張守同

（中鐵十八局集團(tuán)有限公司，天津 300222）

1 引言

三臂鑿巖臺(tái)車作為目前國(guó)內(nèi)外隧道鉆爆法施工中先進(jìn)的開挖設(shè)備，擁有先進(jìn)的液壓控制系統(tǒng)，與傳統(tǒng)人工鉆爆法相比，具有作業(yè)范圍大、靈活性強(qiáng)、空氣和噪聲污染小、安全高效等技術(shù)優(yōu)勢(shì)，尤其在臺(tái)階法和全斷面法施工中充分體現(xiàn)了其安全高效的特性，實(shí)現(xiàn)了快速、優(yōu)質(zhì)、安全、高效施工；多功能全電腦三臂鑿巖臺(tái)車施工技術(shù)已成為隧道機(jī)械化施工的發(fā)展方向。

文獻(xiàn)[1-8]以實(shí)際工程為例，從安全、質(zhì)量、隧道施工進(jìn)度等方面研究了大斷面軟弱圍巖中三臂鑿巖臺(tái)車的應(yīng)用技術(shù)，并提出了設(shè)備優(yōu)化建議；胡衛(wèi)平[9]對(duì)一種三臂鑿巖臺(tái)車推進(jìn)梁上的頂盤結(jié)構(gòu)設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化改造，減小了三臂鑿巖臺(tái)車超欠挖的影響；要建國(guó)[10]以實(shí)際工程為例，研究了鑿巖臺(tái)車超欠挖控制問(wèn)題，提出鑿巖臺(tái)車在隧道施工中運(yùn)用閉環(huán)管理模式、調(diào)整鉆孔參數(shù)、控制隧道施工超欠挖的方法；文獻(xiàn)[11-14]研究了三臂鑿巖臺(tái)車在隧道機(jī)械化施工中的作用；文獻(xiàn)[15-17]研究了三臂鑿巖臺(tái)車在控制爆破引起的隧道超欠挖中的作用；文獻(xiàn)[18-21]以實(shí)際工程為例，研究了三臂鑿巖臺(tái)車的經(jīng)濟(jì)性，提出了三臂鑿巖臺(tái)車在隧道機(jī)械化施工過(guò)程中提高施工效率、效益的建議。綜上，少有文獻(xiàn)從三臂鑿巖臺(tái)車的功能方面研究其施工工藝、施工控制重點(diǎn)等事項(xiàng)。本文以鄭萬(wàn)高鐵蘇家?guī)r隧道進(jìn)口段施工為例，根據(jù)三臂鑿巖臺(tái)車的施工研究成果評(píng)價(jià)三臂鑿巖臺(tái)車在隧道機(jī)械化施工中的作用。

2 工程概況及地質(zhì)

鄭萬(wàn)高鐵蘇家?guī)r隧道位于湖北省襄陽(yáng)市保康縣黃堡鎮(zhèn)境內(nèi)，全長(zhǎng)5 360 m，最大埋深約439 m，設(shè)計(jì)縱坡25‰，19.7‰的單面上坡，隧道地處荊山山脈，屬構(gòu)造侵蝕剝蝕中山地貌區(qū)，洞身頂部以灰?guī)r、頁(yè)巖互層為主，其下為頁(yè)巖夾砂巖，再下為砂質(zhì)頁(yè)巖，洞身段主要穿過(guò)地層為砂質(zhì)頁(yè)巖，隧道進(jìn)口段洞身主要為Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖。隧道設(shè)計(jì)為鐵路客運(yùn)專線雙線隧道，隧道斷面按350 km/h速度設(shè)計(jì)。

3 全電腦三臂鑿巖臺(tái)車功能

（1）全電腦三臂鑿巖臺(tái)車具有施工參數(shù)存儲(chǔ)共享，自行走、炮孔位置確定等功能，具備隧道圖紙參數(shù)與現(xiàn)場(chǎng)施工參數(shù)比對(duì)的動(dòng)態(tài)管理系統(tǒng)，根據(jù)建筑信息模型 （BIM），實(shí)現(xiàn)圖紙數(shù)據(jù)與現(xiàn)場(chǎng)隧道掘進(jìn)里程的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換，大幅度提升了鑿巖臺(tái)車定位和作業(yè)準(zhǔn)確性。

