全液壓鑿巖臺(tái)車在隧道中的應(yīng)用

陳從睿

(四川省交通勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川成都 610017)

近年來隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，隧道工程也在不斷地發(fā)展[1]。對(duì)于部分工程項(xiàng)目，隧道更是全線的重點(diǎn)控制工程。面對(duì)日益嚴(yán)峻的環(huán)境問題，我國(guó)新建在建工程建設(shè)項(xiàng)目，都將環(huán)境保護(hù)、能源消耗、安全質(zhì)量等問題放在了重要位置。系統(tǒng)性地對(duì)工程進(jìn)行施工組織設(shè)計(jì)，通過引進(jìn)先進(jìn)設(shè)備、研究工藝特點(diǎn)，統(tǒng)籌安排施工流程，從而達(dá)到國(guó)家對(duì)環(huán)保的基本要求，同時(shí)兼顧經(jīng)濟(jì)性和安全質(zhì)量。

1 工程概況

本文以某隧道長(zhǎng)2 025 m的1#斜井開挖為例，對(duì)照分析全液壓鑿巖臺(tái)車手持式鑿巖機(jī)的開挖施工效果，光面爆破技術(shù)及施工工藝流程和控制要點(diǎn)。

隧道左、右線共使用1臺(tái)瑞典AtlascopcoXL3 D全液壓鑿巖臺(tái)車，輔助坑道(橫洞、斜井、泄水洞、平導(dǎo))共使用1臺(tái)瑞典Atlascopco L2 D全液壓鑿巖臺(tái)車。本文選用瑞典Atlascopco L2 D全液壓鑿巖臺(tái)車(圖1)進(jìn)行分析。整車性能參數(shù)如表1所示。

圖1 瑞典Atlascopco L2 D全液壓鑿巖臺(tái)

2 手持鑿巖機(jī)和鑿巖臺(tái)車對(duì)比

2.1 施工成本分析

以1#斜井開挖為例，考慮最簡(jiǎn)單的施工工況，開挖掌子面與空壓機(jī)距離小于1.5 km。每1 m開挖方量為75 m3，每日2循環(huán)，開挖進(jìn)尺為3 m左右。選用手持風(fēng)鉆鑿巖機(jī)方案，每循環(huán)開挖時(shí)間為3 h，而采用瑞典AtlascopcoL2 D全液壓鑿巖臺(tái)車開挖方案，每循環(huán)開挖時(shí)間僅需2 h。

其具體施工成本對(duì)照如表2所示。

對(duì)照表2可知，二者實(shí)際開挖成本基本持平。但液壓鑿巖臺(tái)車每循環(huán)比手持風(fēng)鉆鑿巖開挖的進(jìn)尺多0.5 m以上,每循環(huán)用時(shí)節(jié)約1 h。在保障正常出渣的前提下，單考慮二者的開挖速度，液壓鑿巖臺(tái)車每天的開挖進(jìn)度約高1.3 m,相較手持風(fēng)鉆鑿巖開挖每月多開挖約合40 m,進(jìn)度提高20 %左右。以隧道1#斜井為例, 可將施工工期提前3個(gè)月。

表1 瑞典AtlascopcoL2 D全液壓鑿巖臺(tái)車基本性能參數(shù)

表2 施工成本對(duì)照 元/m3

此外，隧道1#斜井的巖石主要為灰?guī)r(強(qiáng)度為70 MPa以上)，每個(gè)作業(yè)循環(huán)開挖進(jìn)尺按照3 m計(jì)算。在上文工況下，需要4臺(tái)130 kW的空壓機(jī)和1臺(tái)110 kW的通風(fēng)機(jī)共同持續(xù)工作3 h，最低耗電量為1 890 kW·h (4×130 kW×3 h+110 kW×3 h)。結(jié)合隧道開挖斷面得到，手持風(fēng)鉆鑿巖開挖能耗為：8.4 kW·h/m3。而完成同樣的作業(yè)循環(huán)，僅需1臺(tái)液壓鑿巖臺(tái)車運(yùn)行約2 h，其電能耗計(jì)算如下：最低耗電量400 kW·h (200 kW×2h)，其開挖能耗為：1.8 kW·h/m3。

由以上分析，液壓鑿巖臺(tái)車開挖的電能耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于手持風(fēng)鉆鑿巖施工，每開挖1 m3巖石，可節(jié)約6.6 kW·h/m3。

綜上可知，使用液壓鑿巖臺(tái)車更有利于提高現(xiàn)場(chǎng)施工組織效率。

2.2 綜合質(zhì)量分析

鑿巖臺(tái)車開挖的施工環(huán)境和安全系數(shù)較人工手持風(fēng)鉆開挖有質(zhì)的飛躍。人工風(fēng)鉆開挖采用高壓空氣作動(dòng)力，會(huì)造成極大的空氣污染，風(fēng)鉆又產(chǎn)生高分貝的噪音，引發(fā)噪音污染。這些對(duì)施工人員的身體健康造成極大的威脅，可能導(dǎo)致矽肺病及聽力下降。而人工風(fēng)鉆開挖，操作人員離掌子面比較近，其產(chǎn)生的沖擊振動(dòng)可能引起隧道落石，造成人員傷亡。

