可適用的隧道最少，適用性最低；Boomer K111,Boomer 281適用性一般，適用于單線250 km/h以下及雙線200 km/h以下的隧道；Boomer 282適用性較好，除部分雙線250,350 km/h 隧道外，其余均適用；Boomer L1D，L2D，XL2D，XL3D適用性最好，適用于所有隧道。

3 臺階法鑿巖臺車的適用性

3.1 掌子面鉆孔

采用臺階法施工時，鑿巖臺車鉆孔分臺階上和臺階下2種工作模式。在臺階上工作時要求臺階長度大于臺車的行走長度，臺階長度一般為5～8 m[11]，而臺車的行走長度普遍大于10 m，無法滿足要求，故此種工作模式不適用。采用三臺階法施工時臺車在臺階下進行掌子面鉆孔作業(yè)，如圖4所示。

圖4 采用三臺階法施工時掌子面鉆孔作業(yè)示意

依據(jù)圖4，臺車位于隧底對上臺階掌子面鉆孔時，除了應(yīng)滿足式(1)之外，還應(yīng)滿足

l上+l中≤L1+lcosα-(h中-h1)/tanα

(6)

式中：l上，l中分別為上臺階和中臺階的長度，m；h中為中臺階高度，m。

根據(jù)式(6)，臺階長度越小越利于臺車鉆孔作業(yè)。因此，采用短臺階及微臺階更利于隧道的機械化施工。

對于兩臺階法，推導(dǎo)方法相同，此處不再贅述。

3.2 錨桿鉆孔

兩臺階法錨桿鉆孔作業(yè)如圖5所示。

圖5 兩臺階法錨桿鉆孔作業(yè)示意

依據(jù)圖5，采用臺車對兩臺階法隧道進行錨桿鉆孔，需同時滿足以下2個條件。

h上>L

(7)

lcosα-(h下-h1)/tanα≥l臺

(8)

式中：h上,h下分別為上臺階和下臺階的高度，m；l臺為臺階長度，m。

由式(7)和式(8)可以看出，上臺階高度越大、臺階長度越小，越有利于臺車的鉆孔作業(yè)。

采用三臺階法施工時，上臺階高度一般為2～3 m，受限于空間，無法采用臺車進行拱頂?shù)你@孔作業(yè)。在中臺階范圍進行錨桿鉆孔時，需參考以上公式對其適用性進行研究。

采用CD法、CRD法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、預(yù)留核心土法等工法施工的隧道，受限于空間，不建議直接采用大型機械化臺車進行鉆孔作業(yè)。此時可對隧道進行超前支護和掌子面加固后采用臺階法或全斷面法施工。

4 結(jié)論

本文對鑿巖臺車在全斷面法和臺階法隧道掌子面鉆孔和錨桿鉆孔中的適用性進行了研究，提出了臺車適用性評估方法及選型參考公式，得出主要結(jié)論如下：

1)采用全斷面法施工的隧道，臺車的適用性分析應(yīng)從臺車作業(yè)范圍、一次性鉆孔長度及鉆孔直徑3個方面進行。只有當(dāng)3個方面同時滿足設(shè)計要求時，才能充分發(fā)揮出臺車的優(yōu)勢。

2)采用臺階法施工的隧道，臺車的適用性分析還應(yīng)考慮臺階高度和長度的影響。對于采用三臺階法施工的隧道，不建議直接采用鑿巖臺車進行鉆孔作業(yè)。

3)采用全斷面法開挖時，掌子面鉆孔和錨桿鉆孔可根據(jù)式(1)—式(5)對臺車進行適用性評估，臺車的選型可參考表2、表4。

4)采用臺階法開挖時，應(yīng)根據(jù)臺階高度和長度，按照式(1)、式(6)—式(8)對臺車進行適用性評估。