韓文珍,張子昂

（1.山西辰潤(rùn)交通科技有限公司,山西 晉中 030600; 2.北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院,北京 100000）

0 引言

2021年，山西省汾陽至石樓高速公路引入瑞典進(jìn)口的安百拓牌XL3D 型三臂鑿巖臺(tái)車進(jìn)行隧道施工。此機(jī)械配備人機(jī)交互式操作面板和主機(jī)電腦，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、智能化，高效安全地完成鉆孔作業(yè)。

1 XL3D 型三臂鑿巖臺(tái)車的性能優(yōu)勢(shì)分析

1.1 自動(dòng)+智能系統(tǒng)分析

1.1.1 施工自動(dòng)化控制

支持計(jì)算機(jī)終端（安裝布控圖設(shè)計(jì)軟件）進(jìn)行炮孔布置圖的設(shè)計(jì)，并可通過WiFi/U 盤導(dǎo)入車載主控電腦，全電腦臺(tái)車將按照炮孔布置圖自動(dòng)完成鉆孔作業(yè)，實(shí)現(xiàn)鉆孔位置、角度、深度的精確、自動(dòng)化控制，有效控制開挖面輪廓和超欠挖[1]。利用隧道軟件以最終爆破效果進(jìn)行布孔圖設(shè)計(jì)，將布孔圖和裝藥圖設(shè)計(jì)集成在同一軟件之內(nèi)，可以按不同孔位孔的不同功能，設(shè)計(jì)出10 種不同類型孔的鑿巖參數(shù)，鑿巖臺(tái)車內(nèi)置可自定義的10 種孔型，根據(jù)布孔圖的要求，自動(dòng)調(diào)整鑿巖參數(shù)，達(dá)到高精度、高速度和低鉆具消耗的最優(yōu)化結(jié)果[2]?？蓪?shí)現(xiàn)鑿巖鉆孔參數(shù)實(shí)時(shí)反饋?zhàn)哉{(diào)節(jié)，自動(dòng)控制鑿巖機(jī)防卡鉆、防空打、開孔模式等，并且鉆孔效率不低于3 m/min[3]。

1.1.2 數(shù)據(jù)采集、交互及傳輸

實(shí)時(shí)采集鉆機(jī)推進(jìn)速度、回轉(zhuǎn)速度、回退速度、旋轉(zhuǎn)壓力、推進(jìn)壓力、沖擊壓力、回退壓力，水排渣壓力、鉆進(jìn)深度、鉆桿角度、鉆孔位置、鉆孔數(shù)量等一系列參數(shù)，形成記錄文檔，并可通過以太網(wǎng)、WiFi 實(shí)時(shí)反饋給終端進(jìn)行處理，得到分析云圖或者波浪圖，并能在電腦上簡(jiǎn)單顯示，實(shí)現(xiàn)巖石鉆進(jìn)數(shù)據(jù)的可視化[4]。

1.1.3 隧道輪廓面激光掃描與超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

采用激光對(duì)掌子面、隧道輪廓、返光標(biāo)識(shí)點(diǎn)進(jìn)行掃描，通過對(duì)比實(shí)際掃描截面與隧道預(yù)設(shè)截面模型，得出超欠挖數(shù)據(jù)。通過MWD 軟件分析判斷巖石軟硬，有無溶洞、水包、斷層、裂隙等，并形成地質(zhì)報(bào)告，尤其適用于超前地質(zhì)鉆探[5]。

1.1.4 智能化電腦導(dǎo)向系統(tǒng)

