三臂鑿巖臺車在高速公路山嶺隧道的經(jīng)濟(jì)效益分析

田海龍

（中交四航局第二工程有限公司 廣州510230）

0 引言

21世紀(jì)以來，公路隧道呈現(xiàn)長大化趨勢。隨著我國人工成本逐年增加，傳統(tǒng)勞動密集型的人工鉆爆法施工組織日益困難［1］。我國目前隧道建設(shè)技術(shù)已從過去的人工開挖轉(zhuǎn)變?yōu)榘霗C(jī)械施工，并逐步向人工配合大型機(jī)械施工的方式轉(zhuǎn)變，人工配合機(jī)械施工將成為目前隧道建設(shè)的主流方式。傳統(tǒng)人工開挖能耗高、效率低，而三臂鑿巖臺車施工效率高、能耗低、勞動力需求少、安全系數(shù)高，可有效提升隧道施工的效率和效益。湯憲高等人［2］對不同圍巖條件下的隧道機(jī)械施工進(jìn)行經(jīng)濟(jì)效益分析，得出機(jī)械化配套施工可縮短工期、改善作業(yè)環(huán)境、提高工程質(zhì)量。李有兵［3］結(jié)合貴廣鐵路的天平山隧道總結(jié)分析鐵路隧道建設(shè)機(jī)械配套施工方案，有效提高了隧道建設(shè)效率以及安全性。薛君等人［4］結(jié)合東天山特長公路隧道機(jī)械施工，得出1臺三臂鑿巖臺車的掘進(jìn)效率與7名工人人工鉆孔效率相當(dāng)，現(xiàn)場單洞鉆孔時2 臺三臂鑿巖臺車施工效率可提高約38%。吳夢軍等人［5］總結(jié)歸納了我國公路隧道機(jī)械化施工采用的主要設(shè)備，認(rèn)為信息化、智能化、成套化和裝配化是公路隧道機(jī)械化施工的主要方向。張建周［6］對隧道采用Ⅰ型、Ⅱ型和常規(guī)機(jī)械化配套施工的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析，表明Ⅰ型機(jī)械化配套施工可縮短工期23%。張偉等人［7］對雙臂鑿巖臺車隧道機(jī)械化施工進(jìn)行了技術(shù)經(jīng)濟(jì)評價，與風(fēng)動鑿巖機(jī)對比，表明雙臂鑿巖臺車能有效降低隧道施工成本和勞動強(qiáng)度。

為總結(jié)三臂鑿巖臺車在高速公路隧道工程中的經(jīng)濟(jì)效益，本文結(jié)合廣連高速公路某山嶺隧道的施工情況，對其機(jī)械化施工進(jìn)行經(jīng)濟(jì)效益分析，為隧道工程大型機(jī)械化施工提供參考。

1 項(xiàng)目概況

某山嶺隧道為新建的廣連高速第一長隧道，為雙向六車道分離式隧道，起訖樁號左線ZK152+470～ZK156+820，長4 350 m；右線YK152+495～YK156+810，長4 315 m，呈295°～139°方向展布；隧道最大埋深約463.76 m（YK153+740），屬特長隧道。隧道左右洞進(jìn)、出口洞門均采用削竹式。該隧道劃分為TJ09、TJ10 兩個合同段，其中進(jìn)口段左線起訖樁號為ZK152+470～ZK154+645，長度為2 175 m；右線起訖樁號為YK152+495～YK154+652.5，長度為2 157.5 m；單洞累計(jì)總長4 332.5 m。隧道位于低山貌地區(qū)，區(qū)內(nèi)地面高程為56～695 m，相對高差639 m。隧道區(qū)出露地層為上覆第四系殘坡積粉質(zhì)粘土（Q4el+dl），下伏泥盆系上統(tǒng)（D3）泥質(zhì)灰?guī)r、灰?guī)r夾砂紙頁巖。強(qiáng)風(fēng)化巖屬破碎巖，中風(fēng)化巖屬較完整巖。隧道進(jìn)口段圍巖情況如表1所示。

