公路隧道多臂鑿巖機(jī)與濕噴機(jī)組機(jī)群施工作業(yè)研究

郭 海 斌

(山西路橋再生資源開(kāi)發(fā)有限公司，山西 太原 030000)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，隧道施工也不斷向智能化方向發(fā)展。通過(guò)在某在建隧道采用全電腦多臂鑿巖臺(tái)車和濕噴機(jī)組進(jìn)行機(jī)群作業(yè)，對(duì)Ⅲ級(jí)圍巖段隧道開(kāi)挖和初期支護(hù)施工技術(shù)進(jìn)行研究。雖然全電腦多臂鑿巖臺(tái)車施工成本較高，但施工效率高，且開(kāi)挖斷面尺寸精度高，可節(jié)約初期支護(hù)成本，與傳統(tǒng)的人工開(kāi)挖和支護(hù)施工方式相比具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和發(fā)展前景。

1 工程概況

某隧道設(shè)計(jì)采用雙向六車道，設(shè)計(jì)車速100 km/h，設(shè)計(jì)荷載為公路—Ⅰ級(jí)。隧道左洞設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為1 360 m，右洞設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為1 364 m。隧道圍巖等級(jí)為Ⅲ級(jí)～Ⅴ級(jí)，其中主要為Ⅲ級(jí)圍巖，占隧道總長(zhǎng)度的60%以上。隧道進(jìn)口段兩洞凈距為19 m，出口段兩洞凈距為25 m，屬于小凈距隧道。該隧道采用雙向施工，其中右洞Ⅲ級(jí)圍巖段采用全電腦多臂鑿巖臺(tái)車進(jìn)行開(kāi)挖，其他部分采用人工鉆爆開(kāi)挖，濕噴機(jī)組進(jìn)行初期支護(hù)施工。

2 多臂鑿巖臺(tái)車隧道鉆爆開(kāi)挖設(shè)計(jì)與施工

2.1 隧道開(kāi)挖鉆爆設(shè)計(jì)方法

全電腦多臂鑿巖臺(tái)車采用Sandivik iSure軟件進(jìn)行鉆爆設(shè)計(jì)，施工前根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，對(duì)隧道斷面數(shù)據(jù)、激光數(shù)據(jù)、隧道曲線設(shè)計(jì)等資料進(jìn)行收集。鉆爆計(jì)步驟如下：

1)新建工程，填寫系統(tǒng)文件資料，輸入工程數(shù)據(jù)，并根據(jù)激光數(shù)據(jù)建立鉆爆設(shè)計(jì)坐標(biāo)系。

2)結(jié)合設(shè)計(jì)資料確定鉆孔位置。根據(jù)循環(huán)進(jìn)尺、鉆爆材料等指標(biāo)自動(dòng)計(jì)算確定鉆孔位置，各類鉆孔的確定順序依次為周邊孔、輔助眼、掏槽眼，并顯示鉆爆爆破效果圖，如圖1所示。根據(jù)爆破的效果區(qū)域調(diào)整開(kāi)挖斷面炮眼的位置和數(shù)量，并通過(guò)調(diào)整隧道爆破材料調(diào)整爆破效果。

3)鉆孔方向的確定。根據(jù)爆破底層孔位的位置關(guān)系確定鉆孔方向，首先鉆周邊輪廓眼，其次為輔助眼，最后為掏槽眼。炮眼鉆孔方向如圖2所示。

4)多臂鑿巖臺(tái)車鉆孔順序和鉆臂旋轉(zhuǎn)角度確定。鉆孔數(shù)量根據(jù)鉆臂的數(shù)量確定，重點(diǎn)考慮設(shè)備尺寸、鉆孔作業(yè)范圍、作業(yè)盲區(qū)等參數(shù)。根據(jù)圍巖情況和炮眼分布情況合理確定各個(gè)鉆臂的鉆孔數(shù)量，也可人工調(diào)整鉆孔順序。

5)爆破順序確定。起爆順序是通過(guò)炸藥的參數(shù)來(lái)確定的，首先進(jìn)行掏槽眼起爆，然后根據(jù)石渣掉落方向自下而上對(duì)稱起爆，以充分發(fā)揮爆破效果。

2.2 洞身開(kāi)挖

1)機(jī)械準(zhǔn)備。

鉆孔設(shè)備選用1臺(tái)DTi全電腦多臂鑿巖臺(tái)車，1臺(tái)多功能臺(tái)架配合人工裝藥。出渣方式采用無(wú)軌運(yùn)輸方式，進(jìn)出口4個(gè)工作面各配置1臺(tái)裝載機(jī)、1臺(tái)挖掘機(jī)，共配置7輛自卸汽車出渣。

2)人員準(zhǔn)備。

配置兩個(gè)操作班組對(duì)DTi全電腦多臂鑿巖臺(tái)車進(jìn)行操作，裝藥設(shè)一個(gè)班組，測(cè)量、維修、輔助班組各設(shè)一個(gè)，每個(gè)工作面配置兩名管理人員。

