鑿巖臺車采用長短眼配套控制隧道超挖技術(shù)

方俊波, 劉洪震, *, 馬留闖

(1. 中鐵隧道局集團(tuán)有限公司， 廣東 廣州 511400； 2. 中國中鐵隧道股份有限公司， 河南 鄭州 450001)

0 引言

鉆爆設(shè)備的配套與選型直接影響隧道施工的工期、質(zhì)量、安全、成本等。越來越多的施工企業(yè)在選擇鉆爆機(jī)械設(shè)備時，綜合考慮施工方法、工期、隧道規(guī)模、斷面尺寸、環(huán)保及企業(yè)戰(zhàn)略目標(biāo)等因素，均優(yōu)先選擇大能力、高效率的鉆孔機(jī)械，如采用多臂鑿巖臺車[1]。

近年來，隨著國內(nèi)裝備制造技術(shù)的發(fā)展[2]，國產(chǎn)化鑿巖臺車技術(shù)逐漸成熟，進(jìn)口設(shè)備也開始降價，加上國家大力倡導(dǎo)提高隧道施工機(jī)械化水平，液壓鑿巖設(shè)備應(yīng)用逐漸廣泛，國產(chǎn)液壓鑿巖設(shè)備已有迎頭趕上的趨勢[3-5]。目前，鑿巖臺車已成為隧道鑿巖設(shè)備發(fā)展水平的重要標(biāo)志。但是鑿巖臺車鉆孔時，由于推進(jìn)梁鉆臂結(jié)構(gòu)構(gòu)造等方面原因，加上現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境視線不清、人員責(zé)任心不強或不熟練等，臺車鉆孔時鉆桿外插角普遍偏大。特別是在軟弱圍巖中施工時，由于拱架支護(hù)靠近工作面，鉆桿的外插角更大，致使隧道鉆爆超挖量大，在一定程度上也制約了鑿巖臺車的推廣使用。因鑿巖臺車推進(jìn)梁結(jié)構(gòu)無法進(jìn)行較大范圍的改進(jìn)，采用技術(shù)措施降低多臂鑿巖臺車鉆孔爆破超挖量很有必要。

當(dāng)前，針對隧道施工機(jī)械化重點配套機(jī)械，很多技術(shù)人員對鑿巖臺車的應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)研究?？祵毶鶾6]對三臂液壓鑿巖臺車在客運專線隧道工程中的使用情況進(jìn)行了分析，指出了影響鑿巖臺車使用效率的原因，提出了搞好臺車使用管理的思路。朱琴生[7]通過三臂液壓鑿巖臺車在青島膠州灣海底隧道施工中的應(yīng)用研究，指出三臂液壓鑿巖臺車在軟弱圍巖中亦能實現(xiàn)快速、優(yōu)質(zhì)、安全、高效施工。馬宏偉[8]從鑿巖臺車的測量放線、周邊孔司鉆、底板孔司鉆、底板光面爆破、欠挖管理、司鉆管理等技術(shù)和措施方面出發(fā)，詳細(xì)介紹了液壓鑿巖臺車開挖隧道控制超欠挖施工技術(shù)。金明等[9]以鄭萬高鐵小三峽隧道工程為依托，介紹了鑿巖臺車從施工工效、人員配置、安全性、超欠挖控制、成本投入等方面施工應(yīng)用制約，指出鑿巖臺車較風(fēng)鉆施工平均線性超挖較大，但可通過加強管理來縮小差距。胡衛(wèi)平[10]分析發(fā)現(xiàn)三臂鑿巖臺車推進(jìn)梁上的頂盤結(jié)構(gòu)存在一定的缺陷，導(dǎo)致施鉆時外插角難以控制，從而影響超欠挖控制精度；通過改進(jìn)頂盤結(jié)構(gòu)，加強了施鉆精度控制，減少了超挖量。尹文綱等[11]采用"長短眼"控制爆破技術(shù)，Ⅳ級圍巖段隧道周邊超欠挖可控制在150 mm以內(nèi)。