表1 高峰隧道進(jìn)口段圍巖級別占比Tab.1 The Proportion of Surrounding Rock Grades at the Entrance of the Peak Tunnel

2 隧道機(jī)械化方案

2.1 設(shè)備配置情況

隧道開挖施工的主要設(shè)備配置有三臂鑿巖臺車、空壓機(jī)、風(fēng)鉆等，初期支護(hù)施工的主要設(shè)備配置有濕噴機(jī)械手、隧道拱架作業(yè)臺車，二襯及防水板施工的主要設(shè)備有防水板掛布臺車、液壓仰拱棧橋、側(cè)溝模板臺車，混凝土輸送地泵。機(jī)械化配置及機(jī)械化施工人員配置如表2、表3所示。

表2 某隧道機(jī)械化配置Tab.2 Mechanical Configuration of a Tunnel

表3 機(jī)械化人員配置Tab.3 Mechanized Staffing

2.2 三臂鑿巖臺車設(shè)備簡介

三臂液壓鑿巖臺車（見圖1）采用Atlascopco.XL3D型鑿巖臺車，配備了先進(jìn)的BMH6000 型推進(jìn)梁，最大化覆蓋作業(yè)面積178 m2，鉆臂可延伸寬度15.6 m，最高12.7 m（含鷹展臂），車身全長16.5 m，車寬2.9 m，高3.7 m，重達(dá)42 t。

2.3 機(jī)械化施工工藝

圖1 三臂鑿巖臺車Fig.1 Three-arm Rock Drilling Rig

隧道施工工藝依據(jù)地質(zhì)條件不同采取不同的施工方法，常用的開挖方法有全斷面法、臺階法（兩臺階和三臺階）、雙側(cè)壁導(dǎo)坑工法等。臺階法能夠提供較為寬敞的作業(yè)空間，有利于施工器械尤其是三臂鑿巖臺車等大型施工機(jī)械工作，近年來在隧道施工過程中得到廣泛應(yīng)用。宜巴高速公路峽口隧道主要采用上下臺階法和環(huán)形開挖留核心土法施工［8］，汶馬高速公路鷓鴣山隧道采用三臺階法預(yù)留核心土法和上下臺階預(yù)留核心土法施工［9］，宜萬鐵路堡鎮(zhèn)隧道主要采用三臺階法施工［10］。黃必洲等人［11］以山嶺隧道為例，采用有限元軟件分別建立全斷面法和三臺階法隧道施工模型進(jìn)行對比分析，綜合分析認(rèn)為三臺階施工方法更好。某隧道（進(jìn)口段）Ⅲ級圍巖占比超過52%，根據(jù)圍巖情況Ⅲ級圍巖采用上下臺階法施工，洞身斷面面積為133.4 m2，適用三臂液壓鑿巖臺車開挖，具備機(jī)械化施工條件。項(xiàng)目部根據(jù)實(shí)際情況投入2臺三臂液壓鑿巖臺車、2 臺濕噴機(jī)械手及1 臺隧道拱架安裝車，隧道機(jī)械化施工工藝如圖2所示。

圖2 隧道機(jī)械施工工藝Fig.2 Tunnel Mechanical Construction Technology

3 機(jī)械化作業(yè)功效分析

3.1 三臂鑿巖臺車隧道施工特點(diǎn)

該隧道（進(jìn)口段）從2018 年7 月至今使用三臂鑿巖臺車已完成1 200 m 主洞洞身開挖，經(jīng)過現(xiàn)場施工總結(jié)，三臂鑿巖臺車開挖相比人工鉆爆法，具有以下特點(diǎn)：

3.1.1 施工速度快

三臂鑿巖臺車每循環(huán)開挖進(jìn)尺比人工開挖每循環(huán)進(jìn)尺長，鉆孔速度快，可有效減少一個循環(huán)所需時間，可縮短隧道施工總工期，減少管理成本。

