王華東，何 濤，楊雨升，張 軍，杜 雨，李 崇

(1.中交一公局集團有限公司，北京 100024； 2.陜西省氣象局，陜西 西安 710000；3.長安大學，陜西 西安 710064； 4.道路施工技術與裝備教育部重點實驗室，陜西 西安 710064)

1 概述

隨著我國公路和隧道建設規(guī)模的擴大，特別是長大隧道修建數量及長度的增加，出現了隧道建設速度快、工期緊的問題。現有隧道開挖施工過程中，多采用傳統的人工鉆爆法，但其施工效率不高，作業(yè)質量難以保證；同時工人的安全不能保障，工作環(huán)境惡劣，勞動強度大，易引發(fā)職業(yè)病，危險的工作區(qū)域，容易發(fā)生極具危險的施工事故，如此反而造成施工成本不斷增加[1]。如今隧道往長大化、深層化方向發(fā)展，國家對作業(yè)的環(huán)保性和經濟性以及低能耗、高安全質量都做出了規(guī)定，以前的隧道開挖中使用的設備和開挖施工工藝已經跟不上新時代的步伐，面臨這樣的局面，采用機械化設備配合快速施工工藝進行隧道開挖作業(yè)已成為必然發(fā)展趨勢[2-5]。如今隧道施工作業(yè)流程越來越朝標準化方向發(fā)展，并且施工安全要求不斷提高，因此隧道機械化施工將會慢慢替代傳統人工鉆爆法開挖成為施工的主流方法。三臂鑿巖臺車作為隧道施工機械化工裝設備，具有很高的自動化程度，可有效提高施工質量，但由于施工單位對鑿巖臺車的操作和工藝不熟悉，影響了隧道機械化施工的進程，因而迫切需要研究鑿巖臺車在隧道施工中的工藝規(guī)程以及施工安全控制技術。

三臂鑿巖臺車目前在鉆爆開挖中已有應用，但具體施工技術各有不同，文獻[6]說明了在長大隧道工程中三臂鑿巖臺車作為新的開挖施工方法具有可行性；王文利[7]在長大隧道中采用三臂鑿巖臺車與人工鉆爆法相結合的施工方法，較好地實現了快速開挖；張勇[8]在高速鐵路長大山嶺隧道中應用三臂鑿巖臺車開挖并實現了高效施工；王康[9]用三臂鑿巖臺車在隧道中心深埋水溝開挖施工，為類似工程提供了借鑒；趙宏博等[10]以鄭萬高鐵隧道為例，將三臂鑿巖臺車應用在大斷面軟弱圍巖施工中，總結了一些三臂鑿巖臺車在特定的軟弱圍巖地質條件下施工的寶貴經驗；三臂鑿巖臺車相比人工鉆爆法能夠有效地提高施工效率和質量，但是僅僅將人工模式換成機械模式仍不能滿足現代施工機械化的要求，設備成本也較高，必須與各道工序緊密配合，在實踐中不斷磨合，才能降低設備攤銷成本、提高施工效率[11-13]。

針對以Ⅲ級圍巖為主的長大隧道工程中，三臂鑿巖臺車在鉆爆開挖中的應用缺乏相應的施工技術和安全控制技術的問題[14-16]，采用三臂鑿巖臺車進行隧道開挖作業(yè)，加大了循環(huán)進尺，同時引入周邊眼自動調整、導爆索串聯、吊臂籃鉆孔定位等方法，進一步貫徹落實了“機械化換人、自動化減人”的現代化施工理念，大幅度降低了施工安全風險和施工成本，將該施工方法應用在伏牛山隧道實際施工過程中，在驗證方法可行性的同時也為隧道的機械化施工方法提供了指導和示范。

