高鐵隧道工程兩種鑿巖機械技術經(jīng)濟性能比較研究

摘要：簡述西安至成都高速鐵路某標段隧道工程概況和地質(zhì)構造，為該標段隧道工程選用三臂鑿巖臺車等鑿巖機械，并制定鉆爆流程。從施工質(zhì)量、施工成本、火工材料成本、動力消耗成本等方面，對YT28型氣腿式鑿巖機與ZYS123型全電腦三臂鑿巖臺車進行對比分析，得出三臂鑿巖臺車在技術、經(jīng)濟方面均展現(xiàn)出了明顯優(yōu)勢的結(jié)論。

關鍵詞：高鐵隧道工程；鑿巖機械；技術經(jīng)濟性能；施工成本；火工材料

0" "引言

軟弱破碎巖層、巖溶地質(zhì)、高地應力區(qū)等復雜地質(zhì)條件給隧道施工帶來了諸多挑戰(zhàn)，不僅增加了施工難度，也對施工質(zhì)量和安全提出了更高要求[1-2]。因此探索復雜地質(zhì)條件下的機械化配套施工技術及質(zhì)量控制方法，對于保障隧道工程的順利進行具有重要意義。

鉆孔作業(yè)是隧道工程施工過程中的關鍵環(huán)節(jié)，直接關系到隧道的開挖效率、施工質(zhì)量和施工成本[3]。隨著機械化施工水平的不斷提高以及隧道工程規(guī)模的不斷擴大，手持式或者氣腿式鑿巖機在鉆孔速度、鉆孔精度和勞動強度等方面的局限性逐漸顯現(xiàn)[4-5]，取而代之的是三臂鑿巖臺車等先進鉆孔機械。三臂鑿巖臺車作業(yè)高效、精準、安全，具有強大的鉆孔能力和穩(wěn)定的鉆孔精度，能夠在短時間內(nèi)完成大量的鉆孔作業(yè)，可顯著提高隧道施工效率。

本文通過氣腿式鑿巖機與三臂鑿巖臺車在隧道作業(yè)中的施工質(zhì)量和施工成本的對比，分析這兩種機械的技術性能和經(jīng)濟適用性。通過深入研究這兩種機械的應用效果，為復雜地質(zhì)條件下的隧道工程配置機械設備提供科學依據(jù)。

1" "工程概況和地質(zhì)構造

1.1" "工程概況

西安至成都高速鐵路XCTJ2標段位于甘南藏族自治州碌曲縣境內(nèi)，南起拉仁關鄉(xiāng)，向北經(jīng)過則岔村、西倉鎮(zhèn)，終至雙岔鎮(zhèn)，緊鄰省道326、縣道402，起訖里程為DGK204+120～DK228+830，正線線路長度24.711km，最大埋深約212m。本標段包含則岔隧道、堅希庫合隧道、絨克隧道、恰日隧道，隧道的Ⅲ級圍巖采用全斷面掘進法，Ⅳ級圍巖采取微臺階開挖，Ⅴ級圍巖則實施三臺階開挖法。

1.2" "地質(zhì)構造

該標段地層復雜多樣，涵蓋三疊系至泥盆系的多套巖層，包括板巖、砂巖、灰?guī)r及白云巖等，且分布有第四系全新統(tǒng)的沖洪積細角礫土。則岔隧道、堅希庫合隧道、絨克隧道及恰日隧道均位于秦嶺地槽褶皺系的不同褶皺帶內(nèi)，地質(zhì)構造復雜多變。其中則岔隧道、恰日隧道經(jīng)歷晚古生代-三疊紀的海盆裂陷和印支運動，形成以北西向為主的復雜構造帶；堅希庫合隧道處于碌曲-宕昌-兩當褶皺帶，以三疊系為主并伴有印支期花崗巖群，發(fā)育逆斷層；絨克隧道雖同屬碌曲-宕昌-兩當褶皺帶，但地質(zhì)構造相對單一，局部受構造影響巖體揉皺發(fā)育。

2" "鑿巖機械選用和鉆爆流程制定

2.1" "鑿巖機械選用

在隧道施工中，鉆孔作業(yè)是至關重要的環(huán)節(jié)，其中氣腿式鑿巖機和三臂鑿巖臺車是兩種常見的鉆孔設備。YT28型氣腿式鑿巖機具有靈活性高、操作簡便、適應性強等特點，適合于隧道三臺階開挖法施工。然而，隨著施工規(guī)模的擴大和施工效率要求的提高，氣腿式鑿巖機在鉆孔速度、鉆孔精度和勞動強度等方面逐漸暴露出不足。YT28型氣腿式鑿巖機如圖1所示。