目前對鑿巖臺車控制超挖的研究主要集中在臺車鉆孔施工管理及對結(jié)構(gòu)進(jìn)行小范圍技術(shù)改進(jìn)等方面，在技術(shù)措施方面對減少隧道超挖進(jìn)行深入研究工作較少。本文在前人研究及施工實踐經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，開發(fā)出一套用于鑿巖臺車控制隧道超欠挖的長短眼配套施工技術(shù)，并應(yīng)用于施工實踐，減少了隧道超欠挖，節(jié)省了成本，提高了施工工效，達(dá)到了較好的光面爆破效果。

1 隧道鉆爆開挖引起超挖的原因及相關(guān)規(guī)定

鉆爆法隧道施工時，受鉆孔設(shè)備本身結(jié)構(gòu)的影響，周邊孔在鉆進(jìn)過程中需要有一定的外插角，保持一定量的超挖量，才能始終滿足隧道凈空設(shè)計要求[12]。特別是Ⅳ、Ⅴ級圍巖，有時要求鋼拱架支護(hù)結(jié)構(gòu)緊跟掌子面，在支護(hù)結(jié)構(gòu)保證安全的情況下，再進(jìn)行鉆孔工作。受支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響，鑿巖臺車鉆孔過程中的外插角會更大，且鉆孔越深，超挖量會越大。另外，在目前鐵路隧道嚴(yán)禁二次襯砌結(jié)構(gòu)欠厚的情況下，圍巖欠挖已基本上不被允許，"寧超勿欠"已成鉆爆開挖的一條不成文的規(guī)定。超挖必定會給施工單位帶來一定的經(jīng)濟(jì)損失，影響隧道施工質(zhì)量[13]。如何將不可避免的超挖降到合適水平，是廣大隧道施工管理及技術(shù)人員非常關(guān)心的問題。

根據(jù)Q/CR 9604-2015《高速鐵路隧道工程施工技術(shù)規(guī)程》10.2.1條相關(guān)內(nèi)容規(guī)定，隧道開挖的允許超挖值應(yīng)符合如表1所示的要求。

表1 隧道允許超挖值

表1所示的隧道允許超挖值是基于人工手持風(fēng)鉆施工時統(tǒng)計的經(jīng)驗數(shù)據(jù)，考慮的影響因素主要有： 風(fēng)鉆結(jié)構(gòu)、鉆孔定位誤差、巖石節(jié)理裂隙、圍巖松弛掉塊等。相對于多臂鑿巖臺車，人工手持風(fēng)鉆機(jī)動靈活，結(jié)構(gòu)小巧，鉆桿直徑小、柔度大，司鉆時采用長鉆桿鉆進(jìn)，利用其柔性可一定程度降低周邊眼超挖數(shù)值，有利于隧道超挖的控制；而鑿巖臺車鉆臂寬厚，鉆桿及鉆頭直徑大、剛度強，推進(jìn)梁頂端設(shè)有頂盤等，加上現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境視線不清、視距較遠(yuǎn)、人員責(zé)任心不強或不熟練等，同時為了保護(hù)頂盤及扶釬器不與巖面摩擦碰撞，使得鉆孔時因其結(jié)構(gòu)構(gòu)造原因，產(chǎn)生的超挖要遠(yuǎn)大于人工手持風(fēng)鉆。目前國內(nèi)還未有針對鑿巖臺車鉆爆施工時的允許超挖值，現(xiàn)場產(chǎn)生的超出規(guī)范允許超挖值得不到有效簽認(rèn)，使得施工成本上升。這也是目前國內(nèi)阻礙鑿巖臺車普及推廣應(yīng)用的原因之一。

2 鑿巖臺車鉆爆超挖量產(chǎn)生原因分析

按規(guī)范，衡量隧道單位長度上的超挖量主要有2個指標(biāo)： 斷面上最大超挖值與平均線性超挖值。其中，平均線性超挖值指斷面上超挖量(面積)除以隧道周長(不含仰拱)。由于炮孔是直線，隧道斷面(高鐵雙線斷面)周長一定，則隧道最大超挖值就決定了隧道超挖量，即決定了平均線性超挖值。故本文僅對鑿巖臺車鉆爆施工中產(chǎn)生的最大超挖值進(jìn)行研究。

受機(jī)械臂結(jié)構(gòu)影響，鑿巖臺車鉆孔時產(chǎn)生的超量較大且不可避免。鑿巖臺車機(jī)械臂結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 鑿巖臺車機(jī)械臂結(jié)構(gòu)示意圖