2 工程概況

2.1 項目概況

伏牛山特長公路隧道是鄭西高速欒雙段，海拔高程在850 m～1 500 m，地處河南，具體位于欒川縣廟子鎮(zhèn)附近，屬于伏牛山系，橫穿河南省洛陽、南陽兩地(見圖1)，隧道全長9 183 m，是全河南省所有在建的公路隧道中長度最大的。伏牛山隧道規(guī)格為雙向四車道，左線起訖樁號ZK82+408～K91+569，全長9 161 m，右線起訖樁號K82+363～K91+546。該隧道內設置有人行橫通道23處，車行橫通道11處，隧道內變電所2處；洞內變電所橫面與車行橫通道保持一致。在K84+918.3處設置1處通風斜井、在K88+425.5處設置1處送風斜井、在K88+462.7處設置1處排風斜井，該風井后期作用為運營通風，在前期施工時主要當作施工輔助通道。伏牛山隧道出口工區(qū)圍巖主要是以Ⅲ級圍巖微風化的花崗巖為主，開挖斷面100 m2，屬于中等斷面的隧道。伏牛山山勢陡峭，河谷縱橫，進口交通條件較差，同時地質條件也不佳，有6處斷裂帶和4處淺埋段穿隧道而過，由于該隧道存在許多不良地質狀況，比如斷層破碎帶、隧道巖爆、涌水等，因此帶來了很大的安全隱患，也加大了施工難度。除此之外，隧道內常年保持較高的溫度，這也給施工帶來很大困難。

2.2 機械施工設備

為了降低伏牛山隧道施工的總體困難，采用“長隧短打”的策略，具體在隧道內設置了3處通風斜井，從而可在4個工作面同步施工。對于隧道內存在的多種不良地質情況也采取了相應措施，例如使用多種加固方式：超前大管棚、超前小導管注漿、地表袖閥管深孔定向預注漿等；同時施工全過程都運用超前地質預報、圍巖監(jiān)控量測自動報警等技術進行全路段實時監(jiān)控，因此大大降低了發(fā)生巖爆問題的風險，突水軟弱圍巖抵抗變形的能力得到相應提升，顯著降低了斷層破碎帶塌陷的可能性。

根據施工環(huán)境針對性地配置施工機械設備，配置三臂鑿巖臺車、濕噴機械手、防水板自動鋪設臺車、帶模注漿等成套的機械化作業(yè)設備，革新了傳統的人工隧道施工工法，解放了眾多勞動力，加快了隧道施工進度，保證了施工安全性，提高了隧道開挖工程施工質量，確保了隧道如期貫通。

三臂鑿巖臺車是鉆爆法隧道施工中的一種專用鑿巖機械設備，其設計目的主要是替代傳統的人工鉆爆法進行施工，與人工施工不同，它可以同時在多處進行鉆眼作業(yè)，其結構主要包括鉆臂、鑿巖機、行走機構以及其他輔助設備，并可根據不同工程需求增添相應配置。由于使用了全自動的最新自動化鉆孔技術，使得鉆孔耗時減少并且精度較高，顯著地提高了作業(yè)質量和人員安全性，提供了對開挖人員十分友好的作業(yè)環(huán)境。三臂鑿巖臺車能夠在斷面圍巖按照設計要求鉆孔、在孔洞中裝藥、超前搭建鋼管棚護、布設系統錨桿、配合注漿加固，可使得鉆爆法開挖隧道整體加快速度，同時降低了社會必要勞動時間，并極大改善工人的工作環(huán)境。本次選用的是徐工TZ3A(200 kW)三臂鑿巖臺車(見圖2),抗傾彎能力強、鉆進速度快和鉆具損耗低，有效提高隧道打邊孔的適應性，使用壽命長，性能優(yōu)良。

