全電腦三臂鑿巖臺車在隧道機械化施工中的應(yīng)用探討

張守同

（中鐵十八局集團有限公司，天津 300222）

1 引言

三臂鑿巖臺車作為目前國內(nèi)外隧道鉆爆法施工中先進的開挖設(shè)備，擁有先進的液壓控制系統(tǒng)，與傳統(tǒng)人工鉆爆法相比，具有作業(yè)范圍大、靈活性強、空氣和噪聲污染小、安全高效等技術(shù)優(yōu)勢，尤其在臺階法和全斷面法施工中充分體現(xiàn)了其安全高效的特性，實現(xiàn)了快速、優(yōu)質(zhì)、安全、高效施工；多功能全電腦三臂鑿巖臺車施工技術(shù)已成為隧道機械化施工的發(fā)展方向。

文獻(xiàn)[1-8]以實際工程為例，從安全、質(zhì)量、隧道施工進度等方面研究了大斷面軟弱圍巖中三臂鑿巖臺車的應(yīng)用技術(shù)，并提出了設(shè)備優(yōu)化建議；胡衛(wèi)平[9]對一種三臂鑿巖臺車推進梁上的頂盤結(jié)構(gòu)設(shè)備進行優(yōu)化改造，減小了三臂鑿巖臺車超欠挖的影響；要建國[10]以實際工程為例，研究了鑿巖臺車超欠挖控制問題，提出鑿巖臺車在隧道施工中運用閉環(huán)管理模式、調(diào)整鉆孔參數(shù)、控制隧道施工超欠挖的方法；文獻(xiàn)[11-14]研究了三臂鑿巖臺車在隧道機械化施工中的作用；文獻(xiàn)[15-17]研究了三臂鑿巖臺車在控制爆破引起的隧道超欠挖中的作用；文獻(xiàn)[18-21]以實際工程為例，研究了三臂鑿巖臺車的經(jīng)濟性，提出了三臂鑿巖臺車在隧道機械化施工過程中提高施工效率、效益的建議。綜上，少有文獻(xiàn)從三臂鑿巖臺車的功能方面研究其施工工藝、施工控制重點等事項。本文以鄭萬高鐵蘇家?guī)r隧道進口段施工為例，根據(jù)三臂鑿巖臺車的施工研究成果評價三臂鑿巖臺車在隧道機械化施工中的作用。

2 工程概況及地質(zhì)

鄭萬高鐵蘇家?guī)r隧道位于湖北省襄陽市?？悼h黃堡鎮(zhèn)境內(nèi)，全長5 360 m，最大埋深約439 m，設(shè)計縱坡25‰，19.7‰的單面上坡，隧道地處荊山山脈，屬構(gòu)造侵蝕剝蝕中山地貌區(qū)，洞身頂部以灰?guī)r、頁巖互層為主，其下為頁巖夾砂巖，再下為砂質(zhì)頁巖，洞身段主要穿過地層為砂質(zhì)頁巖，隧道進口段洞身主要為Ⅳ、Ⅴ級圍巖。隧道設(shè)計為鐵路客運專線雙線隧道，隧道斷面按350 km/h速度設(shè)計。

3 全電腦三臂鑿巖臺車功能

（1）全電腦三臂鑿巖臺車具有施工參數(shù)存儲共享，自行走、炮孔位置確定等功能，具備隧道圖紙參數(shù)與現(xiàn)場施工參數(shù)比對的動態(tài)管理系統(tǒng)，根據(jù)建筑信息模型 （BIM），實現(xiàn)圖紙數(shù)據(jù)與現(xiàn)場隧道掘進里程的動態(tài)轉(zhuǎn)換，大幅度提升了鑿巖臺車定位和作業(yè)準(zhǔn)確性。

（2）全電腦三臂鑿巖臺車采用大慣量柔性臂架高精度定位技術(shù)，通過定位誤差補償實現(xiàn)了鑿巖臺車臂架的高精度定位，實現(xiàn)了臂架運動學(xué)參數(shù)的最優(yōu)匹配，以及鉆孔的高精度定位。

（3）全電腦三臂鑿巖臺車通過實際鉆孔與設(shè)計參數(shù)的比對，總結(jié)不同地質(zhì)條件下的鉆孔參數(shù)，確定鉆孔最優(yōu)控制參數(shù)并進行動態(tài)管理，妥善解決了卡鉆、空打問題。

4 全電腦三臂鑿巖臺車施工技術(shù)

