三臂鑿巖臺(tái)車在隧道開挖施工中的應(yīng)用研究

余 進(jìn)，梁 建，何力強(qiáng)，涂旭東

(中鐵十一局集團(tuán)第五工程有限公司，重慶 400037)

0 引言

國內(nèi)的隧道施工，Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖常采取CD、CRD和臺(tái)階法等開挖工法[1]，存在工序復(fù)雜、圍巖擾動(dòng)大、支護(hù)不及時(shí)、安全風(fēng)險(xiǎn)高、施工進(jìn)度遲緩、質(zhì)量差、工效低等缺陷。隨著近年來隧道工藝工裝的產(chǎn)學(xué)研結(jié)合，由“單一工序機(jī)械化”施工推動(dòng)“全工序機(jī)械化”，但多應(yīng)用于Ⅱ、Ⅲ級(jí)圍巖，Ⅳ級(jí)及以上圍巖因地質(zhì)條件復(fù)雜，還未實(shí)現(xiàn)大斷面的配套機(jī)械化流水作業(yè)。探索隧道機(jī)械化開挖工法，減少人員數(shù)量與工作量的工作方法，對(duì)提高隧道施工的安全保障具有重要意義。

重慶城口至開州高速公路吳家梁隧道(左線6 618 m+右線6 592 m分離式特長隧道)呈現(xiàn)地質(zhì)構(gòu)造、地形地貌、圍巖巖性、水文氣象復(fù)雜，斷層破碎、危巖落石、涌水突泥、巖溶巖爆、軟巖變形、煤層瓦斯現(xiàn)象突出的“四復(fù)雜、五突出”特點(diǎn)。通過引進(jìn)三臂鑿巖臺(tái)車，實(shí)現(xiàn)全地質(zhì)(Ⅱ～Ⅴ級(jí)圍巖)、全斷面開挖機(jī)械化，將理論與實(shí)踐相結(jié)合，保證隧道施工全過程的質(zhì)量、安全可控。本文就Boomer XL3D型三臂液壓鑿巖機(jī)的實(shí)踐應(yīng)用進(jìn)行探討。

1 鑿巖機(jī)簡介

Boomer XL3D三臂鑿巖臺(tái)車具有施工安全、作業(yè)高效的優(yōu)點(diǎn)，其采用人機(jī)工程學(xué)的設(shè)計(jì)理念，利用先導(dǎo)施工控制液壓操作系統(tǒng)，從而減少控制平臺(tái)周邊的高壓膠管數(shù)；集中的液壓部件系統(tǒng)控制面板，易于維護(hù)與檢修；自抬升1.1 m的FOPS(防墜物沖擊)防護(hù)棚架，在擴(kuò)大操作員視線的同時(shí)保證了人員安全；推進(jìn)梁角度測(cè)量系統(tǒng)(FAM3)不僅可輔助鉆孔的精準(zhǔn)定位，而且可在加快掘進(jìn)的同時(shí)減少超欠挖。

該臺(tái)車作業(yè)時(shí)通風(fēng)效果良好，利于作業(yè)人員健康并減少粉塵對(duì)探照燈視線的影響。該臺(tái)車單循環(huán)水量>15 m3，啟動(dòng)水壓≥0.2 MPa；供電滿足單車電源接口，配電箱容量為200 kW，電纜要求低壓端加上排水、照明、一般變壓器容量≥300 kW；供電滿足兩車電源接口時(shí)參數(shù)加倍。變壓器一般距配電箱≤500 m。

該臺(tái)車的鑿巖機(jī)具有鉆孔速度快(約1.5 m/min)、噪音小、勞動(dòng)強(qiáng)度低、安全性能高等優(yōu)勢(shì)，但操作需較大的空間和適宜的角度。針對(duì)初期支護(hù)需要立鋼架區(qū)段，無合適的角度，超欠挖難以控制；對(duì)于圍巖較破碎段，也難以發(fā)揮臺(tái)車的工效。

全電腦和人工輔助定位控制的三臂鑿巖臺(tái)車，具備超前地質(zhì)預(yù)報(bào)與支護(hù)、全方位精確定位與鉆孔、過程數(shù)據(jù)采集與分析、輔助人工配合裝藥和圍巖監(jiān)控量測(cè)等功能[2]。

2 施工工藝流程(圖1)

