張勇

摘 要：傳統(tǒng)的隧道鉆爆開(kāi)挖采用人工手持風(fēng)動(dòng)氣退式鑿巖機(jī)開(kāi)挖，隨著鐵路隧道施工及裝備水平的不斷提高，液壓鑿巖臺(tái)車(chē)機(jī)械化開(kāi)挖在隧道中已得到廣泛運(yùn)用，如何提高工效、加快施工進(jìn)度，主要取決于施工工法、施工機(jī)械裝備配套、施工組織及工序作業(yè)循環(huán)時(shí)間等。以在建高速鐵路長(zhǎng)大山嶺隧道為依托，Ⅲ級(jí)圍巖為例，采用三臂鑿巖臺(tái)車(chē)進(jìn)行隧道開(kāi)挖，實(shí)現(xiàn)了快速、優(yōu)質(zhì)、安全、高效施工。

關(guān)鍵詞：隧道 三臂鑿巖臺(tái)車(chē) 開(kāi)挖應(yīng)用

中圖分類(lèi)號(hào)：U455 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2016）04（a）-0037-03

隧道傳統(tǒng)的人工手持風(fēng)鉆鉆爆開(kāi)挖已逐漸不能滿足國(guó)家對(duì)環(huán)保、低耗能、經(jīng)濟(jì)性和高安全的要求，而液壓鑿巖臺(tái)車(chē)是目前隧道鉆爆法施工中先進(jìn)的開(kāi)挖設(shè)備，隨著勞動(dòng)力成本節(jié)節(jié)攀升，以及業(yè)主對(duì)工程安全、質(zhì)量、工期的高度重視， 液壓鑿巖臺(tái)車(chē)施工技術(shù)成為專業(yè)化施工隊(duì)伍做大做強(qiáng)所理應(yīng)發(fā)展的技術(shù)，在降低人工開(kāi)挖勞動(dòng)強(qiáng)度、改善作業(yè)環(huán)境、充分發(fā)揮機(jī)械設(shè)備效率等方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，符合現(xiàn)代隧道施工潮流，是今后隧道施工機(jī)械化發(fā)展的必然。

1 概述

1.1 工程概況

清涼山隧道是西成高鐵（陜西境內(nèi)）XCZQ-2標(biāo)段內(nèi)控制性工程，為設(shè)計(jì)時(shí)速250 km/h的雙線隧道。該隧道全長(zhǎng)12.553 km，起訖里程Dgk56+156～Dgk68+709，進(jìn)出口位于曲線上，其余地段位于直上線，線路縱坡為25‰單面上坡，軌道基礎(chǔ)部分為CRTS-Ⅰ型雙塊式無(wú)砟道床。分進(jìn)出口及2個(gè)斜井共4個(gè)工區(qū)6個(gè)工作面施工，計(jì)劃2013年1月23日開(kāi)工，2015年11月16日完工。

1.2 水文地質(zhì)概況

該隧道整體埋深較大，最大埋深970 m，最小埋深35 m，并穿越地表多處溝谷，洞口地形地貌復(fù)雜。隧道圍巖主要為片巖、片巖夾大理巖、花崗巖，圍巖級(jí)別劃分為Ⅴ、Ⅳ、Ⅲ、Ⅱ類(lèi)，節(jié)理不發(fā)育～發(fā)育，巖石堅(jiān)硬、完整，局部破碎，且隧道穿過(guò)f1～f5斷裂構(gòu)造帶和巖性接觸帶，地下水主要為構(gòu)造裂隙水，碳酸巖溶裂隙水及風(fēng)化裂隙水，中等富水區(qū)。地震動(dòng)峰值加速度為0.10 g，地震基本烈度Ⅶ度。