由圖1可知，鉆爆時超挖值主要受機(jī)械臂鉆桿中心距鑿巖機(jī)頂面距離l1、鉆桿中心距中間扶釬器頂面距離l2、鉆桿中心距頂盤頂面距離l33個參數(shù)影響，這3個參數(shù)越小，鉆桿越容易貼近開挖巖面，超挖值就越小。一般鑿巖機(jī)生產(chǎn)廠家在設(shè)計時盡可能減小l1、l2、l33個參數(shù)值，并盡量確保l2、l3相等且不大于l1。但即便推進(jìn)梁能與縱向開挖圍巖面平行、緊貼(不考慮鑿巖機(jī)與開挖面通過安全距離5 cm)，其仍會產(chǎn)生一個與l1相等的最大超挖值。

超挖值除了與鑿巖臺車鉆臂結(jié)構(gòu)構(gòu)造有關(guān)外，還與工作面上一循環(huán)初期支護(hù)施工有關(guān)。當(dāng)上一循環(huán)初期支護(hù)緊鄰開挖工作面及厚度較大時，鉆桿外插角增大，平均線性超挖大。

2.1 理論超挖量計算

假設(shè)鑿巖臺車鉆臂外插角為0°，此時在鉆臂施工范圍內(nèi)初期支護(hù)厚度也為0，圍巖無欠挖，如此鉆臂才能基本平行且緊貼于隧道拱部圍巖，該狀態(tài)稱為理想狀態(tài)，此時不產(chǎn)生欠挖，且形成的超挖量最小。但鉆臂緊貼圍巖時仍需要預(yù)留約5 cm的操作空間，稱為鑿巖機(jī)頂面保護(hù)距離，以保證推進(jìn)梁上鑿巖機(jī)的順利移動；如不預(yù)留該空間，鑿巖機(jī)工作時可能結(jié)構(gòu)受損。

理想狀態(tài)時，鑿巖臺車鉆爆超挖成因分析如圖2所示。

α為外插角度； l為開挖進(jìn)尺； d為初期支護(hù)厚度； H為超挖值； h為欠挖值； l1為鉆桿中心距鑿巖機(jī)頂面距離； l3為鉆桿中心距頂盤頂面距離； C為鑿巖機(jī)通過安全距離，一般為5 cm。下同。

理想狀態(tài)時的隧道超挖值由鑿巖機(jī)頂面保護(hù)距離C、鉆桿中心距鑿巖機(jī)頂面距離l1決定，為二者之和。一般情況下，C取值5 cm,l1=9 cm，則鑿巖臺車鉆爆施工時理論上最小超挖量約為14 cm。

Ⅱ、Ⅲ級圍巖進(jìn)行施工時，如果僅進(jìn)行初期支護(hù)(假設(shè)僅濕噴混凝土)，則鑿巖臺車最大超挖量還需要加上初期支護(hù)厚度，厚度越大，最大超挖量越大。理想狀態(tài)時，還要求圍巖不超出5 cm高的欠挖，否則還需要加上上一循環(huán)欠挖高度。也可以說，采用鑿巖臺車進(jìn)行Ⅱ、Ⅲ圍巖施工時，假設(shè)近工作面2～3循環(huán)圍巖處初噴混凝土厚度為8 cm,無欠挖，則其理論上最小超挖量應(yīng)該為14 cm+8 cm=22 cm。

Ⅳ、Ⅴ級軟弱圍巖進(jìn)行施工時，由于臺車推進(jìn)梁需要8 m左右的作業(yè)空間，若圍巖不能自穩(wěn)或自穩(wěn)能力差，長時間大空間不及時進(jìn)行初期支護(hù)，隧道施工安全風(fēng)險將陡高，故理想狀態(tài)施工實際應(yīng)用的可能性較低。

2.2 上一循環(huán)支護(hù)緊鄰開挖工作面超挖量計算

上一循環(huán)支護(hù)緊鄰開挖工作面時，鉆臂施鉆可分以下2種情況。

1)狀態(tài)1： 外插角為0，鉆臂頂面緊貼圍巖水平鉆進(jìn)(見圖3)。此時，施工時僅產(chǎn)生欠挖值，無超挖。欠挖值h主要由鉆桿中心距鑿巖機(jī)頂面距離l1、鑿巖機(jī)頂面保護(hù)距離C、初期支護(hù)厚度d決定，為三者之和。

