淺析三臂鑿巖臺(tái)車在公路隧道開挖施工中的應(yīng)用

收稿日期：2024-01-22

作者簡(jiǎn)介：代勇泉（1990—），男，本科，工程師，從事建設(shè)管理工作。

摘要 為明確三壁鑿巖臺(tái)車在公路隧道工程開挖施工中的應(yīng)用方法及應(yīng)用效果，結(jié)合北斗坪隧道實(shí)例，著重探討了三臂鑿巖臺(tái)車開挖施工工藝及施工過程中存在的問題，并針對(duì)問題提出了幾點(diǎn)改進(jìn)建議。工程結(jié)果顯示，案例工程不僅驗(yàn)收合格，還有效節(jié)約了工期，且各施工過程中未發(fā)生任何安全事故。由此可見，在公路隧道工程中應(yīng)用三壁鑿巖車，相比常規(guī)人工鉆爆施工，可以有效提升施工效率，取得理想的施工效果，值得推廣。

關(guān)鍵詞 三臂鑿巖臺(tái)車；公路隧道；開挖施工；施工效率；工程質(zhì)量

中圖分類號(hào) U455.32文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 2096-8949（2024）11-0095-04

0 引言

在公路隧道施工中，三臂鑿巖臺(tái)車作為一種高效、先進(jìn)的鑿巖設(shè)備，具有顯著的優(yōu)勢(shì)和適用性。不僅有足夠的剛度和強(qiáng)度，能夠承受鑿巖過程中的沖擊和振動(dòng)，還能夠通過控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、智能化操控?；谏鲜鰞?yōu)勢(shì)，目前國(guó)內(nèi)一些公路隧道工程先后引入了三壁鑿巖臺(tái)車，該文結(jié)合工程實(shí)例，對(duì)這一新型隧道施工設(shè)備的具體應(yīng)用展開探討。

1 三臂鑿巖臺(tái)車的基本原理與特性

1.1 三臂鑿巖臺(tái)車的構(gòu)造與工作原理

三臂鑿巖臺(tái)車的主要組成部分包括車體、臂架、鑿巖機(jī)、推進(jìn)器、控制系統(tǒng)等，車體是整個(gè)設(shè)備的支撐部分，通常采用履帶式或輪胎式，具有良好的越野性能和穩(wěn)定性。臂架是設(shè)備的核心部分，通常由高強(qiáng)度鋼材制成，具有足夠的剛度和強(qiáng)度，能夠承受鑿巖過程中的沖擊和振動(dòng)。鑿巖機(jī)是實(shí)現(xiàn)鑿巖功能的部分，通常采用氣動(dòng)或液壓驅(qū)動(dòng)，具有高效率和低能耗的特點(diǎn)。推進(jìn)器是控制臂架和鑿巖機(jī)進(jìn)給的部分，能夠?qū)崿F(xiàn)精確的定位和調(diào)整。控制系統(tǒng)是整個(gè)設(shè)備的指揮中心，能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)備的自動(dòng)化控制和監(jiān)測(cè)，保證設(shè)備的安全和穩(wěn)定運(yùn)行。

三臂鑿巖臺(tái)車的工作原理主要是通過控制系統(tǒng)的指揮，使臂架和鑿巖機(jī)按照預(yù)定的軌跡進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的定位和鑿巖。推進(jìn)器的作用是控制臂架和鑿巖機(jī)的進(jìn)給，使其能夠按照設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行工作。在鑿巖過程中，鑿巖機(jī)通過沖擊或旋轉(zhuǎn)的方式將巖石破碎，產(chǎn)生的石渣通過設(shè)備的排渣系統(tǒng)排出[1]。三臂鑿巖臺(tái)車具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 三臂鑿巖臺(tái)車在公路隧道施工中的優(yōu)勢(shì)與適用性

（1）三臂鑿巖臺(tái)車能夠大幅提高隧道施工的效率。其獨(dú)特的三臂結(jié)構(gòu)使得設(shè)備能夠同時(shí)進(jìn)行鑿巖作業(yè)，減少了施工時(shí)間，提高了施工效率[2]。此外，三臂鑿巖臺(tái)車的推進(jìn)器和控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)精確的定位和調(diào)整，進(jìn)一步提高了施工的準(zhǔn)確性和效率。

