魏志宏

(中鐵隧道集團有限公司，河南洛陽 471009)

0 引言

我國應用TBM和盾構建造鐵路隧道技術始于20世紀90年代末和21世紀初，在我國已經建成的鐵路隧道中，用TBM和盾構建造的鐵路隧道累計長度不超過150 km，大量的鐵路隧道是用鉆爆法建成的。鉆爆法具有經濟、高效和地質適應能力強等優(yōu)勢［1］，在我國的鐵路隧道建設中顯示出了強大的生命力，尤其是20世紀90年代改進創(chuàng)新的多功能臺架配風動鑿巖機開挖工法，憑其方便快速、簡潔經濟的優(yōu)勢成為近期隧道施工的主流。

雖然多功能臺架配風動鑿巖機的開挖工法在鐵路隧道建設中應用廣泛，但因其投入人員多、勞動強度高、作業(yè)環(huán)境條件差、能源消耗高、鉆進速度慢等［2］，在長大鐵路隧道建設中的應用受到局限，已無法滿足目前鐵路建設和隧道施工的需要。而液壓鑿巖臺車以其動力能耗小、能量利用率高、綜合效率顯著等優(yōu)勢［3］，逐漸成為隧道施工機械化的推廣設備。

隧道施工機械化需要技術和資金作為支撐，20世紀80年代，衡廣鐵路大瑤山隧道建設期間，曾對瑞典阿特拉斯科普柯(ATLAS COPCO)鑿巖臺車開挖雙線隧道技術和工程經濟狀況展開了廣泛研究。在其后的一段時間內，由于受經濟發(fā)展水平的限制，設備購置費用和使用成本在工程應用中不能得到合理補償，液壓鑿巖臺車開挖技術的發(fā)展和研究工作受到影響。

當前，經濟狀況有了很大改善，加之鐵路隧道建設標準進一步提高，人們的環(huán)保節(jié)能理念和職業(yè)健康意識進一步增強，應用鑿巖臺車開挖技術修建長大鐵路隧道成為一種必然的選擇。為提高鐵路隧道施工機械化水平，2008年頒發(fā)了鐵建設函［2008］777號《關于鐵路隧道施工機械配置的指導意見》，明確要求相應的概算編制應與指導意見相適應。這意味著采用鑿巖臺車等大型施工設備修建鐵路隧道將會得到合理的費用補償，從根本上掃除了長期以來嚴重影響發(fā)展鑿巖臺車開挖技術的障礙，使隧道液壓鑿巖臺車開挖技術的推廣應用具有更廣闊的發(fā)展前景。

20世紀80年代我國對鑿巖臺車開挖鐵路隧道的技術研究［4－5］和經濟分析［8－9］主要是針對全液壓鑿巖臺車和雙線隧道開挖進行的。目前的鑿巖臺車修建技術有了進步，客運專線隧道在有效斷面、工程量計算規(guī)則和技術標準等方面也有了一些變化，有必要對新型鑿巖臺車開挖客運專線隧道技術的應用和經濟分析工作進行研究，使工程技術與經濟變化協(xié)調推進。本文對隧道施工機械化配套技術中的鑿巖臺車開挖技術和經濟分析工作進行一些探討，總結鑿巖臺車開挖技術的發(fā)展和進步。

1 隧道液壓鑿巖臺車開挖技術應用要點

1.1 關注鑿巖臺車的選型

液壓鑿巖臺車的發(fā)展經歷了半液壓、全液壓、電液控制、半電腦、全電腦和全智能等幾個階段。半液壓鑿巖臺車20世紀60年代在我國出現(xiàn)，當時的鑿巖臺車只是臺車大臂采用了液壓技術，而鑿巖機仍是風動的。到20世紀70年代中期，我國市場上開始出現(xiàn)全液壓鑿巖臺車［4］(大臂和鑿巖機均采用液壓技術)。目前，實際引進應用的以全液壓和電液控制鑿巖臺車居多。應用中的鑿巖臺車主要有瑞典阿特拉斯科普柯(ATLAS COPCO)、山特維克(SANDVIK，原 TOMROCK)和日本古河等品牌。

