全液壓電腦導向三臂鑿巖臺車在東山隧道的應用

韓文珍,張子昂

（1.山西辰潤交通科技有限公司,山西 晉中 030600; 2.北京理工大學計算機學院,北京 100000）

0 引言

2021年，山西省汾陽至石樓高速公路引入瑞典進口的安百拓牌XL3D 型三臂鑿巖臺車進行隧道施工。此機械配備人機交互式操作面板和主機電腦，實現(xiàn)自動化、智能化，高效安全地完成鉆孔作業(yè)。

1 XL3D 型三臂鑿巖臺車的性能優(yōu)勢分析

1.1 自動+智能系統(tǒng)分析

1.1.1 施工自動化控制

支持計算機終端（安裝布控圖設計軟件）進行炮孔布置圖的設計，并可通過WiFi/U 盤導入車載主控電腦，全電腦臺車將按照炮孔布置圖自動完成鉆孔作業(yè)，實現(xiàn)鉆孔位置、角度、深度的精確、自動化控制，有效控制開挖面輪廓和超欠挖[1]。利用隧道軟件以最終爆破效果進行布孔圖設計，將布孔圖和裝藥圖設計集成在同一軟件之內，可以按不同孔位孔的不同功能，設計出10 種不同類型孔的鑿巖參數(shù)，鑿巖臺車內置可自定義的10 種孔型，根據(jù)布孔圖的要求，自動調整鑿巖參數(shù)，達到高精度、高速度和低鉆具消耗的最優(yōu)化結果[2]。可實現(xiàn)鑿巖鉆孔參數(shù)實時反饋自調節(jié)，自動控制鑿巖機防卡鉆、防空打、開孔模式等，并且鉆孔效率不低于3 m/min[3]。

1.1.2 數(shù)據(jù)采集、交互及傳輸

實時采集鉆機推進速度、回轉速度、回退速度、旋轉壓力、推進壓力、沖擊壓力、回退壓力，水排渣壓力、鉆進深度、鉆桿角度、鉆孔位置、鉆孔數(shù)量等一系列參數(shù)，形成記錄文檔，并可通過以太網(wǎng)、WiFi 實時反饋給終端進行處理，得到分析云圖或者波浪圖，并能在電腦上簡單顯示，實現(xiàn)巖石鉆進數(shù)據(jù)的可視化[4]。

1.1.3 隧道輪廓面激光掃描與超前地質預報

采用激光對掌子面、隧道輪廓、返光標識點進行掃描，通過對比實際掃描截面與隧道預設截面模型，得出超欠挖數(shù)據(jù)。通過MWD 軟件分析判斷巖石軟硬，有無溶洞、水包、斷層、裂隙等，并形成地質報告，尤其適用于超前地質鉆探[5]。

1.1.4 智能化電腦導向系統(tǒng)

引入智能化電腦導向系統(tǒng)，開發(fā)出升級版、電腦導向版三臂鑿巖臺車配備人機交互式操作面板和彩色顯示器，能實現(xiàn)鉆進過程的數(shù)據(jù)檢測和信息搜集，指導鉆臂和推進梁定位，并能夠人工干預及時糾正鉆進誤差[6]。多機群避障主要由避碰運算主機、路由器、WiFi 模塊組成。當設備進入WiFi 區(qū)域時，設備自動連接上WiFi 局域網(wǎng)，同時實時上傳自身位置與自身臂架位置信息。避碰運算主機經(jīng)過一定的計算，對不同設備的臂架間距離等進行計算，實際多機作業(yè)下互不干擾，若發(fā)現(xiàn)異常，下發(fā)暫停指令使設備暫停[7]。

1.1.5 鉆孔自動調節(jié)及防卡釬保護

三臂鑿巖臺車采用鉆孔自動調節(jié)及防卡釬保護設計，鑿巖回轉壓力高于設定值時，鑿巖機回退，防止卡釬，降低鉆桿與鑿巖機的損壞；鉆進達到設定鉆深之后，觸碰行程閥，鑿巖機自動退回，有效防止空打；鑿巖回轉油路集成流量控制和壓力補償功能，保證鉆深孔、探孔時流量自動調節(jié)，鑿巖機鉆速自動調節(jié)，提高鉆孔自動適應性，達到快速施工和降低釬具損耗的雙重效果[8]。