（2）全電腦三臂鑿巖臺(tái)車采用大慣量柔性臂架高精度定位技術(shù)，通過(guò)定位誤差補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)了鑿巖臺(tái)車臂架的高精度定位，實(shí)現(xiàn)了臂架運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)的最優(yōu)匹配，以及鉆孔的高精度定位。

（3）全電腦三臂鑿巖臺(tái)車通過(guò)實(shí)際鉆孔與設(shè)計(jì)參數(shù)的比對(duì)，總結(jié)不同地質(zhì)條件下的鉆孔參數(shù)，確定鉆孔最優(yōu)控制參數(shù)并進(jìn)行動(dòng)態(tài)管理，妥善解決了卡鉆、空打問(wèn)題。

4 全電腦三臂鑿巖臺(tái)車施工技術(shù)

4.1 施工工藝流程

隨著三臂鑿巖臺(tái)車設(shè)計(jì)制造技術(shù)及其智能化的不斷提高，隧道機(jī)械化施工工藝日趨成熟，全電腦三臂鑿巖臺(tái)車鉆爆作業(yè)施工流程示意圖如圖1所示。

4.2 施工方法及控制要點(diǎn)

4.2.1 測(cè)量放樣

全電腦三臂鑿巖臺(tái)車配有一個(gè)多功能作業(yè)平臺(tái)，在鉆孔前2名測(cè)量人員站在吊籃內(nèi)按照鉆爆設(shè)計(jì)進(jìn)行炮眼放樣并用紅色噴漆標(biāo)識(shí)，采用配有先進(jìn)斷面測(cè)量程序的TS06全站儀，可實(shí)現(xiàn)隧道掘進(jìn)斷面的快速放樣?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)量放樣圖如圖2所示。

4.2.2 鉆孔

（1）鉆爆設(shè)計(jì)。以某隧道Ⅲ、Ⅳ級(jí)圍巖臺(tái)階法施工、錨網(wǎng)噴支護(hù)型式為例，各類孔眼炸藥使用量如表1所示。

表1 全斷面法、臺(tái)階法鉆爆參數(shù)表

（2）全電腦三臂鑿巖臺(tái)車鉆孔。鉆孔深度根據(jù)圍巖軟硬程度、節(jié)理發(fā)育、掌子面的平整度進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，宜在同一斷面上布設(shè)孔底，單循環(huán)進(jìn)尺3.8 m 時(shí)單個(gè)鉆孔深4 m 所用時(shí)間約為1 min 30 s，上臺(tái)階每循環(huán)鉆孔時(shí)間約為1 h 30 min，在局部圍巖破碎區(qū)段易出現(xiàn)塌孔現(xiàn)象，應(yīng)合理調(diào)整鉆進(jìn)速度，必要時(shí)采用沖鉆處理鉆進(jìn)中的塌孔問(wèn)題。臺(tái)階法上臺(tái)階炮眼布置示意圖如圖3所示，Ⅳ級(jí)圍巖炮孔布置示意圖（圖中A1 ～A3、B1～B3為炮眼分區(qū)）如圖4所示。

（3）安裝炸藥及爆破。 掏槽眼、輔助眼、底板眼采用連續(xù)裝藥，周邊眼采用間隔裝藥，其間距為 50 cm，用透明膠帶將藥卷固定在竹片上，間隔藥卷之間通過(guò)導(dǎo) 爆管串連，三臂鑿巖臺(tái)車的作業(yè)平臺(tái)作為裝藥平臺(tái)以確保施工安全。

4.3 控制要點(diǎn)

4.3.1 操作控制要點(diǎn)

（1）嚴(yán)格執(zhí)行操作規(guī)程，停車時(shí)應(yīng)支起千斤頂支腿，鉆孔作業(yè)時(shí)嚴(yán)禁人員從大臂下通過(guò)，嚴(yán)禁在臺(tái)車上放置爆破器材或利于臺(tái)車大臂進(jìn)行其他作業(yè)。

