三臂鑿巖臺(tái)車(chē)在軟巖隧道施工中的應(yīng)用研究

孫士成，張坤

（中交第一航務(wù)工程局有限公司，天津 300461）

0 引言

近年來(lái)，我國(guó)隧道建設(shè)朝著深、長(zhǎng)、大的趨勢(shì)發(fā)展，鉆爆法憑借經(jīng)濟(jì)、高效、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用[1]。傳統(tǒng)的鉆爆法通常采用人工鑿巖，但隨著人工費(fèi)用大幅上漲、安全要求、工期要求的不斷提高，隧道鉆爆施工全面實(shí)現(xiàn)機(jī)械化是未來(lái)發(fā)展的必然趨勢(shì)[2]。三臂鑿巖臺(tái)車(chē)是目前隧道鉆爆法機(jī)械化施工最先進(jìn)的設(shè)備，其自動(dòng)化程度高，人員勞動(dòng)強(qiáng)度低，正逐步應(yīng)用于隧道的施工中[3]。

自我國(guó)引進(jìn)鑿巖臺(tái)車(chē)用于隧道施工以來(lái)，諸多學(xué)者就鑿巖臺(tái)車(chē)的應(yīng)用、施工效率和經(jīng)濟(jì)成本展開(kāi)研究。在三臂鑿巖臺(tái)車(chē)的應(yīng)用方面，普遍認(rèn)為鑿巖臺(tái)車(chē)更適用于硬巖隧道的全斷面開(kāi)挖，而在軟巖隧道中慎用[4-5]。因此，綜合國(guó)內(nèi)在三臂鑿巖臺(tái)車(chē)施工效率方面的現(xiàn)有研究成果[6-7]，大多集中于硬巖全斷面開(kāi)挖或軟巖分部開(kāi)挖的隧道。但對(duì)于軟巖隧道在采用鑿巖臺(tái)車(chē)進(jìn)行全斷面開(kāi)挖時(shí)的施工效率仍不明晰；在經(jīng)濟(jì)成本方面，未考慮兩者超挖量的不同造成的初期支護(hù)費(fèi)用對(duì)綜合成本的影響。

綜上，本文依托銀嶺隧道項(xiàng)目，針對(duì)三臂鑿巖臺(tái)車(chē)在軟巖隧道中的施工效率、開(kāi)挖與初期支護(hù)成本展開(kāi)研究，為三臂鑿巖臺(tái)車(chē)在類似工程的應(yīng)用提供參考。

1 工程概況

天峨—北海高速公路銀嶺隧道設(shè)計(jì)為分離式雙向六車(chē)道，左、右線開(kāi)挖斷面面積為134～143 m2，屬于大斷面公路隧道，設(shè)計(jì)內(nèi)輪廓如圖1所示。

圖1 銀嶺隧道內(nèi)輪廓設(shè)計(jì)圖（cm）Fig.1 Inner contour design drawing of Yinling Tunnel（cm)

銀嶺隧道左線起訖樁號(hào)為ZK160+845—ZK162+358，全長(zhǎng)1513 m，采用1臺(tái)阿特拉斯·科普柯XL3D型三臂鑿巖臺(tái)車(chē)進(jìn)行全斷面開(kāi)挖。右線起訖樁號(hào)為YK160+867—YK162+336，全長(zhǎng)1469 m，共配備17臺(tái)YT-28風(fēng)鉆進(jìn)行人工鑿巖。

隧道圍巖以第四系堆積層和泥盤(pán)系砂巖、中強(qiáng)風(fēng)化泥巖為主，圍巖級(jí)別為Ⅳ—Ⅴ級(jí)，具體分布如表1所示。

表1 銀嶺隧道各級(jí)別圍巖分布Table 1 Distribution of surrounding rock at all levels of Yinling Tunnel

2 鑿巖臺(tái)車(chē)鉆爆與人工鉆爆施工效率分析

銀嶺隧道主要施工工序如圖2所示。在現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程中，測(cè)量放樣時(shí)間受鉆爆方式的影響較小[4]，而鉆眼清孔、出渣運(yùn)輸和初期支護(hù)（掛錨、初噴）工序所用時(shí)間受開(kāi)挖方式的影響較大。因此，本文有針對(duì)性地統(tǒng)計(jì)每爆破循環(huán)中的鉆孔、出渣、掛錨和初噴4個(gè)工序所用時(shí)間，Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖各統(tǒng)計(jì)10個(gè)爆破循環(huán)。

圖2 銀嶺隧道施工工序Fig.2 Construction procedure of Yinling Tunnel

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，Ⅳ級(jí)圍巖區(qū)域人工開(kāi)挖每循環(huán)平均進(jìn)尺2.4 m，三臂鑿巖臺(tái)車(chē)每循環(huán)平均進(jìn)尺可達(dá)3.2 m。Ⅳ級(jí)圍巖地段2種開(kāi)挖方式各工序耗時(shí)統(tǒng)計(jì)如圖3所示。