圖3 超欠挖成因分析示意圖(狀態(tài)1)

①Ⅱ、Ⅲ圍巖進(jìn)行施工時，初期支護(hù)厚度一般在12 cm左右，鑿巖機(jī)保護(hù)距離為5 cm，鉆桿中心距鑿巖機(jī)頂面距離l1為9 cm,則其欠挖值應(yīng)該為12 cm+9 cm+5 cm=26 cm。

②Ⅳ、Ⅴ級軟弱圍巖進(jìn)行施工時，初期支護(hù)厚度一般在25 cm左右，鑿巖機(jī)保護(hù)距離為5 cm，鉆桿中心距鑿巖機(jī)頂面距離l1為9 cm,則其欠挖值應(yīng)該為25 cm+9 cm+5 cm=39 cm。

由此可知，狀態(tài)1時鑿巖臺車鉆爆施工產(chǎn)生的欠挖大，需要二次爆破處理，擾亂正常的施工次序，不利于快速施工和安全控制，且二次欠挖處理仍會造成一定程度的超挖。因此，被應(yīng)用的可能性極低。

2)狀態(tài)2： 具有一定外插角，孔口有欠挖，但孔底無超欠挖，且位于設(shè)計輪廓線上(見圖4)。此時，施工時在孔口部分產(chǎn)生欠挖值，至孔底依距離減少，孔底無超欠挖值。但由于具有一定的外插角，推進(jìn)梁上鑿巖機(jī)移動時可不與初期支護(hù)接觸，故不存在鑿巖機(jī)保護(hù)距離C，僅推進(jìn)梁最前端頂盤與圍巖接觸。則最小欠挖值h主要由鉆桿中心距頂盤距離l3、初期支護(hù)厚度d決定，為二者之和； 最小外插角α=arctan(h/l)。

圖4 超挖成因分析示意圖(狀態(tài)2)

Ⅱ、Ⅲ級圍巖時，孔口最小欠挖值為12 cm+8 cm=20 cm；Ⅳ、Ⅴ級軟弱圍巖時，孔口最少欠挖值為25 cm+8 cm=33 cm。

狀態(tài)2時孔底雖無超挖，但鉆孔孔口位置欠挖大，二次欠挖處理擾亂正常施工次序，仍會造成一定程度的超挖，實際應(yīng)用的可能性很低。

2.3 上一循環(huán)支護(hù)未緊鄰開挖工作面超挖量計算

上一循環(huán)支護(hù)未緊鄰開挖工作面時，鉆臂施鉆可分以下2種情況。

1)狀態(tài)3： 具有一定外插角，孔口無欠挖，孔口位于設(shè)計輪廓線上，但孔底有超欠挖(見圖5)。此時，施工時孔口無欠挖值，但孔深超挖量增加，至孔底產(chǎn)生最大超挖值； 鑿巖機(jī)移動時可能與初期支護(hù)接觸，存在鑿巖機(jī)保護(hù)距離C。則最大超挖H=l(d+c+l1)/S,最小外插角α=arctan[(d+c+l1)/S]。一般情況下，未初期支護(hù)長度S常與下一循環(huán)進(jìn)尺l相等，則孔底最大超挖值H=d+c+l1。

S為初期支護(hù)至掌子面的距離，其根據(jù)圍巖級別及穩(wěn)定情況綜合確定，為確保施工安全受控，該段落需完成錨桿、網(wǎng)片及初噴混凝土施工。下同。

Ⅱ、Ⅲ圍巖施工時，孔底最大超挖值為12 cm+5 cm+9 cm=26 cm；Ⅳ級軟弱圍巖施工時，孔底最大超挖值為25 cm+9 cm+5 cm=39 cm；Ⅴ級軟弱圍巖施工時，孔底最大超挖值為29 cm+9 cm+5 cm=43 cm。