引入智能化電腦導(dǎo)向系統(tǒng)，開發(fā)出升級(jí)版、電腦導(dǎo)向版三臂鑿巖臺(tái)車配備人機(jī)交互式操作面板和彩色顯示器，能實(shí)現(xiàn)鉆進(jìn)過程的數(shù)據(jù)檢測(cè)和信息搜集，指導(dǎo)鉆臂和推進(jìn)梁定位，并能夠人工干預(yù)及時(shí)糾正鉆進(jìn)誤差[6]。多機(jī)群避障主要由避碰運(yùn)算主機(jī)、路由器、WiFi 模塊組成。當(dāng)設(shè)備進(jìn)入WiFi 區(qū)域時(shí)，設(shè)備自動(dòng)連接上WiFi 局域網(wǎng)，同時(shí)實(shí)時(shí)上傳自身位置與自身臂架位置信息。避碰運(yùn)算主機(jī)經(jīng)過一定的計(jì)算，對(duì)不同設(shè)備的臂架間距離等進(jìn)行計(jì)算，實(shí)際多機(jī)作業(yè)下互不干擾，若發(fā)現(xiàn)異常，下發(fā)暫停指令使設(shè)備暫停[7]。

1.1.5 鉆孔自動(dòng)調(diào)節(jié)及防卡釬保護(hù)

三臂鑿巖臺(tái)車采用鉆孔自動(dòng)調(diào)節(jié)及防卡釬保護(hù)設(shè)計(jì)，鑿巖回轉(zhuǎn)壓力高于設(shè)定值時(shí)，鑿巖機(jī)回退，防止卡釬，降低鉆桿與鑿巖機(jī)的損壞；鉆進(jìn)達(dá)到設(shè)定鉆深之后，觸碰行程閥，鑿巖機(jī)自動(dòng)退回，有效防止空打；鑿巖回轉(zhuǎn)油路集成流量控制和壓力補(bǔ)償功能，保證鉆深孔、探孔時(shí)流量自動(dòng)調(diào)節(jié)，鑿巖機(jī)鉆速自動(dòng)調(diào)節(jié)，提高鉆孔自動(dòng)適應(yīng)性，達(dá)到快速施工和降低釬具損耗的雙重效果[8]。

1.1.6 鉆臂雙三角自平行機(jī)構(gòu)數(shù)學(xué)模型分析

基于雙三角自平行機(jī)構(gòu)數(shù)學(xué)模型及分析理論，設(shè)計(jì)外插角定位精度達(dá)到千分之三。經(jīng)過實(shí)際驗(yàn)證，周邊孔超欠挖均控制在10 cm 以內(nèi)，滿足施工要求。液壓控制系統(tǒng)采用恒壓和負(fù)載敏感控制系統(tǒng)，配合遠(yuǎn)程先導(dǎo)控制系統(tǒng)，臂動(dòng)作可及時(shí)精確響應(yīng)。

1.2 高效+安全施工分析

1.2.1 高效的鑿巖系統(tǒng)

鑿巖系統(tǒng)采用先進(jìn)的高壓高頻鑿巖控制技術(shù)，有效地提高了硬巖及超硬巖的鉆進(jìn)效率。三臂鑿巖臺(tái)車采用COP1838HD+液壓鑿巖機(jī)，可靠性高，維修成本低，大修時(shí)間間隔長(zhǎng)。

1.2.2 鑿巖水氣系統(tǒng)自由切換功能

設(shè)計(jì)了鑿巖水氣系統(tǒng)自由切換功能，可額外實(shí)現(xiàn)斜坡鉆孔氣排水、嚴(yán)寒期管路內(nèi)水吹凈功能，減少自然環(huán)境對(duì)設(shè)備使用的影響，延長(zhǎng)相應(yīng)配件的使用壽命。

1.2.3 鉆桿自動(dòng)夾持裝置

設(shè)計(jì)了鉆桿自動(dòng)夾持裝置，使鑿巖臺(tái)車打探孔時(shí)，連接/拆卸鉆桿更為方便、快捷，有效縮短鉆桿連接/拆卸時(shí)間，大大提高了打探孔的工作效率。同時(shí)鉆桿夾持裝置還可以與普通推進(jìn)梁使用的前部扶釬裝置互換，在臺(tái)車打普通炮眼時(shí)不需要更換前扶釬裝置，通用性較強(qiáng)。