（2）臺(tái)車的起步與行駛應(yīng)嚴(yán)格遵守《全電腦智能三臂鑿巖臺(tái)車》使用說(shuō)明書相關(guān)要求，設(shè)備行走應(yīng)留意各類儀表指示，及時(shí)處理異常問(wèn)題，以規(guī)避設(shè)備事故；操作人員應(yīng)熟悉施工環(huán)境，實(shí)時(shí)掌控車輛運(yùn)行狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)處理。

4.3.2 質(zhì)量控制要點(diǎn)

（1）測(cè)量放樣是控制隧道超欠挖的關(guān)鍵因素之一，根據(jù)爆破設(shè)計(jì)的炮孔間距，在掌子面標(biāo)示開挖斷面中心線、輪廓線及隧道軸線，以方便司鉆操作及提高鉆孔質(zhì)量。

（2）根據(jù)掌子面圍巖情況及時(shí)完成初支護(hù)，盡早封閉巖面，形成初支與圍巖共同承載地層應(yīng)力以保證圍巖的穩(wěn)定性，有利于控制圍巖變形浸入凈空造成欠挖。

（3）按照爆破設(shè)計(jì)方案，掏槽應(yīng)落實(shí)設(shè)計(jì)參數(shù)，拱頂、起拱、邊坡等位置為基準(zhǔn)孔位，周邊炮孔參照基準(zhǔn)孔位司鉆。

（4）高度注意鑿巖臺(tái)車推進(jìn)梁的定位，在鑿巖機(jī)的作業(yè)空間充足的條件下，保證推進(jìn)梁與隧道軸線平行，減少外插角；確保推進(jìn)梁頂端和末端“兩個(gè)基本點(diǎn)”不發(fā)生偏移，若發(fā)生偏移應(yīng)調(diào)整推進(jìn)梁或重新鉆孔，以保證周邊炮孔符合要求。

（5）底板孔施鉆應(yīng)控制好推進(jìn)梁尾部與地面的高度，開孔處的位置滿足設(shè)計(jì)標(biāo)高要求，以保證隧道底部超挖在允許范圍內(nèi)。

（6）把握好“沖擊與推進(jìn)”。要根據(jù)圍巖情況與司鉆經(jīng)驗(yàn)，適時(shí)調(diào)整沖擊與推進(jìn)，鉆進(jìn)方向易偏移的位置，要低沖擊、低推進(jìn)鉆進(jìn)并及時(shí)檢查鉆進(jìn)方向；圍巖較差時(shí)要低沖擊、低推進(jìn)鉆進(jìn)，圍巖較好時(shí)鉆進(jìn)一定深度后采用高沖擊高推進(jìn)鉆進(jìn)。

（7）周邊炮孔施鉆時(shí)應(yīng)調(diào)整好各項(xiàng)參數(shù)，頂盤壓緊開挖面，掌握超欠挖規(guī)律，板炮孔間距可根據(jù)圍巖情況適當(dāng)均勻調(diào)整，以保證較好的爆破效果。

4.3.3 安全控制要點(diǎn)

（1）開動(dòng)設(shè)備前，做好管線等各連接部位的可靠性檢查，確保操作系統(tǒng)正常運(yùn)行。

（2）操作者根據(jù)指示信號(hào)移動(dòng)設(shè)備，運(yùn)行中應(yīng)確保平穩(wěn)移動(dòng)，不宜使設(shè)備過(guò)度擺動(dòng)。

（3）施工操作中，要確保支腿可靠穩(wěn)定，鉆臂移動(dòng)前應(yīng)確認(rèn)鉆桿末端脫離工作面，人員進(jìn)入作業(yè)區(qū)。

（4）施工完畢，設(shè)備安全停放在設(shè)定區(qū)域，控制桿件置于零位，進(jìn)行設(shè)備清潔保養(yǎng)。

5 工效對(duì)比

全電腦三臂鑿巖臺(tái)車與傳統(tǒng)鉆爆法相比，在進(jìn)度、爆破效果、安全、環(huán)保、適用性、單循環(huán)進(jìn)尺等方面優(yōu)勢(shì)明顯，尤其在安全方面比傳統(tǒng)的鉆爆法有明顯的優(yōu)勢(shì)。