1.1.6 鉆臂雙三角自平行機構數(shù)學模型分析

基于雙三角自平行機構數(shù)學模型及分析理論，設計外插角定位精度達到千分之三。經(jīng)過實際驗證，周邊孔超欠挖均控制在10 cm 以內，滿足施工要求。液壓控制系統(tǒng)采用恒壓和負載敏感控制系統(tǒng)，配合遠程先導控制系統(tǒng)，臂動作可及時精確響應。

1.2 高效+安全施工分析

1.2.1 高效的鑿巖系統(tǒng)

鑿巖系統(tǒng)采用先進的高壓高頻鑿巖控制技術，有效地提高了硬巖及超硬巖的鉆進效率。三臂鑿巖臺車采用COP1838HD+液壓鑿巖機，可靠性高，維修成本低，大修時間間隔長。

1.2.2 鑿巖水氣系統(tǒng)自由切換功能

設計了鑿巖水氣系統(tǒng)自由切換功能，可額外實現(xiàn)斜坡鉆孔氣排水、嚴寒期管路內水吹凈功能，減少自然環(huán)境對設備使用的影響，延長相應配件的使用壽命。

1.2.3 鉆桿自動夾持裝置

設計了鉆桿自動夾持裝置，使鑿巖臺車打探孔時，連接/拆卸鉆桿更為方便、快捷，有效縮短鉆桿連接/拆卸時間，大大提高了打探孔的工作效率。同時鉆桿夾持裝置還可以與普通推進梁使用的前部扶釬裝置互換，在臺車打普通炮眼時不需要更換前扶釬裝置，通用性較強。

1.2.4 鉆臂與推進梁

重型鉆臂采用全方位平行保持技術、恒壓液壓控制技術，配合遠程先導控制系統(tǒng)保證了鉆臂在鉆孔之間的移動和定位直接、快速、準確。重型雙底結構鋁合金推進梁具有較高的抗彎、抗扭強度，推進梁表面覆有不銹鋼滑條，運動部件采用可調式高強度塑料耐磨板，使用壽命長，維修成本低。

1.2.5 系統(tǒng)自動檢測及故障報警

大臂上及鑿巖機等關鍵部件各個自由度均有傳感器做檢測，系統(tǒng)實時檢測、記錄鑿巖機的旋轉、推進、沖擊、回退等壓力值，同時還記錄鉆孔各項數(shù)據(jù)。通過電腦屏可直接看到正在操作的臂是幾號臂，可以在一個頁面上看到所有傳感器的信號。當傳感器故障時，該傳感器顯示頁面給出紅色警示，快速直觀地判斷出故障點。

1.2.6 人員誤入報警和盲區(qū)監(jiān)控

全電腦三臂鑿巖臺車具有人員誤入探測功能，采用光柵或者點激光等設備對區(qū)域進行安全監(jiān)控，當有人或者物體進入時，系統(tǒng)進入報警狀態(tài)；具有視野盲區(qū)監(jiān)控：采用現(xiàn)有的成熟的影像模塊，對視野盲區(qū)進行監(jiān)控，保證操作及行車安全；設備具有故障自診斷：液壓系統(tǒng)油溫、水壓力自診斷，實現(xiàn)系統(tǒng)硬件與軟件故障的自動報警，指導售后人員或操作人員及時進行故障排除；具有設備傾翻報警：整機姿態(tài)實時監(jiān)測，提前預警整機姿態(tài)，防止設備傾翻[9]。

2 工程應用實例分析

山西省汾陽至石樓高速公路東山隧道施工采用機械通風，光電照明。合同95 569.24萬元。合同工期為30個月。

2.1 東山隧道工程情況分析

2.1.1 主要工程數(shù)量

包括：開挖土石方156.04 萬m3、鋼筋9 645.18 萬t，工字鋼及鋼板10 418.69萬t，各種鋼管及錨桿132.71萬m，混凝土31.67 萬m3，防水板41.62 萬m2，防火涂料23.76萬m2，混凝土路面8.74 萬m3。