狀態(tài)3預(yù)留了初期支護(hù)至掌子面距離，孔口雖無欠挖，但孔底超挖巨大。尤其是預(yù)留距離較小、開挖進(jìn)尺越大時超挖值越大，如增大初期支護(hù)與掌子面間預(yù)留距離，對軟弱圍巖施工不利，如縮短開挖進(jìn)尺，不利于達(dá)到施組進(jìn)度指標(biāo)。因此，實際應(yīng)用的可能性低。

2)狀態(tài)4： 具有一定外插角，孔口位于設(shè)計輪廓線下方，孔口有欠挖，孔底有超挖(見圖6)。但孔底超挖量應(yīng)盡量控制在國標(biāo)允許范圍之內(nèi)，且炮孔外插角應(yīng)至少保證炮孔的一半長度位于在設(shè)計輪廓線上方，確保不產(chǎn)生大量欠挖。

為了使炮孔底部的超挖值H減小，可將開孔位置向輪廓線內(nèi)移，在鉆孔深度不變及外插角大小不變的情況下，超挖值H將會減小。因開孔位置進(jìn)行了內(nèi)移，導(dǎo)致孔口位置一定深度范圍內(nèi)出現(xiàn)了欠挖，為了不產(chǎn)生欠挖，應(yīng)將該范圍內(nèi)的欠挖用淺炮眼爆破掉，即在放樣輪廓線另設(shè)置短炮孔處理長炮眼爆破產(chǎn)生的欠挖。采取長短眼配套措施可以一定程度上控制鑿巖臺車鉆爆施工產(chǎn)生的大量超挖難題。

3 長短眼配套措施控制超挖技術(shù)

鄭萬高鐵某項目一共投入8臺鑿巖臺車，因隧道圍巖軟弱，節(jié)理裂隙發(fā)育，前期超挖量較大，項目結(jié)合現(xiàn)場實際情況及臺車結(jié)構(gòu)進(jìn)行了爆破技術(shù)改進(jìn)試驗，采用長短眼的方式控制超挖量，具體如下：

隧道周邊采用長短眼形式，主要是利用短眼處理長眼爆破后部的欠挖，這樣既減少了長眼因外插角大造成的過大超挖，又把欠挖處理和本循環(huán)開挖合并減少了時間浪費，同時還可保證循環(huán)進(jìn)尺不減少，有利于發(fā)揮鑿巖臺車鉆眼速度快的優(yōu)勢。

長短眼配套在掌子面斷面上鉆孔平面布置如圖7所示。按光爆設(shè)計設(shè)置長眼、短眼環(huán)向間距(40～55 cm),長短眼徑向間距約為14 cm,長眼、短眼交錯布置,短眼掘進(jìn)長度一般為長眼掘進(jìn)長度的40%～50%，其主要取決于長眼的開孔位置及外插角度，確保爆破清除長眼爆破后的欠挖部分。開孔位置與初期支護(hù)厚度及初期支護(hù)距掌子面距離、設(shè)備結(jié)構(gòu)尺寸有關(guān)，外插角度決定了最大超挖量，應(yīng)盡可能小，但也不能過小，否則會增加短眼處理欠挖部分的長度，從而增加短眼長度，造成短眼鉆孔工作量加大，經(jīng)濟(jì)效益反而降低。

圖7 長短眼斷面布置平面圖(單位： cm)

長短眼配套炮孔縱向剖面布置如圖8所示。

圖8 長短眼配套布置剖面圖

圖8中，A1為短眼鉆孔時鑿巖機(jī)運動至初期支護(hù)界面時距設(shè)計輪廓線的距離，其由初期支護(hù)厚度d、鑿巖機(jī)保護(hù)距離C及鑿巖機(jī)頂面中鉆桿中心線距離l1組成，初期支護(hù)厚度一定，則A1值就確定。短眼開孔位置確?？卓诓磺吠?，孔口位于設(shè)計輪廓線上，此2點決定了短眼的外插角，當(dāng)短眼的循環(huán)進(jìn)尺一定時，則該孔底的最大超欠值H1=A1×B1/S。針對長眼而言，其位置亦由2點決定： 1)要保證短眼的下前方長眼超出設(shè)計輪廓線才能確保不欠挖，即長眼第1個點是短眼孔底垂直于設(shè)計輪廓線的交點； 2)長眼在掌子面的開孔位置要保證鑿面機(jī)的運移空間，即第2個點為長眼的開孔位置，其距設(shè)計輪廓線至少由鑿巖機(jī)保護(hù)距離C及鑿巖機(jī)頂面中鉆桿中心線距離l1組成，為9 cm+5 cm=14 cm。則可計算出長眼孔底最大超挖值為H2=14×(B2-B1)/B1。也就是說： 只要長短眼的循環(huán)進(jìn)尺及初期支護(hù)距掌子面的距離確定了，則孔底的最大超挖也確定了。