3 機械化施工工法

3.1 施工工法

施工總體采用新奧法，利用三臂鑿巖臺車進行掘進開挖，通過光面爆破可實現一次性開挖作業(yè)，最大程度減輕對臨近圍巖的影響，同時也提升了光面爆破的質量。采用全斷面和臺階法混合的施工方式，根據不同隧道段的地質條件，有針對性地調整光面爆破參數和相應施工措施，以最優(yōu)的整體成型效果為控制目標，同時盡量擴大進尺，實現高效的光面爆破施工。用相對少的現場人員對三臂鑿巖臺車進行操作，實現斷面開挖，可以使操作平臺遠離掌子面；開挖每循環(huán)進尺至少4 m；三臂鑿巖臺車使用電力能源供給；采用全自動液壓操作，多角度調節(jié)推進鉆桿定位以控制超欠挖。

3.2 施工情況與工藝流程

隧道出口工區(qū)主要是以Ⅲ級微風化圍巖為主，提出了長大隧道開挖施工流程(見圖3)，包括測量放樣→炮眼標記定位→臺車就位→輔助工程準備→臺車打眼→裝藥、爆破→通風排險。因此本文工法適用于長大隧道開挖施工，尤其適用于90 m2～130 m2中等斷面及以上隧道開挖施工，在隧道循環(huán)進尺和光面爆破效果上較人工開挖有了很大的提升。

3.3 施工前準備

在三臂鑿巖臺車進場施工前，應清除周圍及頂部松動破碎巖石，清除完畢方可進入施工現場，之后放下臺車支腿，并將其調至水平狀態(tài)；檢查水管管路是否通暢，接頭處是否進行了可靠的密封；將電源接至臺車上，確保三相電電源正常，不存在缺相、倒相和漏電等情況，對漏電繼電器進行可靠性測試，確認指示燈正常工作；對油泵和電機進行工作電流測試，確保其正常；按照規(guī)定的值并根據不同圍巖的性質調整各系統的最高壓力以及沖擊壓力。

3.4 測量放線

測量放線需要使用全站儀，前期準備時通過鑿巖臺車的云梯臺架輔助，使工作人員用紅色油漆對周邊眼的孔位進行定位標記，其中注意點如下：

1)測量前需要根據預先確定的輪廓線將周邊孔的眼位畫出，一般來說整體孔位形成一條光滑的圓弧，同時也需要畫出邊墻分界點和2 m高的邊墻拱部(曲墻則分別畫出起拱點、邊墻弧度分界點)。開挖炮眼布置圖見圖4。

2)在放樣周邊眼的同時，也要通過固定尺(根據設計的爆破固定間距)畫出輔助眼位的輪廓線，此處炮眼的間距確定為45 cm。炮眼定位、標記的操作圖見圖5。

3)放樣時需要控制兩個關鍵點：周邊眼的鉆進角度和坡度。為了達到控制目的，需要在掌子面的后方畫出5條坡度控制線，具體為1條中心線、4條拱肩和邊墻的坡度線(其中2條拱肩——起拱線標高/坑底標高+2 m，2條邊墻——邊墻/邊墻高度2 m)。

4)在掌子面上的孔位布置必須嚴格按照預先設定的中心線和高度，由現場技術員使用臺車將掏槽眼、擴大眼和抬炮眼等眼位精確定位，完成后才能進行開鉆施工。

5)每個循環(huán)都需要進行超欠挖測量并在巖面標記對應超欠挖值。

6)鑿巖車工作前需要有測量人員在掌子面后距離1 m處放置里程線，同時在開挖巖面的環(huán)向畫出相應里程線，預備工作完成后，操作手可參照標記控制鉆孔行進的深度。

3.5 鑿巖臺車輔助準備工作

1)鑿巖臺車到達指定工作地點后，應由專門的工作人員負責安裝高壓水管和供電線纜，確認水電無誤后操作手可以啟動臺車電氣系統，并通過液壓系統將臺車整體狀態(tài)調整至水平。2)在爆破前需要檢查掌子面是否有虛渣和浮石，若有則需要在開挖前將底眼處的虛渣清除，然后參照標記位置的底眼孔位測量防止標高線。