3.1.2 爆破效果好

鉆臂具備全方位平行保持功能和精確的直接定位技術(shù)，超欠挖控制可以達(dá)到10～20 cm，使其光爆效果遠(yuǎn)高于人工開挖，能嚴(yán)格控制開挖質(zhì)量，有效降低了噴射混凝土用量。

3.1.3 安全性較高

三臂鑿巖臺車操作人員在固定的操作臺上操作鉆機(jī)，離掌子面有十幾米的距離，一般處于拱架已安裝區(qū)域，且操作平臺有安全頂棚保證人員的安全，可防止落石傷人，安全系數(shù)明顯比人工風(fēng)鉆開挖高。

3.1.4 舒適性較高

三臂鑿巖臺車采用混合動力，移動采用柴油驅(qū)動，開挖采用電力驅(qū)動，不產(chǎn)生尾氣及粉塵，對空氣污染不大，且產(chǎn)生噪音與風(fēng)鉆相比較小，操作人員可戴上防噪音彈性耳塞，可大大減少噪音對人體的傷害。

3.1.5 炸藥消耗大

三臂鑿巖臺車較人工鉆爆法炸藥消耗量偏高。因?yàn)槿坭弾r臺車鉆頭為φ48，人工鉆爆鉆頭為φ40，而使用的是φ32乳化炸藥，同等藥量φ48孔徑爆破效果不佳，因此增加了單孔藥量。

3.1.6 存在局限性

三臂鑿巖臺車施工受開挖方式存在一定局限性，Ⅴ級圍巖單側(cè)壁開挖、雙側(cè)壁開挖、三臺階預(yù)留核心土等開挖方式因臺階斷面太小，三臂鑿巖臺車空間受限無法使用。適合Ⅱ、Ⅲ級圍巖全斷面或上下臺階法開挖。

3.2 三臂鑿巖臺車施工效率分析

三臂鑿巖臺車在山嶺隧道鉆爆的施工作業(yè)中優(yōu)勢明顯，主要分以下幾點(diǎn)：

3.2.1 成孔速度快

對于4～5 m孔深的施工，常規(guī)人工鉆爆需要7～8 min，而鑿巖臺車只需要1～3 min。

3.2.2 施工作業(yè)人員投入少

隧道臺階開挖，常規(guī)鉆機(jī)作業(yè)一個掌子面需要投入16～18人，而三臂鑿巖臺車只需要4～6人。

3.2.3 隧道洞內(nèi)作業(yè)環(huán)境好，安全性高

常規(guī)的風(fēng)鉆機(jī)成孔靠高壓風(fēng)力，將巖屑吹出孔，從而實(shí)現(xiàn)成孔，作業(yè)時產(chǎn)生大量的粉塵，嚴(yán)重影響作業(yè)人員的身體健康，也影響現(xiàn)場作業(yè)人員視線，掌子面環(huán)境十分差。而鑿巖臺車則是高壓水鉆成孔，作業(yè)時基本不產(chǎn)生粉塵，作業(yè)環(huán)境得到十分明顯的改善，人員作業(yè)時長短，離掌子面有一定的距離，不會受突然掉落石塊的傷害。

3.2.4 配套設(shè)備少

鉆機(jī)成孔，需經(jīng)洞外配置空壓機(jī)、循環(huán)水池，布設(shè)風(fēng)管進(jìn)洞等配套設(shè)備，而鑿巖臺車基本不需要空壓機(jī)，只需配置水和電就可以作業(yè)。

三臂鑿巖臺車與人工鉆爆法工效對比如表4 所示。三臂鑿巖臺車在施工過程中鉆孔時間可較人工鉆爆法縮短1.4～2.6 h。

表4 三臂鑿巖臺車與人工鉆爆法工效對比Tab.4 Comparison of Work Efficiency between Three-arm Rock Drilling Rig and Manual Drilling and Blasting