根據(jù)不同圍巖等級初期支護(hù)設(shè)計厚度、初期支護(hù)與掌子面距離(施工中常取與長眼循環(huán)進(jìn)尺相等)以及長短眼循環(huán)進(jìn)尺(短眼分別為長眼的40%、50%)，可計算出孔底最大超挖值，計算結(jié)果如表2所示。

表2 不同圍巖、不同長度長短眼配套孔底最大超挖值計算表

由表2可知，當(dāng)圍巖級別一定，短眼為長眼的一半時，兩孔底平均最大超挖值較少。施工中應(yīng)將短眼設(shè)置為長眼長度的一半，此時可在一定程度上降低隧道最大超挖值，即Ⅱ、Ⅲ級圍巖施工時為14 cm、Ⅳ級圍巖施工時為19.5 cm、Ⅴ級圍巖施工時為21.5 cm，相比類似條件只采用長眼時的最大超挖分別減少約12、19.5、21.5 cm。

由圖8可知，在確保不欠挖的情況下，當(dāng)長短孔外插角一致，B1大于B2的1/2時，短孔的超挖量大于長孔的超挖量，此時最大超挖量大于常規(guī)鉆孔超挖的1/2；當(dāng)B1小于B2的1/2時，長孔的超挖量大于短孔的超挖量，此時最大超挖量大于常規(guī)鉆孔超挖量的1/2；當(dāng)B2剛好為B1的2倍時，長短孔超挖量相等，此時相對常規(guī)鉆孔的超挖減少量為50%，即采用2層長短孔進(jìn)行爆破開挖時，產(chǎn)生的超挖量可降低50%。

但在實際施工中，還應(yīng)包括約5 cm左右的鉆孔施工誤差，即得鑿巖臺車施工的最大超挖建議值見表3。

表3 鑿巖臺車長短眼配套施工各級圍巖允許最大超挖建議值

4 結(jié)論及建議

1)由于結(jié)構(gòu)構(gòu)造的原因，采用鑿巖臺車鉆爆施工時產(chǎn)生的超挖量較大，如果不采取相應(yīng)的措施，如"撇桿"及長短眼配套等技術(shù)手段，很難將超挖控制在Q/CR 9604-2015《高速鐵路隧道工程施工技術(shù)規(guī)程》要求之內(nèi)。故應(yīng)一定程度上提高鑿巖臺車鉆爆超挖允許值或開挖單價等，唯有如此才能使得鑿巖臺車得以大規(guī)模推廣應(yīng)用。

2)考慮成本及效率情況下，采用2層長短眼配套技術(shù)手段有利于鑿巖臺車鉆爆時減少超挖，將超挖控制在標(biāo)準(zhǔn)允許范圍之內(nèi)，與不采用技術(shù)手段相比，Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級圍巖超挖量均降低50%左右，但付出代價是增加約1倍的周邊眼鉆孔、裝藥時間及火工品消耗。

3)在安全日益受到重視的情況下，成環(huán)拱架初期支護(hù)需要盡可能緊跟開挖面，但由于隧道結(jié)構(gòu)時空效應(yīng)，非不良地質(zhì)段的拱架初期支護(hù)可以滯后開挖1個循環(huán)(滯后約12 h)施作，僅初噴混凝土可以保證掌子面施工安全的，拱架滯后1個循環(huán)有利于鑿巖臺車鉆鑿周邊眼時減少外插角，有利于減少隧道超挖。

4)應(yīng)成立專業(yè)化公司進(jìn)行鑿巖臺車鉆爆施工管理及應(yīng)用，以利于機(jī)械設(shè)備的管理及爆破技術(shù)的進(jìn)步。