1.3 施工方法

按新奧法原理施工，Ⅱ級(jí)圍巖全斷面開(kāi)挖，Ⅲ級(jí)圍巖臺(tái)階法開(kāi)挖或在圍巖加固后采用全斷面開(kāi)挖，Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖臺(tái)階法開(kāi)挖。其中二號(hào)斜井3 486 m主要為Ⅲ級(jí)圍巖，采用機(jī)械化Ⅰ級(jí)配置，即液壓三臂鑿巖臺(tái)車(chē)+濕噴機(jī)械手進(jìn)行全斷面鉆爆開(kāi)挖（仰拱臺(tái)車(chē)開(kāi)挖，輔助破碎錘處理欠挖），裝載機(jī)、自卸汽車(chē)出碴，濕噴機(jī)械手噴射混凝土，移動(dòng)棧橋配合移動(dòng)仰拱模架進(jìn)行仰拱全幅施工，12 m門(mén)式液壓鋼模襯砌臺(tái)車(chē)進(jìn)行二次襯砌。通過(guò)以上開(kāi)挖、出碴、襯砌三條機(jī)械化配套作業(yè)線來(lái)達(dá)到快速施工的目的。

2 施工組織

2.1 施工組織模式

采用項(xiàng)目部、工區(qū)、架子隊(duì)三級(jí)管理模式組織施工，配套施工由工區(qū)協(xié)調(diào)、管理，架子隊(duì)負(fù)責(zé)具體實(shí)施。斜井長(zhǎng)度1 170 m，綜合坡度10%，斜井進(jìn)入主洞后，形成兩個(gè)工作口施工。

2.2 鉆爆開(kāi)挖施工主要設(shè)備配置

三臂臺(tái)車(chē)鉆爆開(kāi)挖設(shè)備應(yīng)根據(jù)出碴運(yùn)距、運(yùn)輸條件、出碴量、循環(huán)時(shí)間、進(jìn)度等因素確定。主要配備阿特拉斯·科普柯Boomer XL3D三臂鑿巖臺(tái)車(chē)2臺(tái)、濕噴機(jī)械手2臺(tái)、多級(jí)軸流通風(fēng)機(jī)2臺(tái)、裝載機(jī)4臺(tái)、挖機(jī)2臺(tái)、18 t出渣運(yùn)輸車(chē)12臺(tái)、12 m液壓鋼模全斷面襯砌臺(tái)車(chē)2臺(tái)、18 m長(zhǎng)仰拱移動(dòng)棧橋2臺(tái)。

2.3 主要?jiǎng)趧?dòng)力配備

三臂臺(tái)車(chē)鉆爆作業(yè)：司鉆工6人、爆破工9人、隧道工2人，共18人；輔助生產(chǎn)人員電工1人、設(shè)備維修保養(yǎng)2人、配件采購(gòu)兼庫(kù)管員1人。

2.4 掘進(jìn)進(jìn)尺計(jì)劃

根據(jù)地質(zhì)情況和支護(hù)形式、工期要求等，鉆孔深度4 m，循環(huán)進(jìn)尺3.5～3.8 m，循環(huán)時(shí)間720 min，2個(gè)/d循環(huán)，扣除設(shè)備保養(yǎng)維修及施工耽誤、不可預(yù)見(jiàn)因素的影響，2臺(tái)臺(tái)車(chē)每月有效工作時(shí)間25 d，平均循環(huán)進(jìn)尺3.6 m，月平均進(jìn)度180 m、最高210 m。

3 三臂臺(tái)車(chē)施工

3.1 施工工藝

Ⅲ級(jí)圍巖斷面130.1 m2，以設(shè)計(jì)填充面標(biāo)高為分界線，全斷面開(kāi)挖面積114.5 m2，仰拱開(kāi)挖面積15.6 m2。

（1）臺(tái)車(chē)定位：隧道斷面尺寸滿足雙臺(tái)車(chē)作業(yè)空間，定后可保持兩車(chē)之間間隔2.5 m左右，外側(cè)壁之間距離2.4 m左右。

（2）測(cè)量放線：采用全站儀進(jìn)行測(cè)量放線，利用鑿巖臺(tái)車(chē)中間的吊籃畫(huà)出中心線和周邊眼孔位置，對(duì)上一循環(huán)的開(kāi)挖斷面進(jìn)行復(fù)測(cè)，并在現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)識(shí)超欠挖情況以便進(jìn)行欠挖處理。