圖3 Ⅳ級(jí)圍巖區(qū)域開(kāi)挖耗時(shí)對(duì)比Fig.3 Comparison of excavation time under grade IV surrounding rock area

經(jīng)分析：Ⅳ級(jí)圍巖區(qū)域人工開(kāi)挖每循環(huán)平均耗時(shí)12.3 h，每米平均耗時(shí)5.1 h，臺(tái)車(chē)開(kāi)挖每循環(huán)平均耗時(shí)16.5 h，每米平均耗時(shí)5.2 h，兩者相差不大。根據(jù)各工序耗時(shí)分析，臺(tái)車(chē)與人工的平均每孔鉆鑿時(shí)間分別為2.5 min、10.0 min，且臺(tái)車(chē)開(kāi)挖比人工開(kāi)挖的每循環(huán)進(jìn)尺長(zhǎng)0.8 m。因此，三臂鑿巖臺(tái)車(chē)的鉆孔成型時(shí)間具有巨大優(yōu)勢(shì)。對(duì)于出渣與掛錨工序，人工開(kāi)挖比臺(tái)車(chē)開(kāi)挖每延米分別慢5.3 min、3.8 min，臺(tái)車(chē)開(kāi)挖的優(yōu)勢(shì)不明顯。對(duì)于初噴工序，人工開(kāi)挖比臺(tái)車(chē)開(kāi)挖每延米快10 min，臺(tái)車(chē)開(kāi)挖處于劣勢(shì)。

Ⅴ級(jí)圍巖區(qū)域，人工、臺(tái)車(chē)開(kāi)挖每循環(huán)平均進(jìn)尺分別為1.8 m和2.3 m。人工開(kāi)挖每循環(huán)平均耗時(shí)10.1 h，每米平均耗時(shí)5.6 h，臺(tái)車(chē)開(kāi)挖每循環(huán)平均耗時(shí)12.4 h，每米平均耗時(shí)5.4 h。對(duì)于鉆孔工序，臺(tái)車(chē)鑿巖平均每孔鉆鑿時(shí)間為2.0 min，人工鑿巖平均每孔鉆鑿時(shí)間為8.5 min。對(duì)比Ⅳ級(jí)圍巖的單孔每米鉆鑿時(shí)間，可知三臂鑿巖臺(tái)車(chē)在巖質(zhì)越堅(jiān)硬的地段鉆孔更具優(yōu)勢(shì)。人工作業(yè)的隧道出渣效率為122 min/m，臺(tái)車(chē)作業(yè)的隧道出渣效率為112 min/m，后者出渣效率更高；對(duì)于初噴工序，人工開(kāi)挖每延米耗時(shí)87 min，臺(tái)車(chē)開(kāi)挖每延米耗時(shí)91 min，臺(tái)車(chē)開(kāi)挖僅慢4 min/m。針對(duì)Ⅳ級(jí)圍巖區(qū)域臺(tái)車(chē)開(kāi)挖中初噴工序效率較低的問(wèn)題，統(tǒng)計(jì)了2種施工方式的每循環(huán)超挖量，見(jiàn)圖4。

圖4 2種施工方式超挖量統(tǒng)計(jì)Fig.4 Statistics of over excavation volume of two construction methods

由圖4可知，Ⅳ級(jí)圍巖區(qū)域，人工開(kāi)挖平均線性超挖量為7.3 cm，臺(tái)車(chē)開(kāi)挖為11.0 cm。Ⅴ級(jí)圍巖區(qū)域，人工開(kāi)挖平均線性超挖量為6.5 cm，臺(tái)車(chē)開(kāi)挖為8.9 cm。相比于Ⅴ級(jí)圍巖，Ⅳ級(jí)圍巖區(qū)域的超挖量增大直接導(dǎo)致初噴工作量增加，故臺(tái)車(chē)開(kāi)挖的隧道初噴效率更低。而臺(tái)車(chē)超挖量增大的根本原因是在鉆鑿周邊孔時(shí)，由于外插角的存在，進(jìn)尺越大產(chǎn)生的超挖量就會(huì)越大。對(duì)此，可采用“長(zhǎng)短孔結(jié)合周邊眼”的鉆孔方法來(lái)控制超欠挖[8]。

由圖4可見(jiàn)，在裝藥量相同的情況下臺(tái)車(chē)超挖量波動(dòng)幅度較小，而人工產(chǎn)生的超挖量波動(dòng)幅度較大，在Ⅴ級(jí)圍巖中最為明顯。說(shuō)明臺(tái)車(chē)鑿巖在軟弱圍巖條件下仍能保持良好的鉆孔穩(wěn)定性，而人工易受外界環(huán)境和心理情緒影響，在鉆鑿周邊孔時(shí)穩(wěn)定性較差。