2.1.2 工程設置情況

項目所在地呂梁市石樓縣地形復雜，該項目線路K68+420～K81+620 段地貌，山川交錯，溝壑縱橫，海拔高度不一，屬于黃土覆蓋中山區(qū)，連接線跨越屈產(chǎn)河，該河流最大洪水流量3 380 m3/s，平均年輸沙量946 萬t。該項目屬于新建工程，該項目緊鄰國道340 和國道209，交通便利。該項目無可利用供電線路，需架設專用線路，考慮永臨結合的原則。隧道全線范圍內水資源匱乏，工程生產(chǎn)、生活用水通過打井來解決。進出口及斜井口各需打水井一口。區(qū)域無網(wǎng)絡，無基站，不能滿足生產(chǎn)需要，需要架設專線及基站。機制砂、碎石等地方材料在區(qū)域比較豐富，距施工現(xiàn)場約20 km。隧道進口緊鄰設計1#棄土場，1#棄渣場設計在K70+500 右幅，占地面積23 466.8 m2，計劃棄渣23.5 萬m3。計劃變更至K69+265 左幅溝內林地，占地10 000 m2，用于加工碎石（加工碎石及石粉需及時運出）。2#棄渣場設計在K73+000，為東山隧道斜井口棄渣場；隧道出口附近4 號棄渣場，設計在K79+200 右幅，占地面積56 667.0 m2，可棄渣56.6 萬m3，計劃變更至K78+700 右幅溝內為林地，距主線1 km，占地80 000.4 m2，可棄渣120 萬m3。

2.1.3 項目部設置情況

管理人員采取集中辦公的方式，對口管理部門設置了7 個職能部門，項目部各部室接通了無線網(wǎng)絡，所有施工人員配備手機聯(lián)絡，工地現(xiàn)場主要人員配備了對講機，確保整個項目部聯(lián)絡渠道暢通。管理人員和施工人員已進場。

2.1.4 施工場地布置情況

在隧道進口根據(jù)現(xiàn)場地形情況，在距隧道進口處臨時征用土地，設置拌和站鋼筋加工場及儲料區(qū)，施工機械停放、小型材料的存放、庫房等臨時建設。其中拌和站一處，占地9 667 m2；鋼筋加工廠一座，占地3 400 m2。在出口處臨時占地，設置鋼筋加工廠一座，占地1 040 m2。在隧道斜井口設置拌和站一處，距斜井口1.5 km，占地9 900 m2；設置鋼筋加工場一座，占地1 060 m2。

2.1.5 施工用電情況

東山隧道共計安裝變壓器19 臺，用于滿足隧道拌和站、鋼筋加工場、抽排水及生產(chǎn)人員生活等需要。其中：進口設置安裝800 kVA 變壓器2 臺，630 kVA 變壓器3 臺，315 kVA 變壓器2 臺；斜井設置安裝800 kVA 變壓器1 臺，630 kVA 變壓器3 臺，315 kVA 變壓器3 臺；出口設置安裝800 kVA 變壓器2 臺，630 kVA 變壓器2 臺，315 kVA變壓器1 臺?，F(xiàn)場進出口及斜井處各打井一處，安裝增壓泵鋪設用水管道至洞口，滿足施工用水需要。

2.1.6 施工組織機構組成與職責

項目部設項目經(jīng)理一人，總工程師一人，下設工程技術部、成本合同部、資產(chǎn)材料部、質檢試驗部、安全環(huán)保部、財務部、綜合辦公室共7 個職能部門。其中，工程技術部負責編制實施性技術方案與實施性施工組織設計；負責技術交底、開工報告和專項施工方案的編制，制定和下達施工計劃，檢查、督促各施工隊按時完成計劃；負責對施工過程中的進度計劃根據(jù)實際情況進行調整；負責對工程人員的技術交底。成本合同部負責編制中期支付文件并報送至監(jiān)理工程師和業(yè)主；負責進行工程核算、決算。資產(chǎn)材料部負責所需材料的購置和保管及安排施工機械的調度與維護。質檢試驗部負責建立質量管理體系，參與項目策劃編制項目質量策劃文本，施工圖紙審核，加強原材料、構配件的進場檢驗制度，執(zhí)行三檢制和首件認證報告質量投訴、問題和事故并落實整改。安全環(huán)保部負責落實公司安全環(huán)保各項規(guī)章制度，應急預案和現(xiàn)場處置方案，檢查項目安全生產(chǎn)和環(huán)保工作，完善施工組織設計專項施工方案，安全環(huán)保風險管控措施。財務部負責該項目的財務管理工作，及時向項目經(jīng)理提供財務計劃及財務報表，在項目經(jīng)理的領導下做好工程款的支付和流動資金的管理工作。綜合辦公室負責對外協(xié)調、處理與當?shù)卣?、村?zhèn)百姓的關系，創(chuàng)造一個良好的周邊環(huán)境，以利于工程施工；負責項目部日常生活、生產(chǎn)后勤工作。