隧道鑿巖設備的選擇應綜合考慮單口掘進長度、斷面大小、圍巖地質情況和施工方法等。一般來說，單口掘進長度大于3 km，圍巖穩(wěn)定性較好的中大斷面隧道，其爆破鉆孔應選用液壓鑿巖臺車;單口掘進長度小于3 km，有趕工需求時也可選擇液壓鑿巖臺車。

選擇液壓鑿巖臺車應進行充分的比選，使設備選型最適合隧道作業(yè)。按精度和智能化程度考慮，一般應選擇全電腦和全智能的鑿巖臺車，但因其購置價格和管理維修要求較高，考慮實際經濟狀況和管理維修水平，目前國內施工企業(yè)選擇全液壓、電液控和半電腦鑿巖臺車的居多。

1.2 重視液壓鑿巖臺車開挖的超欠挖控制

1.2.1 液壓鑿巖臺車超欠挖情況和原因分析

在20世紀80年代建設衡廣復線時期，瑞典阿特拉斯科普柯(ATLAS COPCO)多臂液壓鑿巖臺車在應用中取得了較好的效果。大瑤山隧道進、出口工區(qū)的平均掘進速度均達到140 m/月，最高掘進速度達到200 m/月［5］。21世紀初期在溫州至福州、合肥至武漢等鐵路客運專線中，應用 SANDVIK T12和 ATLAS 353E鑿巖臺車也取得了平均掘進速度220 m/月的成績［6］。

應用鑿巖臺車在取得高速掘進的同時，造成的超挖也是很大的。調查統(tǒng)計顯示，衡廣復線鐵路某雙線隧道典型超挖地段(DK1989+024.5～+524.5)的平均線性超挖高達35 cm;貴廣客專鐵路某雙線隧道Ⅴ級圍巖典型超挖地段的平均線性超挖達到31.7 cm。造成超挖大的主要原因分析如下。

1.2.1.1 鑿巖臺車自身結構因素

用鑿巖臺車鉆孔的外插角比用手持風動鑿巖機鉆孔的外插角大，周邊鉆孔較深是超挖大的主要原因，這種超挖是鑿巖臺車自身結構造成的，屬于技術性超挖，是無法避免的。

1.2.1.2 圍巖狀況因素

當施工地段巖性差、圍巖破碎、節(jié)理發(fā)育時，爆破后炮眼痕跡保存率低，巖體表面受爆破影響，找頂刷幫時發(fā)生掉塊易引起超挖。隧道圍巖狀況千變萬化，這種超挖是無法避免的，應區(qū)分圍巖情況合理考慮。一般情況下，圍巖穩(wěn)定性越差，爆破炮眼痕跡保存率越低，超挖量越大。

1.2.1.3 設計和施工因素

按規(guī)范要求，設計和施工時應考慮圍巖收斂變形量、拱架預留沉落量、測量允許誤差、施工允許誤差、超前支護(管棚、錨桿、小導管)輪廓線下的楔形坍落等，這種超挖屬于技術性超挖，是施工時難以避免的。

1.2.1.4 人為因素

因管理水平差、技術素質低、責任心缺失、爆破設計不合理、劃線精度不夠、技術措施不到位等原因造成較大超挖的情況較多，這些人為因素對超挖的影響是客觀存在的。如受“寧超勿欠”觀點的影響，測量人員在劃線時將開挖輪廓線人為外放5～10 cm，影響了鑿巖臺車鉆孔開孔精度，導致超挖增大;臺車操作人員對外插角的控制不夠嚴謹，往往憑目測決定臺車的就位和外插角大小，隨意性很大，無形中也會增加超挖;地質條件變化時，爆破設計和施工人員未根據巖層的節(jié)理裂隙發(fā)育情況，及時調整爆破設計，導致裝藥量過大，影響圍巖穩(wěn)定性，尤其是周邊眼裝藥集中度過大，降低炮眼痕跡保存率，增大超挖。施工中應通過加強管理、提高作業(yè)人員技術素質和嚴格施工紀律等措施，將這種人為因素造成的超挖量降至最低。

