三臂鑿巖臺車開挖施工方法研究

劉彬，張慶明，王不凡，李良平，王羽

（1重慶交通建設（集團）有限責任公司，重慶 400010；2重慶交通大學 土木學院，重慶 400074）

0 引言

目前公路隧道和鐵路隧道一樣，總的趨勢是向長大化和深層化發(fā)展。隧道施工關鍵在于開挖。傳統(tǒng)的人工鉆爆法，雖然成本較低，但是工人的勞動強度大，施工的作業(yè)環(huán)境較惡劣，施工的效率也低。顯然以前的隧道開挖施工工藝已不能滿足國家對環(huán)保、低耗能、經濟性、高安全和高質量的要求，而三臂鑿巖臺車（圖1）具有鉆孔耗時少、自動化程度高、施工較為安全、施工質量高、較好的隧道開挖作業(yè)工作環(huán)境、較高的施工作業(yè)機械化水平、自定位鉆孔技術以及可以很好地控制超欠挖等優(yōu)勢。

圖1 三臂鑿巖臺車示意圖

1 工程概況

城開高速公路青龍?zhí)亻L隧道是重慶境內目前最長的在修公路隧道，工程地質環(huán)境極為復雜，施工工期長，隧道進口位于重慶市城口縣咸宜鄉(xiāng)青龍村，出口位于開縣滿月鄉(xiāng)天子村鎖口廟附近。隧道左洞長度為11489m，右洞長度為11456m。隧道公路等級為雙向四車道高速公路，隧道路面橫坡單向坡2%（直線段）。 左洞起止樁號：ZK71+781～ZK83+270，右洞起止樁號：K71+778～K83+234。該地段工程地質情況主要為：塊狀角礫巖、白云巖，局部夾泥灰?guī)r、頁巖，泥質粉砂巖與灰綠色互巖互層。塊狀構造，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體較破碎，塊石碎石狀鑲嵌結構。基于這種巖層狀況，項目部果斷引進三臂鑿巖臺車進行隧道挖掘，并對國外引進的三臂鑿巖臺車增加自定位開挖系統(tǒng)，進一步減少人工放線的時間，提高施工效率。三臂鑿巖臺車開挖成本控制度高，通過提高生產進度，提高工人的操作水平以減少超欠挖等手段來降低成本。同時由于極大地改善了施工環(huán)境，為工人的健康和安全提供了保障。

2 三臂鑿巖臺車施工技術特點

2.1 發(fā)展現(xiàn)狀、工作原理、適用范圍

隧道傳統(tǒng)的人工手持風鉆鉆爆開挖已逐漸不能滿足國家對環(huán)保、低耗能、經濟性和高安全的要求，而液壓鑿巖臺車是目前隧道鉆爆法施工中先進的開挖設備，隨著勞動力成本節(jié)節(jié)攀升，以及業(yè)主對工程安全、質量、工期的高度重視，液壓鑿巖臺車施工技術成為專業(yè)化施工隊伍做大做強所理應發(fā)展的技術，在降低人工開挖勞動強度、改善作業(yè)環(huán)境、充分發(fā)揮機械設備效率等方面具有明顯優(yōu)勢，符合現(xiàn)代隧道施工潮流，是今后隧道施工機械化發(fā)展的必然[1]。

采用鉆爆法進行開挖，可運用三臂鑿巖臺車快速、定位精確、安全的特點，各臺階進行平行交叉作業(yè)，通過優(yōu)化鉆爆參數(shù)，有效縮短循環(huán)作業(yè)時間、加快作業(yè)效率、提高鉆爆精度、減少超欠挖、減少對圍巖的損傷，同時也節(jié)約初期支護成本，較好地實現(xiàn)了洞室的快速開挖。

2.2 鉆爆設計

城開高速公路青龍隧道鉆孔設計采用二號巖石乳化炸藥，光面爆破周邊孔采用Φ28mm直徑普通藥卷，掏槽孔和輔助孔則使用Φ24mm直徑藥卷。炮孔堵塞采用炮泥堵塞，松緊合適，長度大于25cm。隧道掏槽眼采取4排對稱斜眼掏槽形式設計，周邊孔與輔助孔的孔底在同一垂直面上。施工中為達到爆破預期效果，外圍孔使用縱向綁扎間隔竹片+導爆索上空氣非耦合間隔裝藥方式，而其余炮孔則用連續(xù)裝藥方式。

三臂鑿巖臺車開挖斷面設計面積為118.6m2，為控制超挖，循環(huán)進尺保持在3.5～4.1m區(qū)間。同時，為滿足施工工期要求，使用大楔形掏槽光面爆破技術，并運用瑞典ATLASR353E三臂液壓臺車進行鉆眼，孔深3.4～3.9m，孔徑為48mm，運用非電毫秒導爆管系統(tǒng)、40mm乳化炸藥，炮眼布置具體如圖2所示。