（2）三臂鑿巖臺(tái)車在隧道施工中具有廣泛的應(yīng)用。由于其高強(qiáng)度、高剛度的臂架結(jié)構(gòu)，以及強(qiáng)大的鑿巖能力，三臂鑿巖臺(tái)車適用于各種不同規(guī)模、不同地質(zhì)條件的公路隧道施工。無論是在硬巖還是軟巖中，三臂鑿巖臺(tái)車都能夠發(fā)揮出色的性能，為隧道施工提供可靠的支持。

（3）三臂鑿巖臺(tái)車的安全性和穩(wěn)定性也是其重要的優(yōu)勢(shì)之一。在隧道施工中，安全始終是首要考慮的因素。三臂鑿巖臺(tái)車采用先進(jìn)的控制系統(tǒng)和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和鑿巖效果，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理異常情況，確保施工過程的安全可靠。同時(shí)，三臂鑿巖臺(tái)車的穩(wěn)定性能也得到了充分驗(yàn)證，能夠在各種復(fù)雜的地形和環(huán)境下穩(wěn)定運(yùn)行，為隧道施工提供可靠的保障。

2 三臂鑿巖臺(tái)車在公路隧道開挖施工中的應(yīng)用實(shí)踐

2.1 項(xiàng)目概況

北斗坪隧道左線起止里程樁號(hào)為ZK52+090～ZK55+

663，長(zhǎng)3 573 m；右線起止里程樁號(hào)為K52+090～K55+

680，長(zhǎng)3 590 m，屬公路特長(zhǎng)隧道，為微瓦斯隧道。隧道左右線合計(jì)：Ⅳ級(jí)襯砌類型5 392 m，Ⅴ級(jí)襯砌類型1 763 m。隧道采用鉆爆開挖。隧道采用分離式雙線隧道，鎮(zhèn)巴端（進(jìn)口）洞門型式為端墻式，廣安端（出口）洞門型式為倒削竹式。隧道進(jìn)口左洞設(shè)計(jì)高程560.61 m，隧道進(jìn)口右洞設(shè)計(jì)高程560.79 m；隧道出口左線設(shè)計(jì)高程523.15 m，隧道出口右線設(shè)計(jì)高程523.15 m。

2.2 施工工藝流程及操作要點(diǎn)

2.2.1 開挖施工工藝流程

三臂鑿巖臺(tái)車開挖施工工藝流程如圖2所示[3]。

圖2 三臂鑿巖臺(tái)車開挖施工工藝流程圖

2.2.2 開挖施工操作要點(diǎn)

具體施工操作要點(diǎn)如下：

（1）施工準(zhǔn)備。

1）臺(tái)車就位前，應(yīng)對(duì)作業(yè)面基底整平處理，隧底基面應(yīng)密實(shí)可靠，滿足鑿巖臺(tái)車承載力要求，并施作掌子面至仰拱段臨時(shí)排水溝。

2）臺(tái)車定位控制點(diǎn)應(yīng)每環(huán)進(jìn)行檢查，若發(fā)生移位、損壞，及時(shí)更換。

（2）測(cè)量放樣。

1）每個(gè)循環(huán)，采用全站儀對(duì)開挖輪廓線和關(guān)鍵孔位點(diǎn)用紅色油漆進(jìn)行放樣（爆破后周邊輪廓線控制較好時(shí)取大值），用于驗(yàn)證臺(tái)車定位的準(zhǔn)確性。

2）開挖輪廓線測(cè)量放樣時(shí)，由2名測(cè)量人員，通過裝藥臺(tái)架，按照鉆爆設(shè)計(jì)、技術(shù)交底或設(shè)計(jì)圖紙要求進(jìn)行開挖輪廓線放樣（并對(duì)上一循環(huán)支護(hù)超欠進(jìn)行核查），并標(biāo)記紅色噴漆。