4.1 施工工藝流程

隨著三臂鑿巖臺車設(shè)計制造技術(shù)及其智能化的不斷提高，隧道機械化施工工藝日趨成熟，全電腦三臂鑿巖臺車鉆爆作業(yè)施工流程示意圖如圖1所示。

4.2 施工方法及控制要點

4.2.1 測量放樣

全電腦三臂鑿巖臺車配有一個多功能作業(yè)平臺，在鉆孔前2名測量人員站在吊籃內(nèi)按照鉆爆設(shè)計進行炮眼放樣并用紅色噴漆標(biāo)識，采用配有先進斷面測量程序的TS06全站儀，可實現(xiàn)隧道掘進斷面的快速放樣?，F(xiàn)場測量放樣圖如圖2所示。

4.2.2 鉆孔

（1）鉆爆設(shè)計。以某隧道Ⅲ、Ⅳ級圍巖臺階法施工、錨網(wǎng)噴支護型式為例，各類孔眼炸藥使用量如表1所示。

表1 全斷面法、臺階法鉆爆參數(shù)表

（2）全電腦三臂鑿巖臺車鉆孔。鉆孔深度根據(jù)圍巖軟硬程度、節(jié)理發(fā)育、掌子面的平整度進行適當(dāng)調(diào)整，宜在同一斷面上布設(shè)孔底，單循環(huán)進尺3.8 m 時單個鉆孔深4 m 所用時間約為1 min 30 s，上臺階每循環(huán)鉆孔時間約為1 h 30 min，在局部圍巖破碎區(qū)段易出現(xiàn)塌孔現(xiàn)象，應(yīng)合理調(diào)整鉆進速度，必要時采用沖鉆處理鉆進中的塌孔問題。臺階法上臺階炮眼布置示意圖如圖3所示，Ⅳ級圍巖炮孔布置示意圖（圖中A1 ～A3、B1～B3為炮眼分區(qū)）如圖4所示。

（3）安裝炸藥及爆破。 掏槽眼、輔助眼、底板眼采用連續(xù)裝藥，周邊眼采用間隔裝藥，其間距為 50 cm，用透明膠帶將藥卷固定在竹片上，間隔藥卷之間通過導(dǎo) 爆管串連，三臂鑿巖臺車的作業(yè)平臺作為裝藥平臺以確保施工安全。

4.3 控制要點

4.3.1 操作控制要點

（1）嚴(yán)格執(zhí)行操作規(guī)程，停車時應(yīng)支起千斤頂支腿，鉆孔作業(yè)時嚴(yán)禁人員從大臂下通過，嚴(yán)禁在臺車上放置爆破器材或利于臺車大臂進行其他作業(yè)。

（2）臺車的起步與行駛應(yīng)嚴(yán)格遵守《全電腦智能三臂鑿巖臺車》使用說明書相關(guān)要求，設(shè)備行走應(yīng)留意各類儀表指示，及時處理異常問題，以規(guī)避設(shè)備事故；操作人員應(yīng)熟悉施工環(huán)境，實時掌控車輛運行狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)異常及時處理。

4.3.2 質(zhì)量控制要點

（1）測量放樣是控制隧道超欠挖的關(guān)鍵因素之一，根據(jù)爆破設(shè)計的炮孔間距，在掌子面標(biāo)示開挖斷面中心線、輪廓線及隧道軸線，以方便司鉆操作及提高鉆孔質(zhì)量。

（2）根據(jù)掌子面圍巖情況及時完成初支護，盡早封閉巖面，形成初支與圍巖共同承載地層應(yīng)力以保證圍巖的穩(wěn)定性，有利于控制圍巖變形浸入凈空造成欠挖。

（3）按照爆破設(shè)計方案，掏槽應(yīng)落實設(shè)計參數(shù)，拱頂、起拱、邊坡等位置為基準(zhǔn)孔位，周邊炮孔參照基準(zhǔn)孔位司鉆。

（4）高度注意鑿巖臺車推進梁的定位，在鑿巖機的作業(yè)空間充足的條件下，保證推進梁與隧道軸線平行，減少外插角；確保推進梁頂端和末端“兩個基本點”不發(fā)生偏移，若發(fā)生偏移應(yīng)調(diào)整推進梁或重新鉆孔，以保證周邊炮孔符合要求。

（5）底板孔施鉆應(yīng)控制好推進梁尾部與地面的高度，開孔處的位置滿足設(shè)計標(biāo)高要求，以保證隧道底部超挖在允許范圍內(nèi)。

（6）把握好“沖擊與推進”。要根據(jù)圍巖情況與司鉆經(jīng)驗，適時調(diào)整沖擊與推進，鉆進方向易偏移的位置，要低沖擊、低推進鉆進并及時檢查鉆進方向；圍巖較差時要低沖擊、低推進鉆進，圍巖較好時鉆進一定深度后采用高沖擊高推進鉆進。

（7）周邊炮孔施鉆時應(yīng)調(diào)整好各項參數(shù)，頂盤壓緊開挖面，掌握超欠挖規(guī)律，板炮孔間距可根據(jù)圍巖情況適當(dāng)均勻調(diào)整，以保證較好的爆破效果。