圖2 三臂鑿巖臺車炮眼圖

2.3 三臂鑿巖臺車參數(shù)選取原則

依據(jù)城開高速公路青龍隧道的三臂鑿巖臺車的施工建設質量控制體系，三臂鑿巖臺車必須滿足表1相關要求。

2.4 三臂鑿巖臺車技術選型參數(shù)

根據(jù)城開高速公路青龍隧道的施工相關參數(shù)要求，施工中采用的三臂鑿巖臺車主要技術參數(shù)見表2。

2.5 質量檢查

表1 三臂鑿巖臺車建設質量控制體系

利用挖掘機進行排險和扒碴作業(yè)。檢查爆破效果及炮眼殘眼率，測量人員用全站儀對超欠挖部位測量標識，若有欠挖部位，進行補炮處理，及時調整炮眼位置、外插角度、裝藥量，以達到最佳爆破效果。在施工地段巖性差、圍巖破碎、節(jié)理發(fā)育時，應該提高爆破炮眼痕跡的保存率，盡量達到平均炮眼利用率90%，平均炮痕保存率70%，減少超欠挖量。在每次爆破完成、通風完畢、清理完石渣后，爆破人員應根據(jù)巖層的節(jié)理裂隙發(fā)育情況，及時調整爆破設計，調整裝藥量，合理分配周邊眼裝藥的集中度，增大炮眼痕跡保存率，減少超挖量。

3 三臂鑿巖臺車實施效果分析

月直山隧道工程使用三臂鑿巖臺車進行施工，在各方人員的不懈努力下，獲得了顯著的效果。相比普通人工鉆爆，極大提升了施工進度，通過檢查實施效果，主要有以下幾個優(yōu)點：

（1）可以快速鑿巖成孔，且開挖成型較好。一般情況下，堅硬巖中三臂鑿巖臺車單臂造孔速度為2.5m/min，常規(guī)氣腿鉆每臺0.25m/min，且隨著巖石強度的提升，更能夠將三臂鑿巖臺車的造孔速度優(yōu)勢體現(xiàn)出來[2]。鉆孔期間，充分考慮各種圍巖結構特點，對鉆機推進壓力與沖擊壓力做出適當調整，能夠讓所有鉆進參數(shù)都保持最佳狀態(tài)，這樣能夠更加精確與快速，使鉆孔質量得到提升。通過有效控制周邊眼外插角，能夠保證開挖成型好，減少超挖；

（2）能夠節(jié)省動力。利用三臂鑿巖臺車動力消耗較少，能量利用率高，動力消耗（尤其是油料）僅為風動鑿巖機的1/4～1/2。能量利用率是風動鑿巖機的兩倍有余，大大節(jié)約了資源；

（3）能夠保證安全。操作人員在固定操作平臺操作機械，與掌子面距離超過10m，且平臺上面設置有安全頂棚，有效防止了拱頂與掌子面塌方掉塊對作業(yè)人員造成的傷害。且三臂鑿巖臺車鉆臂沖擊力較大，可以徹底清理危石，節(jié)省時間；

（4）改善了施工環(huán)境。三臂鑿巖臺車機組人員勞動強度不高，出現(xiàn)卡鉆的幾率較小，為濕式鉆進，可以減少粉塵。同時鉆進過程中噪音降低了10～15dB，施工掌子面視線很好，整體顯得整齊和簡潔；

（5）節(jié)省欠挖與出渣時間。出現(xiàn)欠挖后，用長鉆桿一次性處理完成，不會對下一循環(huán)正常開挖造成影響，每個循環(huán)能夠節(jié)省時間1h左右。三臂鑿巖臺車比人工鉆爆臺架窄，寬度只有2.9m，在裝最后一輛車渣時，人工臺架鉆爆開挖要將余渣除盡，將底面平整后方可臺架就位，而三臂鑿巖臺車開挖能夠把最后余渣從挖掘機抓扒至兩側邊墻腳的地方，避免對臺車就位造成影響，每個循環(huán)能夠減少的時間約為45 min。

表2 城開高速公路青龍隧道三臂鑿巖臺車參數(shù)取值

4 結語

三臂鑿巖臺車在大斷面特長隧道Ⅱ、Ⅲ級圍巖的條件下，較手持風鉆具有鉆孔速度快、機械化程度高、能耗低、施工安全、成孔質量好、噪音空氣污染少和綜合成本低等優(yōu)點，而提高操作人員的專業(yè)水平和素質減少超欠挖、加強設備保養(yǎng)是實現(xiàn)上述鑿巖臺車優(yōu)勢的關鍵[3]。這對于類似的特長公路隧道快速開挖施工，提高施工的安全性，提升施工機械自動化施工，減少施工人員的工作量和降低事故率，有較大的參考意義，具有很大的推廣價值。