3 鑿巖臺(tái)車(chē)鉆爆與風(fēng)鉆鉆爆經(jīng)濟(jì)成本分析

由于前期測(cè)量與后期二襯施工的費(fèi)用基本相同，故經(jīng)濟(jì)成本分析主要考慮洞身開(kāi)挖和初期支護(hù)兩部分。另外，由于已有學(xué)者對(duì)Ⅳ級(jí)圍巖隧道機(jī)械鑿巖的成本進(jìn)行了相關(guān)研究[9]，所以僅對(duì)Ⅴ級(jí)圍巖區(qū)域兩者的經(jīng)濟(jì)成本進(jìn)行分析。

3.1 洞身開(kāi)挖成本對(duì)比

銀嶺隧道左線采用三臂鑿巖臺(tái)車(chē)開(kāi)挖，右線采用人工開(kāi)挖，兩者產(chǎn)生的人工費(fèi)、材料費(fèi)、機(jī)械費(fèi)、出渣費(fèi)、管理費(fèi)等大不相同。

1）人工費(fèi)。工種包含測(cè)量人員、鉆孔爆破人員或臺(tái)車(chē)司機(jī)、出渣人員和雜工，人工開(kāi)挖和臺(tái)車(chē)開(kāi)挖的每月總?cè)斯べM(fèi)用分別為27.5萬(wàn)元和14.35萬(wàn)元。按隧道開(kāi)挖斷面面積為134 m2、人工開(kāi)挖每月進(jìn)尺為80 m、臺(tái)車(chē)開(kāi)挖每月進(jìn)尺為108 m進(jìn)行計(jì)算，折合開(kāi)挖費(fèi)用分別為25.65元/m3和9.92元/m3。

2）材料費(fèi)。銀嶺隧道鉆爆施工中，材料費(fèi)主要由炸藥、雷管、導(dǎo)爆索等爆破器材費(fèi)用組成。根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)計(jì)算得人工、臺(tái)車(chē)開(kāi)挖的材料費(fèi)用分別為12元/m3和11.3元/m3。

3）機(jī)械費(fèi)。三臂鑿巖臺(tái)車(chē)購(gòu)置費(fèi)用為874萬(wàn)元（含稅），折舊使用費(fèi)13萬(wàn)元/月，總計(jì)使用時(shí)間1513/108=14.01月，取15月，則折舊使用費(fèi)195萬(wàn)元。YT-28風(fēng)鉆每臺(tái)5000元，共計(jì)17臺(tái)，相比于鑿巖臺(tái)車(chē)，其折舊費(fèi)用可忽略不計(jì)。按左、右線長(zhǎng)度1513 m、1469 m，開(kāi)挖面積134 m2計(jì)算，人工開(kāi)挖與臺(tái)車(chē)開(kāi)挖的機(jī)械使用費(fèi)、維護(hù)費(fèi)及附屬設(shè)施費(fèi)用總和分別為18.12元/m3和33元/m3。

對(duì)比2種開(kāi)挖方式，臺(tái)車(chē)開(kāi)挖的機(jī)械費(fèi)大約是人工開(kāi)挖的1.82倍，這與三臂鑿巖臺(tái)車(chē)設(shè)備購(gòu)置成本及折舊使用費(fèi)較高有關(guān)。

4）出渣費(fèi)。隧道出渣作業(yè)需要使用1臺(tái)裝載機(jī)、1臺(tái)挖掘機(jī)和8輛自卸汽車(chē)，依據(jù)JTG/T 3833—2018《公路工程機(jī)械臺(tái)班費(fèi)用定額》選取定額基價(jià)。Ⅴ級(jí)圍巖區(qū)域，人工開(kāi)挖和臺(tái)車(chē)開(kāi)挖的每循環(huán)出渣工程量分別為214.2 m3和308.2 m3。結(jié)合每循環(huán)的出渣時(shí)間，計(jì)算得人工開(kāi)挖與臺(tái)車(chē)開(kāi)挖的出渣費(fèi)用分別為22.64元/m3和18.28元/m3。

5）管理費(fèi)。管理費(fèi)用按前4項(xiàng)費(fèi)用之和的5%計(jì)算。

統(tǒng)計(jì)各項(xiàng)成本分布情況如圖5所示。

圖5 2種開(kāi)挖方式成本分布圖Fig.5 Cost distribution of two excavation methods

由圖5可知，人工開(kāi)挖方式中人工費(fèi)約是臺(tái)車(chē)開(kāi)挖人工費(fèi)的2.58倍，但機(jī)械費(fèi)只有臺(tái)車(chē)開(kāi)挖的55%。材料費(fèi)上，兩者僅相差0.7元/m3。由于臺(tái)車(chē)開(kāi)挖每循環(huán)進(jìn)尺較人工開(kāi)挖大0.5 m，因此出渣費(fèi)更低。