（3）臺(tái)車就位。調(diào)整臺(tái)車高度，做好鉆前準(zhǔn)備工作。

（4）鉆孔及清理：

1）鉆爆參數(shù)調(diào)整。在傳統(tǒng)的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)和超前鉆孔預(yù)報(bào)的基礎(chǔ)上，需要對(duì)上循環(huán)開挖斷面的超欠挖情況和前方圍巖情況進(jìn)行全面的分析。同時(shí)，根據(jù)光面爆破的要求，應(yīng)優(yōu)化爆破方案，采取降低周邊眼及輔助眼的裝藥量、減小周邊眼的間距等措施對(duì)鉆爆參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。

2）找點(diǎn)及鉆孔。機(jī)手通過搖桿實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)對(duì)孔。鉆眼過程中，安排抽水人員及時(shí)抽排掌子面積水，保證后續(xù)裝藥順利。

3）鉆孔進(jìn)尺。Ⅳ級(jí)圍巖進(jìn)尺宜控制在3～3.5 m，Ⅴ級(jí)圍巖宜控制在1～2 m。

4）光面爆破控制技術(shù)：

①減小周邊眼外插角：施作周邊眼鉆孔時(shí)，可采用長(zhǎng)短眼結(jié)合方式（短眼設(shè)置僅在鋼架距掌子面距離不足時(shí)設(shè)置）。

②裝藥形式：掏槽眼采用連續(xù)裝藥，周邊眼采用竹片及導(dǎo)爆索輔助間隔裝藥，利用竹片將藥卷預(yù)先加工形成，并設(shè)置導(dǎo)爆索傳爆，確保光面爆破效果。周邊眼間距、周邊孔最小抵抗線、相對(duì)距、周邊孔裝藥集中度應(yīng)符合表1規(guī)定（見表1）。

③及時(shí)優(yōu)化鉆爆設(shè)計(jì)：同類圍巖應(yīng)根據(jù)其差異性，結(jié)合上循環(huán)的開挖效果，通過鉆孔間距，掏槽眼外插角等的調(diào)整和裝藥結(jié)構(gòu)來適當(dāng)?shù)膬?yōu)化鉆爆設(shè)計(jì)。

④對(duì)爆破后的實(shí)際效果進(jìn)行分析，通過殘眼率作為每班光面爆破控制要求；每開挖100 m，通過平均線性超挖率S作為考核指標(biāo)。爆破質(zhì)量評(píng)定表如表2所示。

隧道線性超挖率為隧道每斷面的超挖面積與設(shè)計(jì)開挖斷面面積的比值，超挖面積等于超挖斷面周長(zhǎng)乘以開挖深度。每開挖一循環(huán)后均對(duì)開挖斷面進(jìn)行測(cè)量，取得超挖數(shù)據(jù)，單循環(huán)線性超挖率可以通過測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算得出，而后計(jì)算100 m范圍內(nèi)的線性超挖率平均值即為隧道平均線性超挖率。

⑤做好監(jiān)控量測(cè)工作，根據(jù)量測(cè)數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)調(diào)整預(yù)留變形量和開挖輪廓線。

⑥在保證穩(wěn)定前提下，適當(dāng)增加初期支護(hù)端頭至掌子面距離，減小鉆筆外插角。

5）鉆孔挖成后，對(duì)掌子面底部虛渣、積水及時(shí)進(jìn)行清理。

（5）鉆孔驗(yàn)收。鉆孔驗(yàn)收時(shí)，檢驗(yàn)鉆孔的位置、孔深、外插角是否滿足鉆爆設(shè)計(jì)要求，鉆孔是否堵塞。對(duì)不滿足要求的鉆孔，應(yīng)重新鉆孔。

（6）裝藥及爆破。利用裝藥臺(tái)架進(jìn)行人工裝藥，掏槽眼采用連續(xù)裝藥，周邊眼采用間隔裝藥。

1）人員及爆破器材就位：

①裝藥前，技術(shù)員、安全員、爆破員檢查洞內(nèi)洞外安全情況，在洞口樹立安全警示牌，設(shè)置警戒線。

②洞內(nèi)炮工到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)，進(jìn)行排危及清孔作業(yè)，作業(yè)時(shí)用裝藥臺(tái)車貼近掌子面，在裝藥時(shí)設(shè)置專人進(jìn)行觀察圍巖情況。

