胡 煒，李 奎，譚信榮，蔣 堯

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川 成都 610031)

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和以人為本的理念日趨深入，隧道鉆爆法的機(jī)械化施工以其“高效、環(huán)保、安全”的優(yōu)點(diǎn)逐漸受到建設(shè)方與施工單位的重視[1-2]。隧道機(jī)械化施工是指采用配套機(jī)械進(jìn)行隧道開挖、支護(hù)等一系列作業(yè)。其中，隧道鉆孔是機(jī)械化施工中的重要部分，對(duì)隧道的施工效率有著重要影響。隧道施工中的鉆孔主要包括掌子面鉆孔和洞周徑向鉆孔。掌子面鉆孔用以安裝炸藥和超前支護(hù)，洞周徑向鉆孔用以安裝錨桿、洞周注漿等。目前，國(guó)外隧道施工中普遍采用機(jī)械化臺(tái)車進(jìn)行鉆孔作業(yè)，工作人員通過臺(tái)車中心室的計(jì)算機(jī)來操控臺(tái)車以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化施工[3-5]。與之相比，國(guó)內(nèi)有少數(shù)采用鑿巖臺(tái)車施工的案例，但大多數(shù)隧道仍采用風(fēng)鉆人工鉆孔，在施工效率及自動(dòng)化程度上相比機(jī)械化鑿巖臺(tái)車有較大差距。

文獻(xiàn)[6-9]對(duì)比了風(fēng)鉆與鑿巖臺(tái)車的優(yōu)缺點(diǎn)。鑿巖臺(tái)車在鉆孔效率、人力配置、施工質(zhì)量、安全性等方面占有顯著優(yōu)勢(shì)。機(jī)械化鑿巖臺(tái)車在我國(guó)隧道應(yīng)用較少的原因，除了臺(tái)車高昂的銷售和維修價(jià)格外，另一個(gè)主要原因是由于臺(tái)車在隧道復(fù)雜工法下的適用性不明確導(dǎo)致所購(gòu)臺(tái)車型號(hào)和工法不匹配，以致臺(tái)車的適用范圍和使用率較低。因此，明確臺(tái)車在隧道不同施工工法中的適用性，針對(duì)性地選擇合適的鑿巖臺(tái)車對(duì)提高臺(tái)車的使用率及工作效率尤為重要。

1 影響鑿巖臺(tái)車適用性的因素

隧道施工中使用的鑿巖臺(tái)車有2種，一種只具有鉆孔功能，另一種除具有鉆孔功能外，還具備安裝錨桿(主要為樹脂錨桿、脹殼錨桿等)的功能。2種臺(tái)車的整體結(jié)構(gòu)基本相同。圖1是瑞典阿特拉斯公司的Boomer K41鑿巖臺(tái)車。臺(tái)車在工作時(shí)，工作人員通過計(jì)算機(jī)控制鉆臂和推進(jìn)梁進(jìn)行鉆孔。鉆臂用以支承推進(jìn)梁，可在一定的角度內(nèi)上下左右擺動(dòng)，并可伸長(zhǎng)一定距離；推進(jìn)梁用以安裝和推進(jìn)鉆桿，其型號(hào)決定了鉆孔深度和直徑，同一臺(tái)車可配不同型號(hào)的推進(jìn)梁。鉆臂和推進(jìn)梁的技術(shù)參數(shù)決定了臺(tái)車的作業(yè)范圍。

圖1 Boomer K41臺(tái)車(單位：mm)

判斷臺(tái)車是否適用隧道，首先應(yīng)考慮其最大作業(yè)范圍能否覆蓋隧道施工范圍，若不能則該臺(tái)車只能對(duì)隧道部分區(qū)域施工，性價(jià)比不高。其次應(yīng)考慮臺(tái)車的一次性鉆孔深度能否滿足設(shè)計(jì)要求，若不能則需要接桿，影響施工效率。最后還應(yīng)考慮鉆孔直徑能否達(dá)到要求。因此，評(píng)判臺(tái)車的適用性應(yīng)從其作業(yè)范圍、一次性鉆孔深度、鉆孔直徑3個(gè)方面考慮。任一方面達(dá)不到設(shè)計(jì)要求都將降低隧道施工效率，無法完全發(fā)揮臺(tái)車的優(yōu)勢(shì)。

本文以阿特拉斯公司的鑿巖臺(tái)車為例，分析其適用性。

2 全斷面法鑿巖臺(tái)車的適用性

2.1 掌子面鉆孔

隧道在進(jìn)行爆破、超前支護(hù)等作業(yè)時(shí)需要在掌子面鉆孔。全斷面法隧道掌子面鉆孔作業(yè)如圖2所示。

圖2 全斷面法隧道掌子面鉆孔作業(yè)