3.6 鑿巖臺車鉆眼

1)臺車鉆眼需要嚴格遵循測量放樣和爆破的設計，特別是鉆孔的順序應按如下安排：底板眼→周邊眼→輔助眼→掏槽眼。2)由于圍巖的地質狀況并不統一，需要有專人統一協調來保證鉆孔質量，以達到較好的光面爆破效果。要實行“七定原則”：定人、定位、定機、定量、定時、定耗、定獎罰標準，同時培養(yǎng)施工人員較高的思想意識，根據實際情況實時調整開挖面。3)本工程中規(guī)定鑿巖臺車的鉆孔直徑45 mm，掏槽眼固定間距45 cm。4)本工程中規(guī)定Ⅲ級圍巖的全斷面光爆開挖進尺4 m/循環(huán)。5)在同一個施工區(qū)域內，要保證光爆的質量，需要嚴格按照前一次的炮孔位置鉆進，使炮孔殘留線性保持一致。6)對于爆破效果的檢驗，主要是看炮孔殘留率、超欠挖、周邊眼的坡度角和外插角。7)對于周邊眼的間距，應由專門的技術人員負責檢查把控，因為周邊眼間距是控制光爆質量的關鍵性指標之一，應進行嚴格控制。

3.7 鑿巖臺車清孔、裝藥、爆破

1)在施工現場，不能簡化周邊眼裝藥的步驟，嚴禁進行集中裝藥且不按照炮孔均勻分布，必須采用導爆索連接成分段式，整體為非耦合連接。

2)對于周邊眼的裝藥量也需要嚴格把控，按照爆破設計方案，保證裝藥的品質，必須用炮棍送藥至指定位置，且不能多裝或者少裝，裝完后對炮孔進行封堵。檢驗指標：拱頂的光爆炮眼痕跡保留率不低于90%，邊墻的保留率不低于75%。

3)本工程規(guī)定鑿巖臺車的鉆孔直徑45 mm，裝藥時使用32 mm直徑的乳巖石化炸藥卷。

4)裝藥的順序也要遵循設計的要求，為了方便鑿巖臺車進行方便快捷的作業(yè)，需要采用“分段位、分區(qū)域”“先底板、再拱部”“先周邊、再中間”的策略。

5)周邊眼的起爆需要采用導爆索進行串聯，使用“先拱墻、后拱部”的連線策略來安排起爆順序，以確保中心掏槽的起爆效率。為了進一步加強該區(qū)域的光爆質量，減少拱墻底角發(fā)生超挖現象的概率，該區(qū)域范圍內的2個～3個孔應該安排最后起爆。導爆索串聯連接見圖6。

3.8 鑿巖臺車超欠挖處理

1)在鉆爆設計中為了嚴格控制超欠挖，對線性超挖值給出了限定值：Ⅲ級圍巖的拱墻平均超挖值為10 cm，隧底和仰拱均為10 cm。2)在光面爆破中，不僅要調整合適的鉆機角度和坡度，還需要對循環(huán)進行控制，前兩個循環(huán)需要控制炮眼殘留率為95%；為了保證孔位線性一致，第三個循環(huán)的后期鉆機必須和上次炮孔位置匹配。光面爆破效果檢測見圖7。3)為了防止超欠挖部位發(fā)生錯臺，禁止一次性進行超欠挖修正，在修正時要慢慢調整，盡量使整體的輪廓線趨于平滑，這也使得之后的初期支護噴混凝土和掛網質量得以保證。4)若遇到欠挖的情況，對于局部欠挖或者欠挖值不大于10 cm的情況，可以用鉆臂直接進行鑿巖處理，同時應該盡可能避免進行二次爆破導致的超挖現象。