ZYS123型全電腦三臂鑿巖臺車專為隧道鉆爆開挖設計，適合于隧道全斷面開挖法施工。憑借其智能精確定位、高質(zhì)高效自動鉆孔、超前地質(zhì)分析、開挖面3D輪廓掃描、鑿巖參數(shù)記錄與數(shù)據(jù)傳輸?shù)葦?shù)字化科技優(yōu)勢，已成為目前隧道工程的首選設備。該型鑿巖臺車集行走、鑿巖鉆孔、錨桿注漿、管棚加固、浮石處理以及輔助裝填炸藥等功能于一身，具有整體運行平穩(wěn)、操控簡便、駕駛舒適、功能整合度高、施工費用低、安全保障強等特性。因此，將ZYS123型全電腦三臂鑿巖臺車作為該標段最主要的機械化智能化施工機械。YS123型全電腦三臂鑿巖臺車如圖2所示。

2.2" "三臂鑿巖臺車鉆爆流程制定

ZYS123型全電腦三臂鑿巖臺車執(zhí)行隧道鉆孔作業(yè)，適用于各種鉆爆工藝，與YT28型氣腿式鑿巖機相比，其對圍巖穩(wěn)定性的干擾更低。該型鑿巖臺車具備近距離地質(zhì)超前探測功能，可有效預測軟巖區(qū)域的地質(zhì)情況。ZYS123型全電腦鑿巖臺車鉆爆流程如圖3所示。

3" "施工質(zhì)量與施工成本對比分析

3.1" "施工質(zhì)量對比分析

在隧道掘進施工中，成孔的質(zhì)量受多重因素的制約，其中鉆孔精確度不足成為超挖的主因。在精確度和效率方面，ZYS123型全電腦三臂鑿巖臺車展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢。該型鑿巖臺車可自動執(zhí)行鉆孔任務，內(nèi)置系統(tǒng)負責收集、整理鉆孔數(shù)據(jù)；能夠根據(jù)巖石特性的變化，靈活調(diào)節(jié)鉆進力度，從而優(yōu)化鉆孔質(zhì)量。

相比之下，YT28型氣腿式鑿巖機雖體積小巧、操作便捷，但需依賴氣腿輔助，鉆孔速率較低，且對操作人員的技能要求較高，人為因素對鉆孔質(zhì)量影響較大。

本文對不同圍巖的超挖現(xiàn)象開展了測量，通過對比YT28型氣腿式鑿巖機與ZYS123型全電腦三臂鑿巖臺車的開挖效果可知，該型鑿巖臺車的超挖量在整體上優(yōu)于氣腿式鑿巖機。通過對施工記錄中的超挖數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計、計算和分析，得出這兩種鑿巖設備的平均線性超挖量。

兩種鑿巖機械超挖曲線如圖4所示，這兩種鑿巖機械超挖數(shù)據(jù)對比如表1所示。從圖4和表1可以看出，該型鑿巖臺車的平均線性超挖量相對較小，表明該型鑿巖臺車的成形效果優(yōu)于氣腿式鑿巖機。

3.2" "施工成本對比分析

3.2.1" "人工費用對比分析

與氣腿式鑿巖機相比，ZYS123型全電腦三臂鑿巖臺車對人工挖掘的需求大幅度減少。目前工程常采取兩班倒的工作模式來安排人力。兩種鑿巖機械人工費用對比如表2所示。

由表2可知，這兩種鑿巖機械的人員配置和人工費用差異明顯。由于ZYS123型全電腦三臂鑿巖臺車具有高度自動化和集成化的特點，所需的人員較少，一般在3～4人即可滿足日常施工需要。而氣腿式鑿巖機則依賴人力操作，因此其人員配置較多，一般需要14～20人才能完成相同的施工任務。由于ZYS123型全電腦三臂鑿巖臺車能夠顯著提高施工效率，減少人工作業(yè)，因此其單位體積的人工費用相對較低，約為18元/m3。而氣腿式鑿巖機由于人員配置較多，且工作效率較低，因此其單位體積的人工費用較高，約為20元/m3。

3.2.2" "機械費用對比分析

ZYS123型全電腦三臂鑿巖臺車的單臺購置成本約為800萬元。雖然購置成本很高，但是具有高施工質(zhì)量和高施工效率。按照相關規(guī)定，機械類生產(chǎn)設備的折舊年限最低為10年。單臺該型鑿巖臺車在預留3%殘值后，計算得到其月度折舊費為6.5萬元。