鑿巖臺(tái)車由于其自身的特點(diǎn),在開挖中的超欠挖控制能力要高于人工風(fēng)鉆開挖。瑞典AtlascopcoL2 D全液壓鑿巖臺(tái)車采用BMH6818型液壓推進(jìn)梁，鉆桿長(zhǎng)度達(dá)5 530 mm，有效孔深可達(dá)5 268 mm，在進(jìn)一步提高進(jìn)尺的同時(shí)，也極大的減少了靠幫角；鉆臂具備全方位平行保持功能和精確的直接定位技術(shù)，在實(shí)際使用中證明，完全可以達(dá)到11～15 cm的超欠挖水平，較手風(fēng)鉆20～25 cm的超欠挖具備更大優(yōu)勢(shì)，且由于全部采用機(jī)械化作業(yè)，可以保證施工的連續(xù)性，持續(xù)保證開挖效果。隨著鑿巖臺(tái)車司鉆工操作技術(shù)的不斷提高,其光爆效果遠(yuǎn)高于人工開挖,大大降低了噴射混凝土用量，其經(jīng)濟(jì)效益遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于人工開挖。

3 鑿巖臺(tái)車光面爆破應(yīng)用

根據(jù)新奧法施工原理，選用兩臺(tái)全液壓鑿巖臺(tái)車進(jìn)行全斷面或臺(tái)階法施工。為了盡量減少施工對(duì)圍巖的擾動(dòng)，需要根據(jù)圍巖條件的不同，調(diào)整光面爆破施工的參數(shù)和措施，進(jìn)行一次性開挖工作。同時(shí)利用全液壓鑿巖臺(tái)車保證開挖進(jìn)尺最大化，整體成型效果最優(yōu)，以達(dá)到施工最高效。

3.1 工藝流程

工藝流程見圖2。

圖2 鑿巖臺(tái)車施工工藝流程

3.1.1 測(cè)量放樣

采用萊卡全站儀TPS1201(精度1″)進(jìn)行測(cè)量放線，測(cè)量前視人員利用鑿巖臺(tái)車中間的云梯臺(tái)架，用紅油漆畫出周邊孔孔位，其孔位參考見圖3。

圖3 隧道開挖測(cè)量光面爆破放線參考

3.1.2 臺(tái)車就位

在測(cè)量放樣完畢后及時(shí)進(jìn)行鑿巖臺(tái)車定位，由班組長(zhǎng)根據(jù)隧道中線指揮臺(tái)車準(zhǔn)確就位，同時(shí)必須保證就位區(qū)域平整堅(jiān)硬。

3.1.3 鉆孔

臺(tái)車就位且完成輔助準(zhǔn)備工作后，應(yīng)嚴(yán)格按照測(cè)量放樣和爆破設(shè)計(jì)進(jìn)行鉆孔，應(yīng)嚴(yán)格遵照鉆孔順序，以兩臂鑿巖臺(tái)車為例說明(圖4)。

圖4 鉆孔步驟示意

鉆孔順序：底孔→抬炮→周邊孔→輔助孔→拱部擴(kuò)大孔→掏槽孔→中心擴(kuò)大孔。

3.1.4 超挖及爆破

隧道1#斜井在爆破掘進(jìn)中超挖和超爆主要體現(xiàn)在兩個(gè)區(qū)域：拱肩和邊墻。重點(diǎn)針對(duì)這兩處進(jìn)行重點(diǎn)調(diào)整，以輔助坑道為例，其裝藥布置圖見圖5。

3.2 鑿巖臺(tái)車與人工爆破技術(shù)對(duì)比

全液壓鑿巖臺(tái)車在隧道光面爆破高效應(yīng)用效果極為顯著，并且其開挖效率和安全性能指標(biāo)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于人工手風(fēng)鉆。但全液壓鑿巖臺(tái)車施工成本較人工手持風(fēng)鉆高26元/m3，對(duì)于短小隧道而言并無優(yōu)勢(shì)可言，但對(duì)掘進(jìn)長(zhǎng)度大于5 km或工作面多的隧道而言，兩者的施工成本基本持平。全液壓鑿巖臺(tái)車在光面爆破技術(shù)上的高效應(yīng)用，更能對(duì)隧道施工成本(初支噴混凝土、二襯澆筑混凝土)控制起到最優(yōu)的控制，從而

圖5 隧道光面爆破裝藥量

降低隧道施工總體成本。

3.3 適用范圍

全液壓鑿巖臺(tái)車在實(shí)際應(yīng)用過程中，其光爆效果顯著，但總體來說其適用范圍為Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ級(jí)圍巖的全斷面和Ⅳ級(jí)圍巖臺(tái)階法開挖；Ⅴ級(jí)圍巖受進(jìn)尺和變形限制，很難體現(xiàn)出其光面爆破高效應(yīng)用效果。

4 結(jié)束語

本文以隧道1#斜井開挖為例，全面對(duì)比了全液壓鑿巖臺(tái)車與人工手持風(fēng)鉆施工的優(yōu)缺點(diǎn)。結(jié)果表明，在進(jìn)行大斷面、大長(zhǎng)度及多工作面的硬巖隧道掘進(jìn)開挖時(shí)，兩者施工成本基本持平，但全液壓鑿巖臺(tái)車開挖耗能小、污染小、安全性高，具有很大的優(yōu)勢(shì)，是一種值得推廣的施工工藝。