（3）臺(tái)車(chē)鉆眼：按爆破設(shè)計(jì)進(jìn)行鉆孔，鉆孔孔徑為45 mm，先施工掏槽眼，然后施工周邊眼及其他炮眼，掏槽眼中部鉆5個(gè)Ф45的空眼，以提高掏槽效果和爆破減振。

（4）爆破參數(shù)：采用楔形復(fù)式掏槽，減弱爆破，周邊光面爆破。使用直徑Φ32 mm 2#巖石乳膠炸藥、1～15段非電微差毫秒雷管、導(dǎo)爆索進(jìn)行爆破，8#電雷管和起爆器起爆。周邊眼間距45～50 cm，利用竹片間隔裝藥，全斷面炮眼共221個(gè)，巖石單位耗藥量0.9 kg/m3，炸藥選擇低爆速、低猛度、高爆力、鉆爆好的炸藥，雷管每段間隔大于50 ms，避免地震波的疊加，減輕震動(dòng)。

（5）裝藥爆破：清孔后利用臺(tái)車(chē)掛籃裝藥，檢查毫秒雷管的連線和接上電雷管，確認(rèn)各班組操作人員及設(shè)備撤離到安全區(qū)后方可爆破，并由專人負(fù)責(zé)指揮和安全警戒。

（6）出碴：2臺(tái)裝載機(jī)裝碴，自卸汽車(chē)運(yùn)輸，挖機(jī)輔助清理掌子面。

（7）初期支護(hù)：基于Ⅲ級(jí)圍巖的地質(zhì)條件，先對(duì)圍巖面進(jìn)行初噴，三臂臺(tái)車(chē)在打完下一茬炮后，接著將上茬炮開(kāi)挖段的系統(tǒng)錨桿打設(shè)，然后2～3個(gè)循環(huán)（8～10 m）利用臺(tái)車(chē)掛網(wǎng)，濕噴機(jī)械手復(fù)噴混凝土至設(shè)計(jì)厚度。圍巖較差時(shí)進(jìn)行一炮一支護(hù)，以確保安全。

（8）優(yōu)化爆破設(shè)計(jì)：每次爆破后檢查爆破效果、分析原因，及時(shí)根據(jù)爆破效果和當(dāng)前地質(zhì)情況修正爆破參數(shù)，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工。

3.2 施工順序及作業(yè)程序要求

（1）施工順序及方法：測(cè)量放線→全斷面開(kāi)挖→初期支護(hù)→鋪底→施作二次襯砌→洞內(nèi)無(wú)砟道床及附屬結(jié)構(gòu)。

（2）作業(yè)程序要求（詳見(jiàn)表1）。

3.3 開(kāi)挖技術(shù)要求

（1）全斷面開(kāi)挖空間大，工序少，各工序應(yīng)平行交叉作業(yè)，縮短循環(huán)時(shí)間；開(kāi)挖斷面量大，引起的爆破震動(dòng)大，應(yīng)嚴(yán)格控制一次同時(shí)爆破炸藥量。

（2）按照鉆爆設(shè)計(jì)要求控制炮眼間距、深度和角度，鉆眼完畢按照炮眼布置圖進(jìn)行檢查，對(duì)不符合要求的炮眼應(yīng)重新鉆孔，合格后方可裝藥。

（3）兩個(gè)循環(huán)的接茬位置平滑、圓順。

（4）按要求進(jìn)行掌子面地質(zhì)素描。

（5）鉆孔人員及時(shí)反映鉆孔所遇到的卡鉆、突進(jìn)及孔內(nèi)滲水、帶泥砂等不正?，F(xiàn)象。

（6）施工控制光面爆破半眼痕跡率，中硬巖80%、軟巖60%及以上，開(kāi)挖斷面圓順，炮眼接茬錯(cuò)臺(tái)小于15 cm；線性超挖拱墻部不大于15 cm、仰拱10 cm，局部欠挖（1 m2≯0.1 m2）不大于5 cm。