5.1 進(jìn)度方面

三臂鑿巖臺(tái)車擁有先進(jìn)的鑿巖系統(tǒng)，鉆孔速度快，超出傳統(tǒng)風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī)效率的2倍。三臂鑿巖臺(tái)車的鑿巖機(jī)功率較大，成孔快，比風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī)提高效率 55%～75%，施工循環(huán)時(shí)間較人工開挖減少約40%，鑿巖臺(tái)車定位快而準(zhǔn)，降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度、節(jié)省了人工成本。蘇家?guī)r隧道進(jìn)口采用全電腦三臂鑿巖臺(tái)車鉆孔與出口采用傳統(tǒng)的風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī)鉆孔對(duì)比表如表 2所示。

表2 三臂鑿巖臺(tái)車與風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī)鉆孔對(duì)比表

5.2 超欠挖控制方面

三臂鑿巖臺(tái)車的鉆桿定位后，按水平或固定傾角推進(jìn)，操作人員只需經(jīng)過(guò)短時(shí)間的培訓(xùn)就可以上機(jī)操作，且通過(guò)操縱桿就能靈活調(diào)控鉆孔位置和角度，較傳統(tǒng)風(fēng)動(dòng)鉆機(jī)更好地提高了鉆孔質(zhì)量，更好地控制了超欠挖。

5.3 安全方面

與人工鉆爆法相比，三臂鑿巖臺(tái)車大幅度減少掌子面作業(yè)人員數(shù)量，且操作人員距離掌子面有13 m左右的安全距離，視線開闊，利于觀察圍巖變化，加上操作平臺(tái)上安全頂棚的保護(hù)，有效提高了作業(yè)人員的安全防護(hù)水平。

5.4 環(huán)保方面

全電腦三臂鑿巖臺(tái)車鑿巖系統(tǒng)由電力驅(qū)動(dòng)，并采用了封閉式油路系統(tǒng)，避免了風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī)的排氣噪聲，消除了風(fēng)鉆排出的濕霧狀廢氣，大幅降低了隧道粉塵含量，有效改善了作業(yè)環(huán)境，保證作業(yè)人員的身體健康，同時(shí)，縮短了隧道必要的降塵通風(fēng)時(shí)間，大幅節(jié)約通風(fēng)費(fèi)用。

5.5 適用性方面

全電腦三臂鑿巖臺(tái)車除日常開挖作業(yè)外，還可用于5～15 m 的加深炮孔、超前水平鉆、錨桿、隧底釬探的施工，通過(guò)更換相應(yīng)鉆頭還可進(jìn)行小導(dǎo)管、中管棚的施作，適用范圍廣，大幅提高了設(shè)備的利用率。

6 結(jié)論與建議

（1）全電腦三臂鑿巖臺(tái)車適用于常規(guī)隧道施工，在全斷面施工時(shí)經(jīng)濟(jì)效益顯著，臺(tái)階法施工時(shí)較人工鉆爆施工速度也有較大提升；但在軟弱圍巖地段三臺(tái)階法施工時(shí)，需采用微臺(tái)階法，受空間限制，應(yīng)在安全、工期、經(jīng)濟(jì)性方面的綜合比選后確定。Ⅳ級(jí)、Ⅴ級(jí)軟弱圍巖段落采用超前管棚、纖維錨桿注漿等加固，根據(jù)圍巖情況及時(shí)封閉掌子面，利于提高鑿巖臺(tái)車的施工效率。

（2）實(shí)際工程中地質(zhì)情況的千變?nèi)f化，在一定程度上影響了全電腦三臂鑿巖臺(tái)車的某些自動(dòng)化功能的實(shí)現(xiàn)，因此應(yīng)根據(jù)鉆孔作業(yè)取得的巖層參數(shù)，經(jīng)信息自動(dòng)分類并結(jié)合掌子面的數(shù)碼成像技術(shù)，獲取地層信息與設(shè)計(jì)圍巖情況進(jìn)行對(duì)比分析，提供掌子面的穩(wěn)定情況并優(yōu)化超前支護(hù)設(shè)計(jì)方案及爆破設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)隧道施工的智能化動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)。