圖1 隧道三臂鑿巖臺(tái)車機(jī)械化開挖施工工藝流程圖

2.1 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

地質(zhì)超前預(yù)報(bào)作為工序之一，在隧道開挖出渣后、圍巖初期支護(hù)前，可判定掌子面的穩(wěn)定性及圍巖類別。依據(jù)鉆探、物探和WMD地質(zhì)云圖像分析等方式，形成互相印證、長短結(jié)合的綜合預(yù)報(bào)體系。三臂鑿巖臺(tái)車進(jìn)行超前探孔、加深炮孔作業(yè)時(shí)，在鉆孔過程中可實(shí)時(shí)監(jiān)控鉆桿工作參數(shù)(鉆進(jìn)速度、水流、沖擊、推進(jìn)、回轉(zhuǎn)壓力及水流量等)。WMD軟件具有地質(zhì)分析與復(fù)原功能，形成的地質(zhì)分析報(bào)告可建立本隧道的大數(shù)據(jù)地質(zhì)庫，為隧道的優(yōu)化設(shè)計(jì)與運(yùn)營期間的缺陷整治提供參考資料(如下頁圖2所示)。

圖2 三臂鑿巖臺(tái)車WMD地質(zhì)云圖像示例圖

多方式的地質(zhì)超前綜合預(yù)報(bào)，可較準(zhǔn)確地預(yù)判掌子面前方的各種地質(zhì)災(zāi)害，通過有效信息采取對(duì)應(yīng)安全措施，根據(jù)異常情況及時(shí)調(diào)整設(shè)計(jì)支護(hù)參數(shù)，保證機(jī)械化作業(yè)的安全與高效。

2.2 超前預(yù)加固

常用噴射混凝土封閉掌子面、纖維錨桿、超前管棚、小導(dǎo)管和注漿支護(hù)等環(huán)形加固措施。利用濕噴機(jī)械手對(duì)掌子面進(jìn)行噴射混凝土封閉；小導(dǎo)管、管棚和纖維錨桿依托三臂鑿巖臺(tái)車打孔；注漿采用錨桿安注檢一體化平臺(tái)施作。前方軟弱圍巖的預(yù)加固采用高壓劈裂注漿。

針對(duì)軟弱圍巖的地質(zhì)超前預(yù)加固措施，可將“巖變我變”的傳統(tǒng)支護(hù)扭轉(zhuǎn)為“我讓巖變”，在減小工法調(diào)整的同時(shí)，實(shí)施隧道全地質(zhì)范圍的大斷面機(jī)械化開挖，提高掘進(jìn)工效。

2.3 施工準(zhǔn)備

施工作業(yè)面保證風(fēng)、水、電管線、逃生管道和照明的接入。作業(yè)前逐一檢查泵機(jī)、空壓機(jī)、操作桿、儀器儀表和控制裝置是否正常，管路及接頭有無泄露(油、氣、水)現(xiàn)象等。

2.4 測(cè)量放線

根據(jù)隧道開挖爆破方案，采用全站儀測(cè)量放線，用油漆在掌子面標(biāo)識(shí)出周邊眼。作業(yè)人員根據(jù)已標(biāo)識(shí)周邊眼，按照爆破設(shè)計(jì)，利用標(biāo)尺等工具，將輔助眼、掏槽眼等孔位一一用油漆標(biāo)識(shí)明確。

2.5 三臂鑿巖臺(tái)車就位

測(cè)量放樣、標(biāo)識(shí)完成后，三臂鑿巖臺(tái)車進(jìn)入作業(yè)區(qū)，由作業(yè)人員指揮臺(tái)車停放于隧道中線位置，車身整體同隧道中線保持平行，臺(tái)車鉆臂端頭與掌子面保持0.8～1.0 m的距離。

臺(tái)車就位之后，由專業(yè)操作人員將水管、供電線纜連接至臺(tái)車對(duì)應(yīng)接口處，在確認(rèn)水電安裝到位后，張開支腿，利用液壓系統(tǒng)將臺(tái)車整體調(diào)整呈水平狀態(tài)，然后固定好臺(tái)車。

2.6 三臂鑿巖臺(tái)車鉆眼

按照“定位、定人、定機(jī)”的原則，合理安排操作人員開展鉆孔作業(yè)(如圖3所示)。

鉆孔順序：按照三臂鑿巖臺(tái)車作業(yè)特點(diǎn)，劃分各鉆臂作業(yè)區(qū)塊，標(biāo)識(shí)出各自區(qū)域輪廓線。兩個(gè)鉆臂分別負(fù)責(zé)左側(cè)、中心、右側(cè)區(qū)域鉆孔施工。鉆孔順序遵照“從下至上、從外至內(nèi)”的原則。左側(cè)與右側(cè)區(qū)域鉆孔順序?yàn)椤爸苓呇邸缆漭o助眼→輔助眼”；中心區(qū)域?yàn)椤暗籽邸凇苓呇邸苓呡o助眼→拱頂輔助眼→掏槽眼→中心輔助眼”。

圖3 掌子面爆破鉆眼眼孔布置圖(cm)