3.3 三臂鑿巖臺車經(jīng)濟(jì)效益分析

3.3.1 人工費(fèi)分析

鑿巖臺車需要1位機(jī)長，2位副機(jī)長，4位操作手，9 位清孔、裝藥工人，共計(jì)16 人。要確保人工開挖與三臂鑿巖臺車工效基本接近，人工鉆爆法需要20位操作手，主要負(fù)責(zé)打鉆、清孔、裝藥。即機(jī)械法施工人數(shù)較人工鉆爆法減少4人，且9人負(fù)責(zé)專職裝藥，可兼顧其他工種施工。經(jīng)測算機(jī)械法施工開挖人工成本約12.02 元/m3，人工法施工開挖人工成本約16.03 元/m3，機(jī)械法較人工法施工人工費(fèi)減少4.01 元/m3，具體成本對比分析如表5所示。

表5 三臂鑿巖臺車與人工成本對比Tab.5 Comparison of Three-arm Rock Drilling Rigand Labor Cost

3.3.2 火工費(fèi)分析

根據(jù)現(xiàn)場統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)三臂鑿巖臺車普遍較人工鉆爆法消耗炸藥量偏大，各圍巖對應(yīng)炸藥平均使用量如表6所示。

根據(jù)綜合計(jì)算，三臂鑿巖臺車法開挖每m3約消耗炸藥0.83 kg，雷管0.53發(fā)，炸藥直接成本約16元/m3；人工鉆爆開挖每m3約消耗炸藥0.68 kg，雷管0.47 發(fā)，炸藥直接成本約13.35元/m3。

3.3.3 機(jī)械設(shè)備費(fèi)

三臂鑿巖臺車1臺造價852.65萬元，按照10年攤銷折舊計(jì)算，設(shè)備維修費(fèi)暫按0.5 萬元/臺×月計(jì)，目前發(fā)生配件損耗費(fèi)55 萬元，經(jīng)計(jì)算每月約2.4 萬元/臺，綜合計(jì)算機(jī)械法機(jī)械設(shè)備費(fèi)約17.7 元/m3；人工鉆爆法主要使用5 臺空壓機(jī)、20 臺鉆孔機(jī)，綜合計(jì)算人工法機(jī)械設(shè)備費(fèi)約6.3元/m3，設(shè)備費(fèi)用對比詳見表7。

表6 三臂鑿巖臺車法與人工法炸藥量對比Tab.6 Comparison of Three-arm Rock Drilling Rig Method and Artificial Explosive Quantity

表7 三臂鑿巖臺車法與人工法設(shè)備費(fèi)對比Tab.7 Comparison of Equipment Costs Between Threearm Rock Drilling Rig Method and Manual Method

3.3.4 電費(fèi)

經(jīng)統(tǒng)計(jì)測算三臂鑿巖臺車電費(fèi)耗用約4.5 元/m3，人工法開挖電費(fèi)耗用約13.6元/m3。

根據(jù)以上各項(xiàng)成本分析，該隧道施工三臂鑿巖臺車法與人工鉆爆法施工直接成本對照如表8所示。

表8 施工直接成本對比Tab.8 Comparison of Direct Construction Costs

4 結(jié)語

三臂鑿巖臺車可實(shí)現(xiàn)多孔同時推進(jìn)，一次成多孔，極大減少了鉆孔時間，鉆孔時間較人工法縮短了1.4～2.6 h；同時三臂鑿巖臺車移動靈活，速度快，不需要搭建輔助平臺，可大大節(jié)約非鉆孔時間，極大縮短了工序的銜接時間。機(jī)械化施工在僅提升0.9 元/m3的施工直接成本下，可極大提升隧道施工效率。在不考慮其他影響因素情況下，采用三臂鑿巖臺車機(jī)械化施工可較傳統(tǒng)工藝可提高265 個工作日，對于縮短整體工程工期具有重大意義。

綜上所述，三臂鑿巖臺車在高速山嶺隧道的施工過程中具備良好的綜合效益，尤其對于提升隧道工程施工過程中的安全性、隧道工程的整體進(jìn)度有較大提升，對類似山嶺隧道的施工具有借鑒意義。