1.2.2 液壓鑿巖臺車開挖外插角分析

以Axera T12電液控鑿巖臺車為例對外插角的成因和影響因素進行分析。Axera T12臺車配置的TF500推進梁和HLX5T鑿巖機實物和斷面尺寸如圖1和圖2所示。

Axera T12電液控鑿巖臺車的推進梁長度為7 125 mm，鑿巖機最大鉆孔深度為5 235 mm，鉆桿中心至鑿巖機頂面的距離為87 mm。理想狀態(tài)下隧道的開挖成型應該是臺階狀的，鉆孔過程中，必須保證鑿巖機沿推進梁移動時能順利通過開挖循環(huán)接頭處的“臺階”，不能出現(xiàn)碰撞或阻擋鑿巖機的現(xiàn)象。

當隧道圍巖穩(wěn)定時(Ⅰ級和Ⅱ級圍巖)，開挖后不施作噴射混凝土初期支護。為保證鑿巖機能順利通過“臺階”，鑿巖機頂面應至少與“臺階”處的巖面保持3～5 cm的距離，則鉆桿中心與臺階處的距離應保持為11.7～13.7 cm。當隧道圍巖較穩(wěn)定時(Ⅲ級圍巖)，開挖后需施作5 cm厚的噴射混凝土初期支護，則鉆桿中心與臺階處的距離應保持為16.7～18.7 cm。如果開挖進尺為3.8 m，則其外插角分別為1.8°～2.1°和2.5°～2.8°。如隧道圍巖穩(wěn)定性較差(Ⅳ級和Ⅴ級圍巖)，開挖后需施作拱架和噴射混凝土后再鉆孔，受拱架和噴射混凝土的影響，外插角會更大。

外插角的大小與鑿巖臺車液壓鑿巖機結構尺寸和推進梁范圍內的隧道支護狀況密切相關。影響外插角的主要因素是液壓鑿巖機的結構尺寸和初期支護的施作情況。一般情況，鉆孔時的外插角與鑿巖鉆機尺寸和臺車推進梁范圍內的支護厚度成正比。

1.2.3 液壓鑿巖臺車開挖超挖控制

在衡廣復線大瑤山隧道建設過程中，應用鑿巖臺車開挖取得了較高的掘進速度，縮短了建設工期;同時，隧道超挖也是非常大的。貴州至廣州客運專線某隧道使用鑿巖臺車開挖也揭示了其快速施工和超挖過大的矛盾。如何在取得快速施工的同時有效控制隧道超挖，提高其經濟合理性，是鑿巖臺車開挖技術能否推廣應用的關鍵。

要控制鑿巖臺車產生的超挖，應合理選擇掘進循環(huán)進尺，不能為追求掘進速度而一味地采用深孔爆破［7］。采用全斷面深孔爆破時，主觀上要重視對超欠挖的嚴格控制。在大瑤山隧道進口工區(qū)DK1989+524.5～+632.1進行了全斷面掘進控制超挖試驗，試驗中嚴格執(zhí)行控制超挖的9條措施，運用TQC質量管理辦法不斷改進，結果大大降低了超挖量(除個別循環(huán)外，平均指標達到了設計標準，平均循環(huán)進尺4.68 m，平均炮眼利用率93.5%，平均炮痕保存率70.5%，最大線性超挖為24 cm)，這充分說明通過加強管理，深孔爆破的超挖是可以控制的［5］。