4 質量保證和安全控制技術

在開挖過程中貫徹“預防為主”的安全控制原則，使用最新的超前地質預報方法對整體隧道進行探測和預報，并且完善預防措施和圍巖測控體系，有任何問題都及時通報反饋，以完備的指導手段保證安全施工；堅決做好用藥量的控制，加強施工安全性；堅決按照設計指標加強噴錨厚度和深度，做好軟弱圍巖的放坍工作；隧道內進行爆破作業(yè)時必須確保所有人員撤離至安全位置，統一服從指揮，并且在洞外布置相應防護標志，確保工作人員不會受到任何損傷，包括有害氣體、振動或者爆破飛石等傷害，如果有相關人員要進入工作面進行相關操作，必須事先經過全面的安全檢查。為保證施工安全，必須堅決按照規(guī)章制度做好施工人員防護措施，嚴格落實安全帽佩戴規(guī)定；堅決防止高空安全事故的發(fā)生，在施工現場做好一切防墜措施；堅決按照規(guī)定定期檢查保養(yǎng)施工現場的電纜和增壓設備等各種設施，及時維修替換；堅決在人員上崗實際操作前做好全面的安全培訓，進行安全技術交底。其流程圖見圖8，具體如下：

1)整體施工開始前，需要用工序標準化作業(yè)指導書培訓施工人員，根據各工段施工人員的不同作業(yè)情況，有針對性地指定培訓計劃，提高整體施工人員的技術水平，其中關鍵設備的操作人員要特別注重培訓質量，使其能夠熟練地操作，為優(yōu)質施工提供人員基礎。

2)施工前需要反復對設計圖紙進行審核確保無誤，同時做好施工技術交底，盡量做到現場的每一位施工人員特別是領工員對設計要求爛熟于胸，鉆孔時務必符合要求，將設計意圖在實際中正確體現。

3)在進洞前需要對導線網再次進行檢測。

4)對鉆孔數據進行收集、總結、調優(yōu)。對三臂鑿巖車在施工過程中使用的各種相關參數如鉆孔角度、深度、用藥量、裝藥位置、起爆順序等進行采集，并對其進行總結整理，以便調整參數對鉆爆過程進行優(yōu)化改進，提升施工質量。

5)根據圍巖情況調整鉆孔深度。在施工中需要根據圍巖的實施情況來調整三臂鑿巖臺車的鉆孔深度，而本工程中，隧道出口工區(qū)的圍巖主要是Ⅲ級微風化花崗巖，通過前期的反復實驗確定了周邊眼的鉆孔深度范圍4.0 m～4.5 m，掏槽眼深度范圍5.0 m～5.5 m，因為在掌子面上具有一定的不平整度，與規(guī)定的眼深存在差距，所以鉆眼深度也需要實時根據其差值調整，保證各個眼底在同一垂面上。

6)調優(yōu)鉆眼精度控制參數。在實際施工過程中，因為圍巖情況難以預料，會出現一些較大裂隙或者在夾層處開眼，所以不能完全按照設施要求，需要靈活調整，還要考慮巖層的發(fā)育特點，綜合確定爆破眼的鉆進位置；而掏槽眼的角度控制需要提前設置參照標識，前期準備時就要計算各個炮眼處三臂鑿巖臺車推進梁的尾部與施工隧道中線的間隔距離，再由現場工作人員以現場用紅漆標記的隧道中線為基準，在上述推進梁間隔距離處用炮棍沿該處平行隧道軸線方向進行標示，以此作為角度控制標準；對于周邊眼的鉆孔位置控制，也需要在遵循設計要求的情況下進行合適的調整，首先在鉆孔前就要收集掌子面的圍巖情況，根據預開孔處的平整度確定各炮孔的鉆進深度，還要調整推進梁尾部與四周圍巖壁的距離，同時選擇合適的外插角(大約為3°)，總體上眼位需要保證基本均勻，可以根據鉆進難易程度小幅度調整。