4 常見(jiàn)問(wèn)題處理措施

4.1 如何保證連續(xù)作業(yè)、提高進(jìn)度、穩(wěn)定生產(chǎn)

（1）各工序要環(huán)環(huán)相扣，明確專人負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)協(xié)調(diào)工序施工，調(diào)配設(shè)備和人員，減少工序搭接時(shí)間。

（2）配足仰拱施工移動(dòng)棧橋及勞動(dòng)力，加快仰拱、二襯施工進(jìn)度，避免因安全步距超標(biāo)影響開(kāi)挖。

（3）成立臺(tái)車(chē)維修班，專門(mén)負(fù)責(zé)日常維修與保養(yǎng)，每班作業(yè)后對(duì)臺(tái)車(chē)保養(yǎng)，每月大保養(yǎng)一次，形成規(guī)范的保養(yǎng)制度，確保設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)，保證生產(chǎn)。

（4）三臂臺(tái)車(chē)易損件常備，比如鉆桿、鉆頭、液壓油管等，需使用質(zhì)量好的廠家配件，型號(hào)要配對(duì)，避免耽誤施工。

4.2 改善光面爆破與超欠挖

光面爆破與超欠挖是隧道鉆爆開(kāi)挖的經(jīng)濟(jì)技術(shù)重要指標(biāo)，為了達(dá)到該效果，采取了如下措施。

（1）技術(shù)人員跟班作業(yè)，指導(dǎo)布孔、鉆孔、裝藥。

（2）對(duì)三臂臺(tái)車(chē)班操作手進(jìn)行技術(shù)培訓(xùn)，增強(qiáng)操作手掌握鉆眼技巧，提高鉆爆施工水平。

（3）每循環(huán)對(duì)爆破效果評(píng)價(jià)、分析，查找不足，及時(shí)糾正。

（4）根據(jù)揭露的巖層節(jié)理、裂隙發(fā)育情況及巖性特征，修正爆破參數(shù)。

（5）根據(jù)爆破振速監(jiān)測(cè)，調(diào)整單段起爆炸藥量及雷管段數(shù)分布。

（6）精確放樣，保證測(cè)量精度，標(biāo)出炮眼位置，設(shè)置鉆眼導(dǎo)向標(biāo)，專人指揮掛孔。

（7）定人定孔，并進(jìn)行考核。

5 三鑿巖臺(tái)車(chē)與手持風(fēng)鉆開(kāi)挖應(yīng)用效果對(duì)比分析

（1）工藝技術(shù)性：三臂鑿巖臺(tái)車(chē)為全液壓傳動(dòng)， 能效高，進(jìn)出靈活方便，就位快速，技術(shù)先進(jìn)，人工手持風(fēng)鉆為風(fēng)能傳動(dòng)，其效率只有液壓傳動(dòng)的30%。

（2）安全性：三臂鑿巖臺(tái)車(chē)施工掌子面人員少，且操作人員在掌子面后端10 m以上，找頂比人工效率高，安全性好。

（3）光爆效果：經(jīng)統(tǒng)計(jì)，平均線性超挖臺(tái)車(chē)8 cm、人工風(fēng)動(dòng)12cm，半眼痕跡率臺(tái)車(chē)達(dá)91.5%，人工風(fēng)動(dòng)80%，與人工風(fēng)動(dòng)相比，大大提高鉆孔質(zhì)量，減少超挖。

（4）洞內(nèi)作業(yè)環(huán)境和文明施工：鑿巖臺(tái)車(chē)采用閉式油路系統(tǒng)噪音小，也沒(méi)有風(fēng)鉆排出的濕霧狀的廢氣，空氣較清晰，掌子面視線較好，場(chǎng)地簡(jiǎn)潔、整齊，有利于改善洞內(nèi)作業(yè)環(huán)境與掌子面文明施工。