根據(jù)圖2，當(dāng)臺(tái)車作業(yè)高度完全覆蓋隧道開挖高度時(shí)，臺(tái)車的最大作業(yè)高度H應(yīng)滿足

H≥D

(1)

H=h1+h2+h3

(2)

h2=ltanα

(3)

式中：D為隧道初期支護(hù)內(nèi)凈空高度，m；h1為鉆臂鉸接點(diǎn)高度，m；h2為鉆臂可抬升的最大高度，m；h3為推進(jìn)梁到鉆臂末端的距離，m；l為鉆臂最大長(zhǎng)度，m；α為鉆臂舉升角，°。

h1與h3由臺(tái)車型號(hào)決定，α與l由鉆臂型號(hào)確定。按照同樣的方法可求得鑿巖臺(tái)車的最大作業(yè)寬度。根據(jù)式(1)—式(3)，同時(shí)考慮到臺(tái)車的一次性鉆孔深度和鉆孔直徑，鑿巖臺(tái)車進(jìn)行掌子面鉆孔關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 鑿巖臺(tái)車進(jìn)行掌子面鉆孔關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)

根據(jù)《鐵路工程建設(shè)通用參考圖》[10]可得不同時(shí)速下鐵路隧道開挖高度。同時(shí)考慮到臺(tái)車最大作業(yè)高度，隧道開挖高度、開挖進(jìn)尺，一次性鉆孔深度及鉆孔直徑，可得全斷面法隧道掌子面鉆孔鑿巖臺(tái)車配置見表2。

表2 全斷面法隧道掌子面鉆孔鑿巖臺(tái)車配置

由表2可以看出，Boomer K41，Boomer K111，Boomer 281，Boomer 282不適用于鐵路隧道全斷面法施工，Boomer L1D，Boomer L2D適用于部分?jǐn)嗝婷娣e較小的隧道，而Boomer XL2D，Boomer XL3D適用于所有隧道，故其適用性及性價(jià)比最好。另外，Boomer L2D，Boomer XL2D，Boomer XL3D可選配安裝工作籃，為工作人員安裝炸藥和錨桿提供平臺(tái)，多個(gè)鉆臂可同時(shí)工作，從而進(jìn)一步提高施工效率，因此可優(yōu)先選擇。

2.2 錨桿鉆孔

全斷面法隧道錨桿鉆孔作業(yè)示意如圖3。

圖3 全斷面法隧道錨桿鉆孔作業(yè)示意

根據(jù)圖3，當(dāng)臺(tái)車作業(yè)高度完全覆蓋隧道開挖高度時(shí)，臺(tái)車的最大作業(yè)高度H除應(yīng)滿足式(1)之外，還應(yīng)滿足

H=h1+h2+L1

(4)

式中:L1為推進(jìn)梁末端到推進(jìn)梁與鉆臂連接點(diǎn)的距離，m。

另外，當(dāng)臺(tái)車在邊墻水平鉆孔時(shí)推進(jìn)梁的長(zhǎng)度L為臺(tái)車的最小作業(yè)寬度，應(yīng)不大于隧道初期支護(hù)內(nèi)凈空寬度B，即應(yīng)滿足

B≥L

(5)

根據(jù)式(1)、式(4)—式(5)，綜合考慮一次性鉆孔深度及鉆孔直徑，鑿巖臺(tái)車錨桿鉆孔作業(yè)關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)見表3。

表3 鑿巖臺(tái)車錨桿鉆孔作業(yè)關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)

注：Boomer K41可配2種推進(jìn)梁，故部分參數(shù)有2種取值。

根據(jù)《鐵路工程建設(shè)通用參考圖》[10]，統(tǒng)計(jì)可得全斷面法隧道初期支護(hù)內(nèi)凈空尺寸。同時(shí)考慮臺(tái)車最大作業(yè)高度、最小作業(yè)寬度、隧道初期支護(hù)內(nèi)凈空尺寸、一次性鉆孔深度、鉆孔直徑及錨桿長(zhǎng)度，可得全斷面法隧道錨桿鉆孔鑿巖臺(tái)車配置，見表4。

表4 全斷面法隧道錨桿鉆孔鑿巖臺(tái)車配置

由表4可以看出：Boomer K41可適用的隧道最少，適用性最低；Boomer K111,Boomer 281適用性一般，適用于單線250 km/h以下及雙線200 km/h以下的隧道；Boomer 282適用性較好，除部分雙線250,350 km/h 隧道外，其余均適用；Boomer L1D，L2D，XL2D，XL3D適用性最好，適用于所有隧道。