1.3 注重配套設備的選擇和相關技術的跟進

在隧道掘進循環(huán)中，鉆孔和出碴2個工序耗時最多。以客運專線隧道Ⅲ級圍巖(斷面約120 m2)開挖為例，掘進進尺為4.2 m時，整個循環(huán)時間約16 h，一般雙臺車聯(lián)合鉆孔耗時約3 h，出碴耗時約5 h，僅此2項就占到了50%;故出碴設備必須配強，否則會制約鑿巖臺車綜合功效的發(fā)揮。對于圍巖稍差的地段，施作初期支護耗時較多，要妥善選擇初期支護的施工設備，盡可能配套選用混凝土噴射機械手和拱架安裝機等高效的初期支護設備。

為提高爆破效果，控制超欠挖，要不斷研究改進與鑿巖臺車開挖密切相關的爆破技術。鑿巖臺車開挖一般都配套采用無軌運輸，大量的內燃裝運設備使洞內空氣污染加劇，隧道施工通風技術的研究改進要及時跟進?？傊淼朗┕C械化是多種先進設備和配套技術的集成，必須配合協(xié)調，同步推進，這樣才能不斷提高隧道建造水平，取得好的經濟效益和社會效益。

1.4 做好人員培養(yǎng)和技術培訓

隧道施工機械化的推廣應用和研發(fā)改進需要靠人去實施，在引進先進設備和技術的同時要做好對新技術的消化吸收，通過學習和培訓不斷提高操作人員、技術人員和管理者的水平，在實際應用中總結經驗教訓，在管好用好的同時進行不斷的研發(fā)改進。

2 液壓鑿巖臺車開挖技術經濟分析工作要點

液壓鑿巖臺車開挖技術的經濟分析工作隨著鐵路隧道施工設備的引進不斷開展，20世紀80年代修建大瑤山隧道時期鐵道部基建總局就組織了雙線隧道大型機械化施工預算定額的編制工作，經過多年的編制和修改，最終形成了《鐵路雙線隧道工程大型機械化施工預算定額》［8－9］。隨著隧道施工新設備的應用、設備配套技術的發(fā)展及工程造價管理體制的變化，原來編制的隧道工程機械化施工預算定額的局限性不斷顯現(xiàn)，已無法滿足當前的需要，有必要繼續(xù)開展隧道施工機械化技術經濟分析工作。

2.1 注重鑿巖臺車經濟技術數據積累和收集工作

Axera T12電液控三臂鑿巖臺車目前的單臺購置價格接近900萬元(電腦臺車的購置價格更高)，裝機功率約200 kW;現(xiàn)行鐵路工程機械臺班費用定額(2005年度)中取定的三臂鑿巖臺車預算價格是688萬元，裝機功率是150 kW。

應認真收集整理鑿巖臺車的購置價格和大修、經修、維護保養(yǎng)等費用和技術指標，以滿足確定液壓鑿巖臺車的機械臺班費用和經濟分析工作需要。

2.2 做好鑿巖臺車開挖隧道的資源消耗統(tǒng)計

應詳細統(tǒng)計鑿巖臺車開挖隧道的鉆具、配件、油料、水電、火工品等材料消耗，尤其要結合隧道的圍巖分類和開挖方法(全斷面法或臺階法)進行分類統(tǒng)計，以滿足隧道開挖定額的編制需要。

做好這些基礎工作不但有利于企業(yè)的成本核算工作，同時也有利于行業(yè)定額的及時編制和修訂，意義非常重大。

2.3 做好鑿巖臺車開挖隧道的超挖統(tǒng)計和研究分析

目前鐵路技術規(guī)范中只對風動鑿巖機鉆鑿3 m以內淺孔爆破的超挖限值進行了規(guī)定，而對液壓鑿巖臺車鉆鑿3 m以上深孔爆破的超挖限值沒有明確的規(guī)定［10］。有關學術文獻對鑿巖臺車開挖超挖值有不同見解:大瑤山隧道平均線性超挖值為30 cm;張灘隧道出口的深孔爆破試驗(45個循環(huán))得到的結果是拱部平均線性超挖為41.1 cm，邊墻部平均線性超挖為26.3 cm;大相嶺隧道鑿巖臺車開挖的平均線性超挖為5 cm［11］。