周邊眼施工時(shí)，通過三臂鑿巖臺(tái)車FAM3，按照爆破設(shè)計(jì)中周邊眼傾斜角度調(diào)整推進(jìn)梁外插角度。調(diào)整好角度后，調(diào)整臺(tái)車鉆臂旋轉(zhuǎn)、延伸，對(duì)準(zhǔn)孔位，推進(jìn)梁開始鉆孔施工。在這一過程中根據(jù)三臂鑿巖臺(tái)車FAM3，控制推進(jìn)梁鉆進(jìn)深度，確?？椎自谕粋€(gè)垂直面上。周邊眼間距誤差≤3 cm。

輔助眼施工時(shí)，保持鉆臂推進(jìn)梁與隧道軸線平行，調(diào)整臺(tái)車鉆臂旋轉(zhuǎn)、延伸，對(duì)準(zhǔn)孔位，推進(jìn)梁開始鉆孔施工。在這一過程中根據(jù)三臂鑿巖臺(tái)車FAM3，控制推進(jìn)梁鉆進(jìn)深度，確?？椎自谕粋€(gè)垂直面上。輔助眼間距誤差≤3 cm。

掏槽眼施工時(shí)，根據(jù)三臂鑿巖臺(tái)車FAM3，調(diào)整好推進(jìn)梁外插角度，對(duì)準(zhǔn)孔位，推進(jìn)梁開始鉆孔施工。在這一過程中控制推進(jìn)梁鉆進(jìn)深度，確保掏槽眼孔底與周邊眼及輔助眼孔底位于同一個(gè)垂直面上。掏槽眼間距誤差≤5 cm。

在鉆孔施工過程中如發(fā)現(xiàn)鉆孔錯(cuò)位，或角度控制失誤，應(yīng)退出鉆桿，重新定位并施工炮孔。當(dāng)每孔鉆孔完畢并退鉆時(shí)，通過連接至鉆桿的高壓水、風(fēng)進(jìn)行清孔。

2.7 清孔、裝藥

鉆孔完畢后，將推進(jìn)梁和鉆臂調(diào)整至水平位置，各操作桿置于中位，利用三臂鑿巖臺(tái)車的升降云梯平臺(tái)，遵照“分部位、劃區(qū)域，先底腳、再拱部，先周邊、后中間”的方法，爆破工開始按照設(shè)計(jì)方案對(duì)周邊眼、輔助眼、掏槽眼進(jìn)行裝藥(導(dǎo)爆索分段式不耦合連接)，炮孔封堵，分段設(shè)置并連接好起爆雷管、起爆線，完成裝藥過程。

2.8 三臂鑿巖臺(tái)車離場(chǎng)與爆破

裝藥完成后將升降云梯平臺(tái)收攏回正，停止平臺(tái)、鉆臂系統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)，解除與車身連接的風(fēng)、水、電纜管線。收起支腿，駛出作業(yè)區(qū)域，為爆破施工作準(zhǔn)備。

隧道光面爆破地炮眼殘存率為硬巖≥80%，中硬巖≥60%。采用“先邊墻、后拱部”的連線方式，確保中心掏槽的起爆效率，同時(shí)為減少拱墻底腳的超挖，該區(qū)域(2～3個(gè)孔)應(yīng)最后起爆。光面爆破參數(shù)如表1所示。

表1 光面爆破參數(shù)表

2.9 鑿巖臺(tái)車超欠挖處理

嚴(yán)禁超欠挖的一次性修正而造成超欠挖部位的錯(cuò)臺(tái)。為保證隧道開挖輪廓線的平順，有效控制初期支護(hù)中鋼拱架、鋼筋網(wǎng)片、噴射混凝土的質(zhì)量，可采取逐步修正調(diào)整的方式。

若隧道局部欠挖深度≤10 cm，為避免二次爆破擴(kuò)大超挖量，可利用臺(tái)車鉆臂對(duì)該部位進(jìn)行鑿巖修整斷面。

3 機(jī)械作業(yè)與人工鉆爆成本對(duì)比分析

以吳家梁隧道2019-04-21至2019-05-19施工概況為例：左洞開挖進(jìn)尺為81 m(ZK89+796.5～ZK89+877)，其中，ZK89+775～ZK89+825為加寬帶；右洞開挖進(jìn)尺為102.5 m(K89+525.5～K89+628)，開挖量共18 949.448 m3。

3.1 人員配置情況(表2)

表2 人工費(fèi)消耗表

3.2 超欠挖統(tǒng)計(jì)(表3)

表3 超欠挖統(tǒng)計(jì)表(cm)

由表3可知，平均超欠挖量<15 cm，局部存在較大超挖，隨著巖層的變化相對(duì)分散，需繼續(xù)調(diào)整并總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，控制超挖量。欠挖量多在10～20 cm，欠挖時(shí)采用臺(tái)車配合人工進(jìn)行修正。