7)整體光爆質量控制分為拱頂、拱腰和邊墻三個位置。拱頂處炮眼位置總體要向設計輪廓線內側進行偏移，同時可根據實際情況增大炮眼間隔距離，適當減少裝藥量，以減少最小抵抗線。拱腰處可根據實際情況減小周邊眼間隔距離，也適當減少裝藥量；邊墻處需要控制周邊眼的間隔距離比層間厚度大，如果遇到層厚不大的情況，應該在降低炮眼間隔距離的同時增大最小抵抗線；光爆質量控制中需要減少二圈眼的用藥量，因為二圈眼和輪廓線之間的間隔不大，較大的裝藥量有導致光爆層發(fā)生超爆甚至圍巖松動的可能性。

5 應用效果分析

5.1 施工效果

該工法應用于鄭西高速欒雙段伏牛山隧道，通過炮眼定位、臺車定位、臺車打眼、裝藥、爆破等各工序措施處理，有效地提升了光爆質量，改善了作業(yè)環(huán)境，嚴格保證了作業(yè)人員的施工環(huán)境安全，加快了施工進度，避免了因超欠挖造成的二襯混凝土超耗和厚度不滿足設計的質量問題的發(fā)生。初期支護面平整度效果如圖9所示?？傮w而言，運用該工法之后施工進度明顯提升，同時使工程獲得了良好的經濟效益和社會效益，目前看來十分值得在同類隧道施工工程中借鑒。

目前國內大部分隧道施工采用的傳統的人工開挖，部分長大隧道開挖時采用三臂鑿巖臺車機械化施工。長大隧道開挖施工中采用機械化施工，加大循環(huán)進尺，提高了功效。采用三臂鑿巖臺車進行開挖施工，安全系數高，環(huán)境污染少。三臂鑿巖臺車開挖施工所需要的施工人員少，鉆孔速度高，較傳統的開挖方法，大大提高了施工效率，降低了工薪成本。開挖過程中，三臂鑿巖臺車能夠自行調整周邊眼的鉆孔角度，及時根據圍巖情況調整周邊眼的間距，提高光面效果。爆破過程中，周邊眼采用導爆索串聯，大大提高了周邊眼的殘留率，提高光面爆破效果。測量放樣標記鉆孔位置采用吊臂籃，大大的提高了鉆孔的精度和施工人員安全性。

5.2 經濟效益對比

伏牛山隧道三臂鑿巖臺車機械化施工與傳統人工鉆爆法施工的開銷對比見圖10。從圖10中對比可以看出，在總數上，現階段的機械化施工成本相比人工鉆爆已經減少了每立方米10 000元，施工操作手由20人縮減為5人，每月的開挖方量由15 900 m3增加到18 800 m3，增加了2 900 m3，且這些優(yōu)勢都將隨著挖掘量進行比例增長。因此在隧道開挖過程中，采用以三臂鑿巖臺車為主的機械化施工方式，可以大大降低施工用人數量，除了節(jié)約工資支出，還能夠最大程度提高施工作業(yè)的安全性，同時也便于管理；由于機械化施工的效率相比人工更高，工作時間更短，耗材成本和耗電成本都會相應減少，對環(huán)境也更友好。

6 結論

1)針對以Ⅲ級圍巖為主的長大公路隧道工程,提出成套機械化工裝設備配合，并結合“長隧短打”的方法，實施4個工作面同步施工，以及采用鑿巖臺車施工，加快了開挖施工效率，減少了初支混凝土超耗。

2)三臂鑿巖臺車在伏牛山隧道出口工區(qū)得到了成功應用，其機械化施工工藝為三臂鑿巖車的推廣應用和長大隧道工程建設積累了成功的實施經驗。

3)提出了長大隧道開挖施工流程，綜合考慮爆破質量、工期壓力、安全環(huán)保等因素，并對測量定位、機械化鉆孔、爆破等工序處理措施進行了優(yōu)化，推進了三臂鑿巖臺車在隧道機械化施工的進程，為同類長大隧道機械化施工工藝選擇和安全控制技術實施提供了指導和示范。