③民爆公司將炸藥送至現(xiàn)場(chǎng)臨時(shí)存放點(diǎn)，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)專人看管爆破器材，炸藥和雷管分開存放。

2）裝藥、起爆、出渣。分發(fā)炸藥和雷管，6～9人進(jìn)行裝藥作業(yè)，連接起爆網(wǎng)絡(luò)，技術(shù)員、安全員、爆破員檢查洞內(nèi)洞外安全情況，爆破員起爆，洞內(nèi)空氣質(zhì)量改善后，技術(shù)員、安全員和爆破人員及時(shí)去現(xiàn)場(chǎng)檢查并排除掌子面可能存在的盲炮及其他安全隱患。

待開挖斷面檢查完，挖掘機(jī)進(jìn)行掌子面和拱圈排險(xiǎn)，清理掌子面控制掌子面坡比，坡比要求小于1∶0.1。挖掘機(jī)與裝載機(jī)配合出渣，出渣車將石渣運(yùn)至渣場(chǎng)。

2.3 三臂鑿巖臺(tái)車施工效果分析

相比普通人工鉆爆，極大提升了施工進(jìn)度，通過檢查實(shí)施效果，主要有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)[4]：

2.3.1 提高隧道開挖效率

造孔快、成型好。三臂鑿巖臺(tái)車在堅(jiān)硬巖中快速鑿巖成孔，單臂造孔速度為2.5 m/min，優(yōu)于常規(guī)氣腿鉆的0.25 m/min。根據(jù)圍巖結(jié)構(gòu)特點(diǎn)調(diào)整鉆機(jī)參數(shù)，可使三臂鑿巖臺(tái)車保持最佳狀態(tài)，能有效提高鉆孔質(zhì)量和速度。三臂鑿巖臺(tái)車能控制周邊眼外插角，減少超挖，確保成型好。

2.3.2 保證隧道施工安全

操作人員在固定平臺(tái)遠(yuǎn)距離操作機(jī)械，設(shè)有安全頂棚，避免塌方傷害。三臂鑿巖臺(tái)車沖擊力強(qiáng)，能快速清理危石，提高效率。

2.3.3 降低施工成本

能夠節(jié)省動(dòng)力。三臂鑿巖臺(tái)車能量利用率高，動(dòng)力消耗（油料）僅為風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī)的1/4～1/2，能節(jié)約資源，降低成本。

2.3.4 改善了施工環(huán)境

三臂鑿巖臺(tái)車上操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度較低，一般為濕式鉆進(jìn)，粉塵少，且卡鉆較少。同時(shí)鉆進(jìn)過程中噪聲較常規(guī)的低，視線好，整體整潔。

2.3.5 節(jié)省欠挖與出渣時(shí)間

出現(xiàn)欠挖后，長(zhǎng)鉆桿處理速度快，不影響正常開挖，每個(gè)循環(huán)能節(jié)省時(shí)間1 h左右。三臂鑿巖臺(tái)車窄，寬度只有2.9 m，省空間，每個(gè)循環(huán)能夠減少45 min。

3 三臂鑿巖臺(tái)車應(yīng)用中面臨的問題與對(duì)策

3.1 存在的主要問題分析

在公路隧道施工中，三臂鑿巖臺(tái)車作為一種高效、先進(jìn)的鑿巖設(shè)備，其使用過程中也存在一些問題。主要包括以下幾個(gè)方面[5]：

（1）三臂鑿巖臺(tái)車存在的主要問題之一是設(shè)備的維護(hù)保養(yǎng)。由于三臂鑿巖臺(tái)車是一種大型、復(fù)雜的機(jī)械設(shè)備，其維護(hù)保養(yǎng)工作對(duì)于設(shè)備的正常運(yùn)行和使用壽命具有重要影響。然而，在實(shí)際使用過程中，設(shè)備的維護(hù)保養(yǎng)往往得不到足夠的重視，導(dǎo)致設(shè)備出現(xiàn)故障和磨損等問題。這不僅會(huì)影響設(shè)備的性能和效率，還會(huì)增加維修成本，延誤工期。