4.3.3 安全控制要點

（1）開動設(shè)備前，做好管線等各連接部位的可靠性檢查，確保操作系統(tǒng)正常運行。

（2）操作者根據(jù)指示信號移動設(shè)備，運行中應(yīng)確保平穩(wěn)移動，不宜使設(shè)備過度擺動。

（3）施工操作中，要確保支腿可靠穩(wěn)定，鉆臂移動前應(yīng)確認(rèn)鉆桿末端脫離工作面，人員進入作業(yè)區(qū)。

（4）施工完畢，設(shè)備安全停放在設(shè)定區(qū)域，控制桿件置于零位，進行設(shè)備清潔保養(yǎng)。

5 工效對比

全電腦三臂鑿巖臺車與傳統(tǒng)鉆爆法相比，在進度、爆破效果、安全、環(huán)保、適用性、單循環(huán)進尺等方面優(yōu)勢明顯，尤其在安全方面比傳統(tǒng)的鉆爆法有明顯的優(yōu)勢。

5.1 進度方面

三臂鑿巖臺車擁有先進的鑿巖系統(tǒng)，鉆孔速度快，超出傳統(tǒng)風(fēng)動鑿巖機效率的2倍。三臂鑿巖臺車的鑿巖機功率較大，成孔快，比風(fēng)動鑿巖機提高效率 55%～75%，施工循環(huán)時間較人工開挖減少約40%，鑿巖臺車定位快而準(zhǔn)，降低工人勞動強度、節(jié)省了人工成本。蘇家?guī)r隧道進口采用全電腦三臂鑿巖臺車鉆孔與出口采用傳統(tǒng)的風(fēng)動鑿巖機鉆孔對比表如表 2所示。

表2 三臂鑿巖臺車與風(fēng)動鑿巖機鉆孔對比表

5.2 超欠挖控制方面

三臂鑿巖臺車的鉆桿定位后，按水平或固定傾角推進，操作人員只需經(jīng)過短時間的培訓(xùn)就可以上機操作，且通過操縱桿就能靈活調(diào)控鉆孔位置和角度，較傳統(tǒng)風(fēng)動鉆機更好地提高了鉆孔質(zhì)量，更好地控制了超欠挖。

5.3 安全方面

與人工鉆爆法相比，三臂鑿巖臺車大幅度減少掌子面作業(yè)人員數(shù)量，且操作人員距離掌子面有13 m左右的安全距離，視線開闊，利于觀察圍巖變化，加上操作平臺上安全頂棚的保護，有效提高了作業(yè)人員的安全防護水平。

5.4 環(huán)保方面

全電腦三臂鑿巖臺車鑿巖系統(tǒng)由電力驅(qū)動，并采用了封閉式油路系統(tǒng)，避免了風(fēng)動鑿巖機的排氣噪聲，消除了風(fēng)鉆排出的濕霧狀廢氣，大幅降低了隧道粉塵含量，有效改善了作業(yè)環(huán)境，保證作業(yè)人員的身體健康，同時，縮短了隧道必要的降塵通風(fēng)時間，大幅節(jié)約通風(fēng)費用。

5.5 適用性方面

全電腦三臂鑿巖臺車除日常開挖作業(yè)外，還可用于5～15 m 的加深炮孔、超前水平鉆、錨桿、隧底釬探的施工，通過更換相應(yīng)鉆頭還可進行小導(dǎo)管、中管棚的施作，適用范圍廣，大幅提高了設(shè)備的利用率。

6 結(jié)論與建議

（1）全電腦三臂鑿巖臺車適用于常規(guī)隧道施工，在全斷面施工時經(jīng)濟效益顯著，臺階法施工時較人工鉆爆施工速度也有較大提升；但在軟弱圍巖地段三臺階法施工時，需采用微臺階法，受空間限制，應(yīng)在安全、工期、經(jīng)濟性方面的綜合比選后確定。Ⅳ級、Ⅴ級軟弱圍巖段落采用超前管棚、纖維錨桿注漿等加固，根據(jù)圍巖情況及時封閉掌子面，利于提高鑿巖臺車的施工效率。

（2）實際工程中地質(zhì)情況的千變?nèi)f化，在一定程度上影響了全電腦三臂鑿巖臺車的某些自動化功能的實現(xiàn)，因此應(yīng)根據(jù)鉆孔作業(yè)取得的巖層參數(shù)，經(jīng)信息自動分類并結(jié)合掌子面的數(shù)碼成像技術(shù)，獲取地層信息與設(shè)計圍巖情況進行對比分析，提供掌子面的穩(wěn)定情況并優(yōu)化超前支護設(shè)計方案及爆破設(shè)計方案，實現(xiàn)隧道施工的智能化動態(tài)設(shè)計。