1.2.4 鉆臂與推進(jìn)梁

重型鉆臂采用全方位平行保持技術(shù)、恒壓液壓控制技術(shù)，配合遠(yuǎn)程先導(dǎo)控制系統(tǒng)保證了鉆臂在鉆孔之間的移動(dòng)和定位直接、快速、準(zhǔn)確。重型雙底結(jié)構(gòu)鋁合金推進(jìn)梁具有較高的抗彎、抗扭強(qiáng)度，推進(jìn)梁表面覆有不銹鋼滑條，運(yùn)動(dòng)部件采用可調(diào)式高強(qiáng)度塑料耐磨板，使用壽命長(zhǎng)，維修成本低。

1.2.5 系統(tǒng)自動(dòng)檢測(cè)及故障報(bào)警

大臂上及鑿巖機(jī)等關(guān)鍵部件各個(gè)自由度均有傳感器做檢測(cè)，系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測(cè)、記錄鑿巖機(jī)的旋轉(zhuǎn)、推進(jìn)、沖擊、回退等壓力值，同時(shí)還記錄鉆孔各項(xiàng)數(shù)據(jù)。通過電腦屏可直接看到正在操作的臂是幾號(hào)臂，可以在一個(gè)頁面上看到所有傳感器的信號(hào)。當(dāng)傳感器故障時(shí)，該傳感器顯示頁面給出紅色警示，快速直觀地判斷出故障點(diǎn)。

1.2.6 人員誤入報(bào)警和盲區(qū)監(jiān)控

全電腦三臂鑿巖臺(tái)車具有人員誤入探測(cè)功能，采用光柵或者點(diǎn)激光等設(shè)備對(duì)區(qū)域進(jìn)行安全監(jiān)控，當(dāng)有人或者物體進(jìn)入時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入報(bào)警狀態(tài)；具有視野盲區(qū)監(jiān)控：采用現(xiàn)有的成熟的影像模塊，對(duì)視野盲區(qū)進(jìn)行監(jiān)控，保證操作及行車安全；設(shè)備具有故障自診斷：液壓系統(tǒng)油溫、水壓力自診斷，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)硬件與軟件故障的自動(dòng)報(bào)警，指導(dǎo)售后人員或操作人員及時(shí)進(jìn)行故障排除；具有設(shè)備傾翻報(bào)警：整機(jī)姿態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，提前預(yù)警整機(jī)姿態(tài)，防止設(shè)備傾翻[9]。

2 工程應(yīng)用實(shí)例分析

山西省汾陽至石樓高速公路東山隧道施工采用機(jī)械通風(fēng)，光電照明。合同95 569.24萬元。合同工期為30個(gè)月。

2.1 東山隧道工程情況分析

2.1.1 主要工程數(shù)量

包括：開挖土石方156.04 萬m3、鋼筋9 645.18 萬t，工字鋼及鋼板10 418.69萬t，各種鋼管及錨桿132.71萬m，混凝土31.67 萬m3，防水板41.62 萬m2，防火涂料23.76萬m2，混凝土路面8.74 萬m3。