3.3 施工工效對(duì)比分析

3.3.1 成本控制

圖4 人工鉆爆開挖與機(jī)械開挖成本對(duì)比柱狀圖

由圖4可知，鑿巖臺(tái)車機(jī)械化施工較人工鉆爆開挖的燃料動(dòng)力費(fèi)、人工費(fèi)和修理費(fèi)顯著降低，可見鑿巖臺(tái)車的使用減少了人工作業(yè)成本，有效保證了人員安全，提高了工效。但機(jī)械折舊費(fèi)較高，施工期應(yīng)加強(qiáng)設(shè)備保養(yǎng)與維護(hù)。臺(tái)車總體施工成本略高于人工開挖，但該數(shù)據(jù)基于局部開挖工效數(shù)據(jù)，對(duì)比較為片面，針對(duì)高風(fēng)險(xiǎn)的長大隧道的機(jī)械化開挖，顯然鑿巖臺(tái)車各項(xiàng)能耗指標(biāo)更低于人工鉆爆。

3.3.2 施工進(jìn)度與安全控制

依據(jù)地質(zhì)預(yù)報(bào)成果，采用經(jīng)濟(jì)合理的支護(hù)措施超前加固掌子面前方圍巖后，全斷面快挖、支護(hù)與封閉成環(huán)，提升了隧道機(jī)械化施工的水平[3]。

例如，對(duì)于Ⅳ級(jí)圍巖，當(dāng)采用超前小導(dǎo)管支護(hù)時(shí)，鑿巖臺(tái)車平均進(jìn)尺3.8 m(立3榀拱架)，炮孔臨時(shí)封堵，用時(shí)為2.5 h；采用三臂鑿巖臺(tái)車的升降云梯平臺(tái)配合裝藥，用時(shí)為5.5 h。每循環(huán)時(shí)間為21.67 h，每月32個(gè)循環(huán)，月進(jìn)尺約為100 m。鉆爆法人工開挖平均日進(jìn)尺為2.5 m，每循環(huán)用時(shí)為19.25 h。折算后與人工鉆爆等進(jìn)尺量的情況下，機(jī)械開挖循環(huán)耗時(shí)約為14.25 h，相比人工作業(yè)節(jié)省5 h，工效提升26%。

較傳統(tǒng)人工鉆爆法，采用三臂鑿巖臺(tái)車每循環(huán)可減少掌子面作業(yè)人員7～10人。Ⅲ級(jí)、Ⅳ級(jí)圍巖采用全斷面帶仰拱一次性開挖；Ⅳ、Ⅴ級(jí)軟巖采取全斷面不含仰拱或微臺(tái)階同步施工工法。在施工過程中控制降低了拱頂?shù)魤K、有毒有害氣體、噪音頻率、機(jī)械傷害等安全風(fēng)險(xiǎn)。

3.3.3 質(zhì)量控制

三臂鑿巖臺(tái)車作業(yè)相比人工鉆爆開挖，可依據(jù)圍巖變化動(dòng)態(tài)調(diào)整炮孔布置間距，從而提高了隧道的光面爆破效果，間接提高了系統(tǒng)錨桿、超前小導(dǎo)管/管棚、拱架鎖腳鋼管的施工質(zhì)量。

4 結(jié)語

本文依托城開高速公路吳家梁隧道三臂鑿巖臺(tái)車的機(jī)械化開挖，對(duì)其施工工法進(jìn)行了介紹。通過與常規(guī)人工鉆爆施工的工效對(duì)比分析，得到在高風(fēng)險(xiǎn)長大隧道建設(shè)中，三臂鑿巖臺(tái)車的施工成本、進(jìn)度、質(zhì)量與安全卡控方面具有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，其以“機(jī)械化為保障，信息化為抓手，精細(xì)化為支撐”為原則，確保隧道施工質(zhì)量安全可控。

城開高速公路項(xiàng)目投入的以三臂鑿巖臺(tái)車為代表的隧道智能工裝應(yīng)用處于探索階段，依靠智能化機(jī)械設(shè)備的“信息收集、傳輸、處理與共享”功能，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目的信息化管控。推廣以“超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、圍巖監(jiān)控量測(cè)、視頻監(jiān)控中心、試驗(yàn)室與拌和站”等數(shù)據(jù)系統(tǒng)管理平臺(tái)的綜合應(yīng)用，通過原始數(shù)據(jù)的過程分析，達(dá)到糾偏和施工安全、質(zhì)量的數(shù)字信息化管理目的。將項(xiàng)目所有管理、技術(shù)、一線施工人員的移動(dòng)終端融入項(xiàng)目管理中，達(dá)到施工各工序環(huán)節(jié)的信息化實(shí)時(shí)交換、易操作、接地氣、移動(dòng)辦公和遠(yuǎn)程監(jiān)控的目的，推動(dòng)項(xiàng)目管理升級(jí)，減輕施工與管理人員的工作強(qiáng)度，提升了企業(yè)效益。