（5）節(jié)省勞動(dòng)力：鑿巖臺(tái)車(chē)開(kāi)挖只需6個(gè)司鉆工、9個(gè)炮工，而人工手持風(fēng)鉆開(kāi)挖則需38人，可節(jié)省大量人力，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度。

（6）鉆眼速度快：鑿巖臺(tái)車(chē)鉆孔有強(qiáng)大的推進(jìn)力，可以實(shí)現(xiàn)多孔同時(shí)推進(jìn)，一次成多孔，減少鉆孔時(shí)間。經(jīng)統(tǒng)計(jì)計(jì)算，鑿巖臺(tái)車(chē)平均鉆孔速度為2～2.5 min/孔·4m，比人工風(fēng)動(dòng)鑿巖速度快58%。同時(shí)不需要工作輔助平臺(tái)，可節(jié)約非鉆孔時(shí)間。

（7）工效：經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析，臺(tái)車(chē)開(kāi)挖最高月達(dá)204.2 m，平均185.8 m，比風(fēng)動(dòng)開(kāi)挖進(jìn)度快、電量消耗低，工期有保證。

（8）多功能用途：三臂鑿巖臺(tái)車(chē)作業(yè)面積大，操作靈活，隧道作業(yè)環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，具有鉆裝錨桿孔、超前小導(dǎo)管與管棚孔，及特殊地質(zhì)條件下鉆注漿孔、超前地質(zhì)預(yù)報(bào)鉆探孔的多用途功能。但鑿巖臺(tái)車(chē)比人工風(fēng)動(dòng)開(kāi)挖操作專業(yè)性要求高，設(shè)備費(fèi)用一次性投入大，消耗的鉆桿、鉆頭及設(shè)備配件昂貴，對(duì)短小隧道來(lái)說(shuō)不如人工風(fēng)動(dòng)鉆爆經(jīng)濟(jì)。

6 三臂鑿巖臺(tái)車(chē)設(shè)備先進(jìn)性探索

根據(jù)有關(guān)網(wǎng)絡(luò)媒體披露，目前國(guó)內(nèi)首臺(tái)全電腦三臂鑿巖臺(tái)車(chē)已研制成功，該三臂鑿巖臺(tái)車(chē)采用人機(jī)互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化鑿巖臺(tái)車(chē)，所有工作狀態(tài)都可以在電腦屏幕上實(shí)時(shí)顯示，并進(jìn)行調(diào)整和計(jì)算，開(kāi)挖過(guò)程由電腦按預(yù)先優(yōu)化的方案自動(dòng)運(yùn)行，所有鉆孔的定位開(kāi)孔和鉆進(jìn)循環(huán)、超欠挖控制完全由電腦自動(dòng)完成，并可利用臺(tái)車(chē)智能系統(tǒng)自動(dòng)分析地質(zhì)和安全報(bào)警，實(shí)時(shí)監(jiān)控記錄鉆進(jìn)過(guò)程的信息。

此設(shè)備比現(xiàn)有三臂鑿巖臺(tái)車(chē)更具優(yōu)越性，技術(shù)性先進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了鉆孔作業(yè)智能化，能更好的提高功效和鉆爆效果，是隧道鑿巖臺(tái)車(chē)鉆爆開(kāi)挖先進(jìn)性的新起點(diǎn)，值得推廣應(yīng)用。

7 結(jié)語(yǔ)

鑿巖臺(tái)車(chē)是鉆爆法開(kāi)挖最先進(jìn)的設(shè)備，與傳統(tǒng)的人工手持風(fēng)鉆開(kāi)挖有顯著的優(yōu)勢(shì)，它是今后隧道建設(shè)施工機(jī)械化、專業(yè)化、設(shè)備智能化發(fā)展的必然趨勢(shì)，通過(guò)應(yīng)用，達(dá)到了快速、優(yōu)質(zhì)、安全、高效施工預(yù)期目的，為今后長(zhǎng)大隧道施工積累了經(jīng)驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)

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