2.1.2 工程設(shè)置情況

項(xiàng)目所在地呂梁市石樓縣地形復(fù)雜，該項(xiàng)目線路K68+420～K81+620 段地貌，山川交錯(cuò)，溝壑縱橫，海拔高度不一，屬于黃土覆蓋中山區(qū)，連接線跨越屈產(chǎn)河，該河流最大洪水流量3 380 m3/s，平均年輸沙量946 萬t。該項(xiàng)目屬于新建工程，該項(xiàng)目緊鄰國(guó)道340 和國(guó)道209，交通便利。該項(xiàng)目無可利用供電線路，需架設(shè)專用線路，考慮永臨結(jié)合的原則。隧道全線范圍內(nèi)水資源匱乏，工程生產(chǎn)、生活用水通過打井來解決。進(jìn)出口及斜井口各需打水井一口。區(qū)域無網(wǎng)絡(luò)，無基站，不能滿足生產(chǎn)需要，需要架設(shè)專線及基站。機(jī)制砂、碎石等地方材料在區(qū)域比較豐富，距施工現(xiàn)場(chǎng)約20 km。隧道進(jìn)口緊鄰設(shè)計(jì)1#棄土場(chǎng)，1#棄渣場(chǎng)設(shè)計(jì)在K70+500 右幅，占地面積23 466.8 m2，計(jì)劃棄渣23.5 萬m3。計(jì)劃變更至K69+265 左幅溝內(nèi)林地，占地10 000 m2，用于加工碎石（加工碎石及石粉需及時(shí)運(yùn)出）。2#棄渣場(chǎng)設(shè)計(jì)在K73+000，為東山隧道斜井口棄渣場(chǎng)；隧道出口附近4 號(hào)棄渣場(chǎng)，設(shè)計(jì)在K79+200 右幅，占地面積56 667.0 m2，可棄渣56.6 萬m3，計(jì)劃變更至K78+700 右幅溝內(nèi)為林地，距主線1 km，占地80 000.4 m2，可棄渣120 萬m3。

2.1.3 項(xiàng)目部設(shè)置情況

管理人員采取集中辦公的方式，對(duì)口管理部門設(shè)置了7 個(gè)職能部門，項(xiàng)目部各部室接通了無線網(wǎng)絡(luò)，所有施工人員配備手機(jī)聯(lián)絡(luò)，工地現(xiàn)場(chǎng)主要人員配備了對(duì)講機(jī)，確保整個(gè)項(xiàng)目部聯(lián)絡(luò)渠道暢通。管理人員和施工人員已進(jìn)場(chǎng)。

2.1.4 施工場(chǎng)地布置情況

在隧道進(jìn)口根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地形情況，在距隧道進(jìn)口處臨時(shí)征用土地，設(shè)置拌和站鋼筋加工場(chǎng)及儲(chǔ)料區(qū)，施工機(jī)械停放、小型材料的存放、庫房等臨時(shí)建設(shè)。其中拌和站一處，占地9 667 m2；鋼筋加工廠一座，占地3 400 m2。在出口處臨時(shí)占地，設(shè)置鋼筋加工廠一座，占地1 040 m2。在隧道斜井口設(shè)置拌和站一處，距斜井口1.5 km，占地9 900 m2；設(shè)置鋼筋加工場(chǎng)一座，占地1 060 m2。

2.1.5 施工用電情況

東山隧道共計(jì)安裝變壓器19 臺(tái)，用于滿足隧道拌和站、鋼筋加工場(chǎng)、抽排水及生產(chǎn)人員生活等需要。其中：進(jìn)口設(shè)置安裝800 kVA 變壓器2 臺(tái)，630 kVA 變壓器3 臺(tái)，315 kVA 變壓器2 臺(tái)；斜井設(shè)置安裝800 kVA 變壓器1 臺(tái)，630 kVA 變壓器3 臺(tái)，315 kVA 變壓器3 臺(tái)；出口設(shè)置安裝800 kVA 變壓器2 臺(tái)，630 kVA 變壓器2 臺(tái)，315 kVA變壓器1 臺(tái)?，F(xiàn)場(chǎng)進(jìn)出口及斜井處各打井一處，安裝增壓泵鋪設(shè)用水管道至洞口，滿足施工用水需要。

2.1.6 施工組織機(jī)構(gòu)組成與職責(zé)