2.1.7 工期及施工進度安排

隧道受征地影響，計劃從隧道進口端開始施工管棚，在具備條件時施工出口端管棚，保證順利進洞。根據(jù)施工工序劃分以下6 個階段進行施工進度控制。

（1）第一階段：2021年7月25日至2021年10月25日，施工準備階段，主要完成征地，施工便道，供水、供電，生產(chǎn)區(qū)用房，交接樁點，線路復測，復核設計資料，原材料的試驗檢測和混凝土配合比的試驗，組織機械設備、人員、材料進場，解決通信等工作。

（2）第二階段：2021年10月25日至2021年12月25日，完成進口洞口邊仰坡開挖、防護、洞頂截水天溝以及長管棚的施工，為隧道進洞掘進創(chuàng)造條件。

（3）第三階段：2022年3月25日至2023年12月25日，完成主洞開挖與支護，包括仰拱和二次襯砌混凝土澆筑。

（4）第四階段：2023年10月1日至2023年12月31日，完成隧道邊溝和電纜溝施工。

（5）第五階段：2024年1月1日至2024年3月31日，完成隧道路面、洞內的收尾工程。

（6）第六階段：2024年4月8日至2024年5月1日，隧道收尾移交階段，主要完成隧道進出口的場地清理、整修，竣工資料整理編制及驗交等工作。

2.2 東山隧道施工方案分析

2.2.1 傳統(tǒng)鉆爆法、明挖法、蓋挖法

明洞采用明挖法施工；Ⅴ級圍巖采用微臺階法、Ⅳ級圍巖采用正臺階法、Ⅲ級圍巖采用光面爆破全斷面開挖法施工。其中：隧道進口K69+262～K69+390 及ZK69+270～ZK69+390 段左右線中間巖厚度小于15 m，采用小凈距隧道施工方案；ZK69+420～ZK69+515 段采用蓋挖法施工；隧道出口段K76+350～K77+040 和ZK76+336～ZK76+975 圍巖主要為Q2 粉質黏土，采用土質隧道施工方案。在開挖方法上，進口采用三臂鑿巖臺車掘進機法與鉆爆法相結合的施工方法，進口右洞及出口采用傳統(tǒng)鉆爆法。

2.2.2 三臂鑿巖臺車掘進

（1）機械參數(shù)分析。瑞典進口的安百拓牌XL3D 型三臂鑿巖臺車整機總體功能集成，結構緊湊，其最大覆蓋面積為178.0 m2，最大鉆孔高度為12.4～13.1 m（視機型而定），鉆孔直徑φ43～φ102 mm。主要用于山嶺隧道鉆爆法全斷面或微臺階法鉆孔開挖，駕駛室最低高度為3.75 m，駕駛室最高高度為5.0 m，最大行駛速度為17.5 km/h，爬坡角度為15°，可滿足多種使用需求。

（2）掘進順序分析。施工時，張開支腿方可進行鑿巖作業(yè)、升降平臺作業(yè)。先把升降平臺降下來倒回滑動工作臺，縮回臂架，將導桿擺成水平，鑿巖機保持在始動位置，縮回支腿再行走，鑿巖臺車就位后，檢查供電線纜和高壓水管，操作手在確認水、電到位后啟動臺車電氣系統(tǒng)，利用液壓系統(tǒng)把臺車整體調整呈水平狀態(tài)。由測量放置的標高線參照標記處底眼孔位。鑿巖鉆孔順序為：底眼→抬炮→周邊眼→輔助眼→拱部輔助眼→掏槽眼→中心輔助眼。

3 結束語

為加快施工進度，確保施工安全和工程質量，隧道施工實施機械化、專業(yè)化作業(yè)，采用三臂鑿巖臺車、懸臂式掘進機、YT-28 風鉆、濕式噴射機、混凝土拌和站、混凝土輸送泵、二次襯砌臺車等關鍵設備施工，改善施工環(huán)境，確保工程質量和施工安全。組織實施開挖、噴錨、二次襯砌等多條機械化作業(yè)線，強化優(yōu)化機械配套，實現(xiàn)主要工序機械化作業(yè)，并力爭一機多用，充分發(fā)揮機械效率。