隧道超挖產生的洞碴要運走，多超挖部分還要用噴射混凝土或模注混凝土回填，對鐵路隧道的建造成本影響很大。為合理確定液壓鑿巖臺車形成的超挖限值，滿足工程經濟分析的需要，有必要對用鑿巖臺車開挖的鐵路隧道工點進行跟蹤研究，用科學的方法合理確定液壓鑿巖臺車開挖隧道的超挖限值。做好這項工作，對鑿巖臺車開挖隧道的經濟分析研究十分重要。

現(xiàn)場統(tǒng)計隧道超挖情況一般是采用測量劃線的方法，筆者認為這種做法精度較差，尤其是用以考核開挖班組和測量人員的工作效果時通常還會存在人為因素，不能準確反映開挖區(qū)段的超挖情況?？刹捎媒y(tǒng)計噴射混凝土和二次襯砌混凝土的回填數量來反算隧道平均線性超挖數量，這樣數據較為準確，同時也能綜合反映架立鋼拱架所占超挖體積。

2.4 做好鑿巖臺車開挖隧道的進度統(tǒng)計和循環(huán)時間分析

建造隧道是在一定時間和空間內集成了人員、材料、設備等生產資源和建造技術，這些資源和技術互相影響，最終決定了隧道的建造效率。進行工程經濟分析不但要認真研究鑿巖臺車開挖的作業(yè)時間和效率，還要一并研究其他相關工序的作業(yè)時間和效率，以及各工序互相作用后形成的隧道建造綜合效率。在一定的資源配置下，循環(huán)時間和施工進度基本能決定隧道的產值和效率，很有必要對隧道進度進行認真地統(tǒng)計分析。

隧道開挖作業(yè)的循環(huán)時間在一定意義上綜合了測量、鉆孔、裝藥爆破、出碴、初期支護的施作以及超前地質預報等多道工序的影響，在一定程度上決定了開挖掘進的綜合效率。綜合進度指標包含了開挖掘進、仰拱施作、防排水處理和二次襯砌等工序間的互相干擾，以及停工檢查的影響，最終能決定建造鐵路隧道的綜合效率。因此，做好鑿巖臺車作業(yè)時間和效率測定，做好相關開挖循環(huán)時間和綜合進度的研究分析，對液壓鑿巖臺車開挖技術的經濟分析工作來說是必需的，也是非常重要的。

2.5 做好鑿巖臺車開挖隧道的資源配置和優(yōu)化分析

搞好液壓鑿巖臺車開挖配套技術經濟分析工作，要對其配套條件下的資源配置了解清楚，并在不違背勞動保護，確保施工質量安全的前提下盡量優(yōu)化資源配置，以縮小液壓鑿巖臺車開挖配套技術與風動鑿巖機開挖配套技術在經濟上的差距，進一步彰顯鑿巖臺車開挖配套技術的優(yōu)勢。

3 結論與討論

1)應用液壓鑿巖臺車開挖配套技術建造長大鐵路隧道，雖然比多功能臺架配風動鑿巖機建造隧道增加一些投資(約20%)，但其施工速度可大幅度提高(約40%)。如果考慮因掘進速度提高從而減少輔助坑道的費用和隧道提前投入運營的收益，應用液壓鑿巖臺車開挖配套技術建造長大鐵路隧道是可行的。

2)應用液壓鑿巖臺車開挖配套技術建造長大鐵路隧道，不僅能大幅度提高施工速度，同時也具有節(jié)省勞動力、勞動強度低、安全風險小、環(huán)保節(jié)能效果顯著等優(yōu)點。