項(xiàng)目部設(shè)項(xiàng)目經(jīng)理一人，總工程師一人，下設(shè)工程技術(shù)部、成本合同部、資產(chǎn)材料部、質(zhì)檢試驗(yàn)部、安全環(huán)保部、財(cái)務(wù)部、綜合辦公室共7 個(gè)職能部門。其中，工程技術(shù)部負(fù)責(zé)編制實(shí)施性技術(shù)方案與實(shí)施性施工組織設(shè)計(jì)；負(fù)責(zé)技術(shù)交底、開工報(bào)告和專項(xiàng)施工方案的編制，制定和下達(dá)施工計(jì)劃，檢查、督促各施工隊(duì)按時(shí)完成計(jì)劃；負(fù)責(zé)對(duì)施工過程中的進(jìn)度計(jì)劃根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整；負(fù)責(zé)對(duì)工程人員的技術(shù)交底。成本合同部負(fù)責(zé)編制中期支付文件并報(bào)送至監(jiān)理工程師和業(yè)主；負(fù)責(zé)進(jìn)行工程核算、決算。資產(chǎn)材料部負(fù)責(zé)所需材料的購置和保管及安排施工機(jī)械的調(diào)度與維護(hù)。質(zhì)檢試驗(yàn)部負(fù)責(zé)建立質(zhì)量管理體系，參與項(xiàng)目策劃編制項(xiàng)目質(zhì)量策劃文本，施工圖紙審核，加強(qiáng)原材料、構(gòu)配件的進(jìn)場(chǎng)檢驗(yàn)制度，執(zhí)行三檢制和首件認(rèn)證報(bào)告質(zhì)量投訴、問題和事故并落實(shí)整改。安全環(huán)保部負(fù)責(zé)落實(shí)公司安全環(huán)保各項(xiàng)規(guī)章制度，應(yīng)急預(yù)案和現(xiàn)場(chǎng)處置方案，檢查項(xiàng)目安全生產(chǎn)和環(huán)保工作，完善施工組織設(shè)計(jì)專項(xiàng)施工方案，安全環(huán)保風(fēng)險(xiǎn)管控措施。財(cái)務(wù)部負(fù)責(zé)該項(xiàng)目的財(cái)務(wù)管理工作，及時(shí)向項(xiàng)目經(jīng)理提供財(cái)務(wù)計(jì)劃及財(cái)務(wù)報(bào)表，在項(xiàng)目經(jīng)理的領(lǐng)導(dǎo)下做好工程款的支付和流動(dòng)資金的管理工作。綜合辦公室負(fù)責(zé)對(duì)外協(xié)調(diào)、處理與當(dāng)?shù)卣⒋彐?zhèn)百姓的關(guān)系，創(chuàng)造一個(gè)良好的周邊環(huán)境，以利于工程施工；負(fù)責(zé)項(xiàng)目部日常生活、生產(chǎn)后勤工作。

2.1.7 工期及施工進(jìn)度安排

隧道受征地影響，計(jì)劃從隧道進(jìn)口端開始施工管棚，在具備條件時(shí)施工出口端管棚，保證順利進(jìn)洞。根據(jù)施工工序劃分以下6 個(gè)階段進(jìn)行施工進(jìn)度控制。

（1）第一階段：2021年7月25日至2021年10月25日，施工準(zhǔn)備階段，主要完成征地，施工便道，供水、供電，生產(chǎn)區(qū)用房，交接樁點(diǎn)，線路復(fù)測(cè)，復(fù)核設(shè)計(jì)資料，原材料的試驗(yàn)檢測(cè)和混凝土配合比的試驗(yàn)，組織機(jī)械設(shè)備、人員、材料進(jìn)場(chǎng)，解決通信等工作。

（2）第二階段：2021年10月25日至2021年12月25日，完成進(jìn)口洞口邊仰坡開挖、防護(hù)、洞頂截水天溝以及長(zhǎng)管棚的施工，為隧道進(jìn)洞掘進(jìn)創(chuàng)造條件。