高速鐵路隧道斷面面積按照128m2計算，該型鑿巖臺車平均鉆孔速度為3.5m/min，鉆孔作業(yè)時間在2.5h左右，每班開挖進尺在3.2m以上。根據(jù)上述部分數(shù)據(jù)計算出單臺該型鑿巖臺車每天一班開挖1m3巖石的折舊費為10.58元/m3，每天兩班開挖1m3巖石的折舊費為5.29元/m3。按照類似算法計算出兩種鑿巖機械單臺各項費用，并對其進行對比。

兩種鑿巖機械單臺費用對比如表3所示。由表3可知，該型氣腿式鑿巖機的單臺折舊費雖然明顯低于單臺該型鑿巖臺車，但是在隧道開挖過程中，鑿巖臺車可同時使用2臺，而氣腿式鑿巖機需要同時使用8～16臺，且前這些鑿巖機的施工效率不如2臺鑿巖臺車。

該型鑿巖臺車的月度維修費約為2.77萬元，這表明其在維護方面的成本相對較高。該型鑿巖臺車的月度配件損耗費約為4.35萬元，雖然這一費用不容忽視，但考慮到該型鑿巖臺車的高效施工能力，這一損耗成本可以被有效地分攤到每立方米的開挖成本之中。

3.3" "火工材料成本對比分析

為了更加便捷準確地對比這兩種鑿巖機械火工材料的成本，將該標段鑿巖機械鉆頭直徑統(tǒng)一設定為45mm，確保這兩種鑿巖機械鉆成的孔徑完全一致，以減少因鉆頭直徑不同而引起計算誤差。鑿巖機械可以更好的進行分布式裝藥，為了提高作業(yè)效率，保證施工安全，選用爆炸性能良好、成本效益穩(wěn)定、直徑為32mm的乳化炸藥作為火工材料。相同斷面兩種鑿巖機械火工材料用量對比如表4所示。

由表4可知，Ⅲ級圍巖在開挖深度為4.5m時，使用三臂鑿巖臺車所需的炸藥量為279kg，雷管數(shù)量為111發(fā)；而使用氣腿式鑿巖機時，炸藥量則增加到316kg，雷管數(shù)量也達到了188發(fā)。由此說明在相同的圍巖級別和開挖深度下，三臂鑿巖臺車在火工材料的消耗上更為節(jié)省。

為了更深入地了解這種差異對成本的影響，以炸藥單價為7.5元/kg和雷管單價為4.31元/枚為計算基礎，進行全面核算，得出了在Ⅲ級圍巖中，使用三臂鑿巖臺車進行鉆巖作業(yè)時，火工材料的直接成本約為571.31元/m；而使用氣腿式鑿巖機時，這一成本則上升到了706.73元/m。綜合看來，使用三臂鑿巖臺車具有更高的經(jīng)濟性。

3.4" "動力消耗成本對比分析

繼續(xù)對這兩種機械在節(jié)能降耗方面進行對比分析，發(fā)現(xiàn)三臂鑿巖臺車的動力消耗僅為氣腿式鑿巖機的0.68倍，這意味著在提供相同功率的情況下，三臂鑿巖臺車消耗的能源更少。三臂鑿巖臺車具有高效的施工方式和精確的鉆孔控制，可顯著提升能源的利用效率，進一步降低了施工成本。

綜上所述，從施工質(zhì)量、施工成本、火工材料成本、動力消耗等方面，三臂鑿巖臺車都展現(xiàn)出了明顯的優(yōu)勢，因此在未來的隧道施工中，應該更加重視和推廣這種先進的鑿巖機械，以提高施工效率和施工質(zhì)量，降低施工成本。

4" "結(jié)束語

與氣腿式鑿巖機相比，三臂鑿巖臺車在隧道鉆孔開挖作業(yè)中表現(xiàn)出更高的施工質(zhì)量和更低的施工成本。采用全電腦控制的三臂鑿巖臺車具有顯著的高速鉆孔能力，能夠精確控制鉆孔位置和角度，從而確保光面爆破效果，減少超欠挖現(xiàn)象。

三臂鑿巖臺車的初期投資較高，但其高效率、低耗能、低耗材、低成本等優(yōu)點，以及其高精度的鉆孔能力、優(yōu)越的安全性能和較低的綜合成本，使其成為隧道施工中的理想選擇。隨著機械化施工技術的不斷進步和推廣，三臂鑿巖臺車將在未來的隧道工程施工中將發(fā)揮出越來越重要的作用。

參考文獻

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