3)材料準(zhǔn)備。

按施工要求配備機(jī)械燃油、炸藥、雷管等材料，并分類管理，保證安全。

4)鉆孔施工。

根據(jù)炮眼類型、鉆孔順序、孔徑、傾角等鉆孔參數(shù)進(jìn)行鉆孔施工，該隧道Ⅲ級(jí)圍巖施工區(qū)域全斷面開(kāi)挖炮眼布置如圖3所示。

劃分區(qū)域，將同一傾角的炮眼劃為一組，使用同一鉆臂完成鉆孔。根據(jù)臺(tái)車鉆臂的施工任務(wù)，對(duì)每一個(gè)鉆孔定位后進(jìn)行鉆孔施工，并按順序依次完成鉆孔作業(yè)。鉆臂由操作臺(tái)內(nèi)的電腦控制，可根據(jù)需要調(diào)整鉆孔參數(shù)。鉆孔過(guò)程中，可以根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整鉆臂的鉆孔任務(wù)，進(jìn)行動(dòng)態(tài)管理。

3 隧道洞身初期支護(hù)濕噴機(jī)組施工工藝

3.1 濕噴機(jī)群組建

隧道初期支護(hù)采用濕噴機(jī)組完成，濕噴機(jī)群主要有攪拌站、混凝土攪拌運(yùn)輸車和濕噴機(jī)組成。其中攪拌站選擇在靠近工地現(xiàn)場(chǎng)，方便運(yùn)輸材料的洞口附近選址建設(shè)。水泥混凝土攪拌設(shè)備的生產(chǎn)能力應(yīng)能滿足濕噴施工的要求，現(xiàn)場(chǎng)配備2臺(tái)水泥混凝土攪拌運(yùn)輸車，保證連續(xù)施工。混凝土施工采用1臺(tái)中聯(lián)CIFA-CSS3混凝土噴射機(jī)的濕噴機(jī)組，作業(yè)半徑大，上下轉(zhuǎn)臺(tái)可實(shí)現(xiàn)180°轉(zhuǎn)動(dòng)，可以控制噴射距離，降低回彈。

3.2 隧道初期支護(hù)設(shè)計(jì)

該隧道Ⅲ級(jí)圍巖段襯砌支護(hù)設(shè)計(jì)采用錨桿鋼筋網(wǎng)噴射混凝土支護(hù)，錨桿采用3.5 m藥卷錨桿，間距為0.5 m×1.0 m，鋼筋網(wǎng)采用φ8，200 mm×200 mm雙層鋼筋網(wǎng)。

3.3 濕噴施工工藝

在Ⅲ級(jí)、Ⅳ級(jí)深埋圍巖狀態(tài)較好區(qū)域，濕噴工藝分為初噴和復(fù)噴兩步。初噴是在開(kāi)挖后進(jìn)行，主要是為了防止圍巖剝落，封閉圍巖孔隙，防止風(fēng)化，厚度一般為4 cm～6 cm。復(fù)噴是在初噴混凝土初凝后進(jìn)行，噴射過(guò)程中注意填充鋼筋網(wǎng)與圍巖之間的空隙，并保證鋼筋保護(hù)層厚度，厚度通常為8 cm左右。如果復(fù)噴后仍然有部分區(qū)域存在凹坑，還需要進(jìn)行補(bǔ)噴。

4 成本分析

4.1 開(kāi)挖施工成本分析

該隧道采用兩種方法進(jìn)行開(kāi)挖施工，方法一采用全電腦多臂鑿巖臺(tái)車進(jìn)行洞身開(kāi)挖，方法二采用風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī)開(kāi)挖。為了確定全電腦多臂鑿巖臺(tái)車與濕噴機(jī)組機(jī)群作業(yè)的經(jīng)濟(jì)性，在Ⅲ級(jí)圍巖區(qū)域建立試驗(yàn)段，對(duì)二者開(kāi)挖成本進(jìn)行對(duì)比分析。開(kāi)挖施工成本主要包括鉆爆和出渣運(yùn)輸費(fèi)用，本部分重點(diǎn)闡述機(jī)械使用費(fèi)計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如下：

1)人工費(fèi)。

綜合考慮兩種方法所需的工種及各工種人數(shù)，得出全電腦多臂鑿巖臺(tái)車開(kāi)挖人工綜合單價(jià)4.7元/m3，風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī)開(kāi)挖人工綜合單價(jià)為12.68元/m3。

2)材料使用費(fèi)。

材料使用費(fèi)主要是爆破器材的使用，包括炸藥、雷管、導(dǎo)爆索等。計(jì)算得出方法一和方法二開(kāi)挖材料費(fèi)分別為15.98元/m3和11.18元/m3。