（3）第三階段：2022年3月25日至2023年12月25日，完成主洞開挖與支護(hù)，包括仰拱和二次襯砌混凝土澆筑。

（4）第四階段：2023年10月1日至2023年12月31日，完成隧道邊溝和電纜溝施工。

（5）第五階段：2024年1月1日至2024年3月31日，完成隧道路面、洞內(nèi)的收尾工程。

（6）第六階段：2024年4月8日至2024年5月1日，隧道收尾移交階段，主要完成隧道進(jìn)出口的場(chǎng)地清理、整修，竣工資料整理編制及驗(yàn)交等工作。

2.2 東山隧道施工方案分析

2.2.1 傳統(tǒng)鉆爆法、明挖法、蓋挖法

明洞采用明挖法施工；Ⅴ級(jí)圍巖采用微臺(tái)階法、Ⅳ級(jí)圍巖采用正臺(tái)階法、Ⅲ級(jí)圍巖采用光面爆破全斷面開挖法施工。其中：隧道進(jìn)口K69+262～K69+390 及ZK69+270～ZK69+390 段左右線中間巖厚度小于15 m，采用小凈距隧道施工方案；ZK69+420～ZK69+515 段采用蓋挖法施工；隧道出口段K76+350～K77+040 和ZK76+336～ZK76+975 圍巖主要為Q2 粉質(zhì)黏土，采用土質(zhì)隧道施工方案。在開挖方法上，進(jìn)口采用三臂鑿巖臺(tái)車掘進(jìn)機(jī)法與鉆爆法相結(jié)合的施工方法，進(jìn)口右洞及出口采用傳統(tǒng)鉆爆法。

2.2.2 三臂鑿巖臺(tái)車掘進(jìn)

（1）機(jī)械參數(shù)分析。瑞典進(jìn)口的安百拓牌XL3D 型三臂鑿巖臺(tái)車整機(jī)總體功能集成，結(jié)構(gòu)緊湊，其最大覆蓋面積為178.0 m2，最大鉆孔高度為12.4～13.1 m（視機(jī)型而定），鉆孔直徑φ43～φ102 mm。主要用于山嶺隧道鉆爆法全斷面或微臺(tái)階法鉆孔開挖，駕駛室最低高度為3.75 m，駕駛室最高高度為5.0 m，最大行駛速度為17.5 km/h，爬坡角度為15°，可滿足多種使用需求。

（2）掘進(jìn)順序分析。施工時(shí)，張開支腿方可進(jìn)行鑿巖作業(yè)、升降平臺(tái)作業(yè)。先把升降平臺(tái)降下來倒回滑動(dòng)工作臺(tái)，縮回臂架，將導(dǎo)桿擺成水平，鑿巖機(jī)保持在始動(dòng)位置，縮回支腿再行走，鑿巖臺(tái)車就位后，檢查供電線纜和高壓水管，操作手在確認(rèn)水、電到位后啟動(dòng)臺(tái)車電氣系統(tǒng)，利用液壓系統(tǒng)把臺(tái)車整體調(diào)整呈水平狀態(tài)。由測(cè)量放置的標(biāo)高線參照標(biāo)記處底眼孔位。鑿巖鉆孔順序?yàn)椋旱籽邸凇苓呇邸o助眼→拱部輔助眼→掏槽眼→中心輔助眼。

3 結(jié)束語

為加快施工進(jìn)度，確保施工安全和工程質(zhì)量，隧道施工實(shí)施機(jī)械化、專業(yè)化作業(yè)，采用三臂鑿巖臺(tái)車、懸臂式掘進(jìn)機(jī)、YT-28 風(fēng)鉆、濕式噴射機(jī)、混凝土拌和站、混凝土輸送泵、二次襯砌臺(tái)車等關(guān)鍵設(shè)備施工，改善施工環(huán)境，確保工程質(zhì)量和施工安全。組織實(shí)施開挖、噴錨、二次襯砌等多條機(jī)械化作業(yè)線，強(qiáng)化優(yōu)化機(jī)械配套，實(shí)現(xiàn)主要工序機(jī)械化作業(yè)，并力爭(zhēng)一機(jī)多用，充分發(fā)揮機(jī)械效率。