針對(duì)洞身開(kāi)挖總費(fèi)用，三臂鑿巖臺(tái)車(chē)開(kāi)挖比人工開(kāi)挖少6.21元/m3，按左線Ⅴ級(jí)圍巖長(zhǎng)度673 m、斷面面積134 m2計(jì)算，采用臺(tái)車(chē)開(kāi)挖可節(jié)省56萬(wàn)元。

3.2 洞身初期支護(hù)成本對(duì)比

銀嶺隧道初期支護(hù)是以濕噴機(jī)機(jī)組為核心的掛網(wǎng)噴漿作業(yè)，隧道左、右線掛錨工序所需要的人、材、機(jī)費(fèi)用相同。因此，初期支護(hù)成本差異與洞身的超欠挖量有關(guān)。本項(xiàng)目中，初噴施工成本總費(fèi)用為296.15元/m3，根據(jù)2種施工方式在Ⅴ級(jí)圍巖區(qū)域的平均超挖量，結(jié)合隧道弧線長(zhǎng)度與每循環(huán)進(jìn)尺，計(jì)算得人工、臺(tái)車(chē)開(kāi)挖的超挖成本分別為3.7元/m3和5.46元/m3。

初噴作業(yè)工序中，三臂鑿巖臺(tái)車(chē)鉆爆開(kāi)挖成本比人工鉆爆開(kāi)挖多1.76元/m3。其原因是三臂鑿巖臺(tái)車(chē)進(jìn)行鉆爆開(kāi)挖時(shí)，其超挖量比人工鉆爆大，從而導(dǎo)致初噴混凝土的消耗量更多。按左線Ⅴ級(jí)圍巖長(zhǎng)度673 m、隧道斷面面積134 m2計(jì)算，采用臺(tái)車(chē)開(kāi)挖將增加初噴成本16萬(wàn)/m3。

人工、機(jī)械鑿巖鉆爆的每延米開(kāi)挖成本和超挖成本統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2。

表2 隧道施工每延米費(fèi)用Table 2 Cost per linear meter of tunnel construction元/m

由表2可知，雖然臺(tái)車(chē)開(kāi)挖的超挖成本高，但其使用的人工少，因此在總成本上仍具有一定優(yōu)勢(shì)，比人工開(kāi)挖每延米少596.3元。按左線Ⅴ級(jí)圍巖長(zhǎng)度673 m計(jì)算，采用臺(tái)車(chē)開(kāi)挖可綜合節(jié)省費(fèi)用40.1萬(wàn)元。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)人工鉆爆及鑿巖臺(tái)車(chē)鉆爆施工效率和經(jīng)濟(jì)成本分析，主要結(jié)論如下：

1）Ⅳ級(jí)圍巖區(qū)域的人工開(kāi)挖與臺(tái)車(chē)開(kāi)挖每延米平均耗時(shí)基本相同，人工開(kāi)挖為5.1 h，臺(tái)車(chē)開(kāi)挖為5.2 h；而在Ⅴ級(jí)圍巖區(qū)域，臺(tái)車(chē)開(kāi)挖更具有優(yōu)勢(shì)，比人工開(kāi)挖每延米快0.2 h。另外，由于人工鑿巖易受外界環(huán)境和心理情緒的影響，其施工穩(wěn)定性不如臺(tái)車(chē)鑿巖。

2）與人工開(kāi)挖相比，臺(tái)車(chē)開(kāi)挖因其超挖量大導(dǎo)致初噴成本高，但是臺(tái)車(chē)開(kāi)挖的人工費(fèi)用少。綜合開(kāi)挖成本和初噴成本，臺(tái)車(chē)開(kāi)挖在經(jīng)濟(jì)成本上仍具有優(yōu)勢(shì)，比人工開(kāi)挖每延米少596.3元。

3）對(duì)比Ⅴ級(jí)圍巖下2種施工方式的效率與經(jīng)濟(jì)成本，臺(tái)車(chē)開(kāi)挖均優(yōu)于人工開(kāi)挖。因此，在軟弱圍巖開(kāi)挖中，建議采用三臂鑿巖臺(tái)車(chē)進(jìn)行機(jī)械化施工。

4）對(duì)于目前三臂鑿巖臺(tái)車(chē)存在著超挖量大的劣勢(shì)，建議在鉆孔方法上采用“長(zhǎng)短孔結(jié)合周邊眼法”控制超欠挖，在管理上建立超欠挖獎(jiǎng)懲制度，以期降低超挖量，控制超挖成本。