（2）三臂鑿巖臺(tái)車在使用過程中也存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)。由于三臂鑿巖臺(tái)車的操作需要高技能、經(jīng)驗(yàn)豐富的操作人員，如果操作人員技能不足或操作不當(dāng)，可能會(huì)導(dǎo)致設(shè)備故障、人員傷亡等安全事故。此外，隧道施工環(huán)境復(fù)雜多變，存在許多不確定因素，如地下水、地質(zhì)災(zāi)害等，也可能對(duì)設(shè)備的安全使用造成影響。

（3）三臂鑿巖臺(tái)車的成本較高也是其存在的問題之一。由于三臂鑿巖臺(tái)車是一種高科技、高附加值的機(jī)械設(shè)備，其制造成本和維護(hù)成本相對(duì)較高。對(duì)于一些小型隧道工程來說，購(gòu)買和維護(hù)三臂鑿巖臺(tái)車的成本可能過高，不具有經(jīng)濟(jì)性。此外，三臂鑿巖臺(tái)車的操作和維護(hù)需要專業(yè)人員，這也增加了人力成本。

3.2 技術(shù)改進(jìn)措施與優(yōu)化建議

針對(duì)三臂鑿巖臺(tái)車在公路隧道施工中存在的問題，提出以下技術(shù)改進(jìn)措施與優(yōu)化建議[6]：

3.2.1 加強(qiáng)設(shè)備的維護(hù)保養(yǎng)管理

建立完善的維護(hù)保養(yǎng)制度，定期對(duì)三臂鑿巖臺(tái)車進(jìn)行檢查、保養(yǎng)和維修，確保設(shè)備處于良好的工作狀態(tài)。同時(shí)，加強(qiáng)與設(shè)備制造廠的合作與交流，及時(shí)獲取技術(shù)支持和培訓(xùn)，提高維護(hù)保養(yǎng)水平。

3.2.2 完善安全管理制度

制定操作規(guī)程和安全指南，培訓(xùn)操作人員技能和安全意識(shí)，提高應(yīng)對(duì)能力。建立設(shè)備安全檢查機(jī)制，及時(shí)處理隱患。

3.2.3 強(qiáng)化成本管控措施

（1）優(yōu)化設(shè)備設(shè)計(jì)。通過對(duì)三臂鑿巖臺(tái)車的設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，降低制造成本和維護(hù)成本。例如，采用高強(qiáng)度材料、優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和減少易損件等措施，可以提高設(shè)備的耐用性，降低維修成本。

（2）提高設(shè)備利用率。合理安排施工計(jì)劃，提高三臂鑿巖臺(tái)車的利用率，降低單位工程量的設(shè)備成本。同時(shí)，加強(qiáng)設(shè)備的調(diào)度和管理，避免設(shè)備閑置和浪費(fèi)。

（3）推廣設(shè)備租賃。對(duì)于一些小型隧道工程來說，可以采用租賃三臂鑿巖臺(tái)車的方式，避免一次性投資過大。這樣可以降低工程成本，也可以滿足施工需求。

4 結(jié)語

在公路隧道開挖施工中，三臂鑿巖臺(tái)車作為一種高效、安全的施工設(shè)備，較手持風(fēng)鉆具有鉆孔速度快、機(jī)械化程度高、能耗低、施工安全、成孔質(zhì)量好、噪聲空氣污染少和綜合成本低等優(yōu)點(diǎn)，具有廣泛的應(yīng)用前景。通過該文的探討和分析，以期能為相關(guān)工程提供有益的參考和指導(dǎo)，促進(jìn)公路隧道開挖施工的進(jìn)一步發(fā)展。同時(shí)，也期待未來有更多的研究和實(shí)踐能夠深入挖掘三臂鑿巖臺(tái)車的潛力，提升其在復(fù)雜環(huán)境下的適應(yīng)性和工作效率。

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