3 臺(tái)階法鑿巖臺(tái)車的適用性

3.1 掌子面鉆孔

采用臺(tái)階法施工時(shí)，鑿巖臺(tái)車鉆孔分臺(tái)階上和臺(tái)階下2種工作模式。在臺(tái)階上工作時(shí)要求臺(tái)階長(zhǎng)度大于臺(tái)車的行走長(zhǎng)度，臺(tái)階長(zhǎng)度一般為5～8 m[11]，而臺(tái)車的行走長(zhǎng)度普遍大于10 m，無法滿足要求，故此種工作模式不適用。采用三臺(tái)階法施工時(shí)臺(tái)車在臺(tái)階下進(jìn)行掌子面鉆孔作業(yè)，如圖4所示。

圖4 采用三臺(tái)階法施工時(shí)掌子面鉆孔作業(yè)示意

依據(jù)圖4，臺(tái)車位于隧底對(duì)上臺(tái)階掌子面鉆孔時(shí)，除了應(yīng)滿足式(1)之外，還應(yīng)滿足

l上+l中≤L1+lcosα-(h中-h1)/tanα

(6)

式中：l上，l中分別為上臺(tái)階和中臺(tái)階的長(zhǎng)度，m；h中為中臺(tái)階高度，m。

根據(jù)式(6)，臺(tái)階長(zhǎng)度越小越利于臺(tái)車鉆孔作業(yè)。因此，采用短臺(tái)階及微臺(tái)階更利于隧道的機(jī)械化施工。

對(duì)于兩臺(tái)階法，推導(dǎo)方法相同，此處不再贅述。

3.2 錨桿鉆孔

兩臺(tái)階法錨桿鉆孔作業(yè)如圖5所示。

圖5 兩臺(tái)階法錨桿鉆孔作業(yè)示意

依據(jù)圖5，采用臺(tái)車對(duì)兩臺(tái)階法隧道進(jìn)行錨桿鉆孔，需同時(shí)滿足以下2個(gè)條件。

h上>L

(7)

lcosα-(h下-h1)/tanα≥l臺(tái)

(8)

式中：h上,h下分別為上臺(tái)階和下臺(tái)階的高度，m；l臺(tái)為臺(tái)階長(zhǎng)度，m。

由式(7)和式(8)可以看出，上臺(tái)階高度越大、臺(tái)階長(zhǎng)度越小，越有利于臺(tái)車的鉆孔作業(yè)。

采用三臺(tái)階法施工時(shí)，上臺(tái)階高度一般為2～3 m，受限于空間，無法采用臺(tái)車進(jìn)行拱頂?shù)你@孔作業(yè)。在中臺(tái)階范圍進(jìn)行錨桿鉆孔時(shí)，需參考以上公式對(duì)其適用性進(jìn)行研究。

采用CD法、CRD法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、預(yù)留核心土法等工法施工的隧道，受限于空間，不建議直接采用大型機(jī)械化臺(tái)車進(jìn)行鉆孔作業(yè)。此時(shí)可對(duì)隧道進(jìn)行超前支護(hù)和掌子面加固后采用臺(tái)階法或全斷面法施工。

4 結(jié)論

本文對(duì)鑿巖臺(tái)車在全斷面法和臺(tái)階法隧道掌子面鉆孔和錨桿鉆孔中的適用性進(jìn)行了研究，提出了臺(tái)車適用性評(píng)估方法及選型參考公式，得出主要結(jié)論如下：

1)采用全斷面法施工的隧道，臺(tái)車的適用性分析應(yīng)從臺(tái)車作業(yè)范圍、一次性鉆孔長(zhǎng)度及鉆孔直徑3個(gè)方面進(jìn)行。只有當(dāng)3個(gè)方面同時(shí)滿足設(shè)計(jì)要求時(shí)，才能充分發(fā)揮出臺(tái)車的優(yōu)勢(shì)。

2)采用臺(tái)階法施工的隧道，臺(tái)車的適用性分析還應(yīng)考慮臺(tái)階高度和長(zhǎng)度的影響。對(duì)于采用三臺(tái)階法施工的隧道，不建議直接采用鑿巖臺(tái)車進(jìn)行鉆孔作業(yè)。

3)采用全斷面法開挖時(shí)，掌子面鉆孔和錨桿鉆孔可根據(jù)式(1)—式(5)對(duì)臺(tái)車進(jìn)行適用性評(píng)估，臺(tái)車的選型可參考表2、表4。

4)采用臺(tái)階法開挖時(shí)，應(yīng)根據(jù)臺(tái)階高度和長(zhǎng)度，按照式(1)、式(6)—式(8)對(duì)臺(tái)車進(jìn)行適用性評(píng)估。