3)機(jī)械使用費(fèi)。

a.方法一。

全電腦多臂鑿巖臺(tái)車造價(jià)高，使用費(fèi)用主要是每臺(tái)班折舊費(fèi)。設(shè)計(jì)臺(tái)車使用壽命8年，殘值率為5%，計(jì)算確定時(shí)間價(jià)值系數(shù)為1.36。按每天工作1.5臺(tái)班，年工作時(shí)間為300 d計(jì)算，確定1臺(tái)全電腦多臂鑿巖臺(tái)車的耐用總臺(tái)班為3 600臺(tái)班。臺(tái)車總造價(jià)為1 100萬(wàn)元，計(jì)算可得出臺(tái)班折舊費(fèi)=11 000 000×(1-5%)×(1.36/3 600)=3 948元/臺(tái)班。按平均每臺(tái)班平均進(jìn)尺3.69 m計(jì)算，每方開(kāi)挖單價(jià)為4 307/(128×3.69)=8.36元/m3。另外，機(jī)械費(fèi)用還要考慮鉆頭損壞、電力消耗、運(yùn)輸車輛折舊等各類費(fèi)用，綜合考慮確定開(kāi)挖綜合單價(jià)為28.64元/m3。

b.方法二。

采用風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī)進(jìn)行開(kāi)挖的機(jī)械使用費(fèi)用主要包括風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī)、空壓機(jī)和運(yùn)輸機(jī)械使用費(fèi)、折舊費(fèi)，還要考慮電費(fèi)、鉆頭損耗、風(fēng)管、臺(tái)架等配套設(shè)施的使用費(fèi)用。綜合各類開(kāi)挖、出渣機(jī)械使用費(fèi)確定采用風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī)開(kāi)挖單價(jià)為10.28元/m3。

4)開(kāi)挖總成本計(jì)算。

按開(kāi)挖成本的5%計(jì)算管理費(fèi)用，綜合各類費(fèi)用確定采用兩種開(kāi)挖方法的總成本如表1所示。

表1 兩種方法開(kāi)挖施工總成本統(tǒng)計(jì)表 元/m3

由于全電腦多臂鑿巖臺(tái)車造價(jià)較高，對(duì)應(yīng)的機(jī)械使用費(fèi)用較高，雖然在其他方面優(yōu)勢(shì)比較明顯，但總成本仍略高于風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī)開(kāi)挖法。但方法一可有效減少人力消耗，提高機(jī)械化程度和施工質(zhì)量，這種方法每延米開(kāi)挖成本為：73.37×128×1=9 391.36元。風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī)開(kāi)挖機(jī)械成本較低，但需要消耗大量的人力，該方法每延米開(kāi)挖成本為：65.91×128×1=8 436.48元。

4.2 噴射混凝土成本分析

通過(guò)對(duì)濕噴機(jī)組現(xiàn)場(chǎng)施工情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，Ⅲ級(jí)圍巖區(qū)域濕噴機(jī)組生產(chǎn)能力為12.42 m/h，每循環(huán)平均進(jìn)尺5 m，噴射混凝土施工3.5 h，得出每延米濕噴作業(yè)成本為：3.5/5×12.42×513.22=4 461.93元。

4.3 開(kāi)挖支護(hù)總成本分析

結(jié)合以上對(duì)開(kāi)挖和噴射混凝土施工成本的計(jì)算結(jié)果，得出隧道每延米開(kāi)挖支護(hù)總成本。采用全電腦多臂鑿巖臺(tái)車和濕噴機(jī)組機(jī)群作業(yè)總成本為：開(kāi)挖成本總成本(9 378.56)+支護(hù)成本(4 461.93)=13 853.29元；采用風(fēng)動(dòng)鑿巖臺(tái)車和濕噴機(jī)組組合作業(yè)施工總成本為：開(kāi)挖成本總成本(8 436.48)+支護(hù)成本(4 461.93)=12 898.41元。

5 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合隧道施工項(xiàng)目對(duì)全電腦多臂鑿巖臺(tái)車開(kāi)挖，采用濕噴機(jī)組進(jìn)行初期支護(hù)施工進(jìn)行研究，并與風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī)開(kāi)挖方式進(jìn)行對(duì)比分析，得出以下結(jié)論：

1)全電腦多臂鑿巖臺(tái)車開(kāi)挖可提高施工精度，減少超欠挖，節(jié)約初期支護(hù)施工成本，提高施工效率；

2)通過(guò)對(duì)兩種開(kāi)挖方法開(kāi)挖支護(hù)成本進(jìn)行分析，得出采用全電腦多臂鑿巖臺(tái)車開(kāi)挖成本略高于風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī)開(kāi)挖，這是由于機(jī)械成本較高造成的。但是這種開(kāi)挖方法施工精度高、可有效減少工人的勞動(dòng)強(qiáng)度、機(jī)械化程度高，通過(guò)進(jìn)一步優(yōu)化開(kāi)挖斷面設(shè)計(jì)方案、開(kāi)展智能化鉆孔，可進(jìn)一步降低成本，說(shuō)明全電腦多臂鑿巖臺(tái)車開(kāi)挖法具有良好的發(fā)展前景。