3)在對隧道工程進行經濟分析時，不能單純就某一道工序本身進行經濟分析，而應該全面考慮這道工序對工程建造費用造成的影響。比如:鑿巖臺車開挖造成超挖量增加，對其超挖增加部分需要考慮用噴射混凝土和二次襯砌混凝土回填;在對鑿巖臺車開挖和多功能臺架配風動鑿巖機開挖的經濟分析進行對比時，盡量做全面的分析對比，必須考慮鑿巖臺車超挖較大引起的費用增加問題;若考慮了固定空壓機站的房屋費用，還必須考慮液壓鑿巖臺車的停機棚和修理車間的費用，以免因片面的對比分析而出現(xiàn)不正確的結論。

鑒于目前的鐵路技術規(guī)范沒有關于液壓鑿巖臺車開挖超挖限值的規(guī)定，建議盡快立項研究解決液壓鑿巖臺車開挖超挖限值規(guī)定的問題，以免影響鐵路機械化施工預算定額的編制，避免液壓鑿巖臺車開挖隧道的概預算編制出現(xiàn)較大的差異。

液壓鑿巖臺車開挖尤其適用于堅硬穩(wěn)定的巖體，對開挖較為軟弱的巖體優(yōu)勢不太明顯。長大鐵路隧道的地質情況錯綜復雜，在實際掘進中往往不同級別的圍巖相互穿插，造成開挖工法的不斷轉換，要想不斷提高液壓鑿巖臺車開挖的適用性和綜合效率，有必要對大斷面軟弱圍巖條件下的施工技術進行創(chuàng)新和研究，這是廣大隧道建設者需要面對和解決的課題。

［1］ 郭陜云.隧道掘進鉆爆法施工技術的進步和發(fā)展［J］.鐵道工程學報，2007(9):69 －76.(GUO Shanyun.Progresses and developments of tunnel construction technology with bored blast method［J］.Journal of Railway Engineering Society，2007(9):69 －76.(in Chinese))

［2］ 張雙亞，劉東亮，朱琴聲.鑿巖臺車全斷面快速掘進技術［J］.礦山機械，2007(6):36 －39.

［3］ 韓靜玉.雙臺車快速掘進技術在方斗山隧道施工中的應用［J］.隧道建設，2006，26(3):67 －69.(HAN Jingyu.Rapid tunnel excavation technology by means of twin drilling jumbos:Case study on construction of Fangdoushan tunnel［J］.Tunnel Construction，2006，26(3):67 － 69.(in Chinese))

［4］ 鐵道部隧道工程局.隧道施工機械簡明手冊［M］.北京:中國鐵道出版社，1984.

［5］ 鐵道部隧道工程局.大瑤山長大鐵路隧道施工新技術［M］.北京:中國鐵道出版社，1988.

［6］ 康寶生.液壓鑿巖臺車在客運專線隧道工程中的使用與思考［J］.隧道建設，2007，27(5):95 － 98，101.(KANG Baosheng.Application of hydraulic rock drilling jumbos in construction of passenger-dedicated railway tunnels［J］.Tunnel Construction，2007，27(5):95 －98，101.(in Chinese)

［7］ 馬宏偉.液壓鑿巖臺車開挖隧道控制超欠挖施工技術［J］.隧道建設，2009，29(2):254 －256.

［8］ 左光大，羅竹卿.鐵路雙線隧道工程大型機械化施工預算定額:報批稿［M］.北京:中國鐵道出版社，1992.

［9］ 劉青峰，單向華.鐵路雙線隧道工程大型機械化施工預算定額［M］.北京:中國鐵道出版社，2001.

［10］ 雷升祥，崔永杰.對液壓鑿巖臺車在隧道施工中推廣應用問題的淺析［J］.鐵道標準設計，2003(S1):114－116.

［11］ 臧萬軍.三臂鑿巖臺車與手持鑿巖機在大相嶺隧道應用中的比較［J］.公路工程，2011(4):12 －15，25.(ZANG Wanjun.Comparison of tri-arm rock drilling jumbo and hand rock breaker in Daxiangling tunnel application［J］.Highway Engineering，2011(4):12 － 15，25.(in Chinese ))