高速鐵路隧道三臂鑿巖臺車開挖應用與探討

張勇

摘 要：傳統的隧道鉆爆開挖采用人工手持風動氣退式鑿巖機開挖，隨著鐵路隧道施工及裝備水平的不斷提高，液壓鑿巖臺車機械化開挖在隧道中已得到廣泛運用，如何提高工效、加快施工進度，主要取決于施工工法、施工機械裝備配套、施工組織及工序作業循環時間等。以在建高速鐵路長大山嶺隧道為依托，Ⅲ級圍巖為例，采用三臂鑿巖臺車進行隧道開挖，實現了快速、優質、安全、高效施工。

關鍵詞：隧道 三臂鑿巖臺車 開挖應用

中圖分類號：U455 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）04（a）-0037-03

隧道傳統的人工手持風鉆鉆爆開挖已逐漸不能滿足國家對環保、低耗能、經濟性和高安全的要求，而液壓鑿巖臺車是目前隧道鉆爆法施工中先進的開挖設備，隨著勞動力成本節節攀升，以及業主對工程安全、質量、工期的高度重視， 液壓鑿巖臺車施工技術成為專業化施工隊伍做大做強所理應發展的技術，在降低人工開挖勞動強度、改善作業環境、充分發揮機械設備效率等方面具有明顯優勢，符合現代隧道施工潮流，是今后隧道施工機械化發展的必然。

1 概述

1.1 工程概況

清涼山隧道是西成高鐵（陜西境內）XCZQ-2標段內控制性工程，為設計時速250 km/h的雙線隧道。該隧道全長12.553 km，起訖里程Dgk56+156～Dgk68+709，進出口位于曲線上，其余地段位于直上線，線路縱坡為25‰單面上坡，軌道基礎部分為CRTS-Ⅰ型雙塊式無砟道床。分進出口及2個斜井共4個工區6個工作面施工，計劃2013年1月23日開工，2015年11月16日完工。

1.2 水文地質概況

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，洞口地形地貌復雜。隧道圍巖主要為片巖、片巖夾大理巖、花崗巖，圍巖級別劃分為Ⅴ、Ⅳ、Ⅲ、Ⅱ類，節理不發育～發育，巖石堅硬、完整，局部破碎，且隧道穿過f1～f5斷裂構造帶和巖性接觸帶，地下水主要為構造裂隙水，碳酸巖溶裂隙水及風化裂隙水，中等富水區。地震動峰值加速度為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級圍巖全斷面開挖，Ⅲ級圍巖臺階法開挖或在圍巖加固后采用全斷面開挖，Ⅳ、Ⅴ級圍巖臺階法開挖。其中二號斜井3 486 m主要為Ⅲ級圍巖，采用機械化Ⅰ級配置，即液壓三臂鑿巖臺車+濕噴機械手進行全斷面鉆爆開挖（仰拱臺車開挖，輔助破碎錘處理欠挖），裝載機、自卸汽車出碴，濕噴機械手噴射混凝土，移動棧橋配合移動仰拱模架進行仰拱全幅施工，12 m門式液壓鋼模襯砌臺車進行二次襯砌。通過以上開挖、出碴、襯砌三條機械化配套作業線來達到快速施工的目的。

2 施工組織

2.1 施工組織模式

采用項目部、工區、架子隊三級管理模式組織施工，配套施工由工區協調、管理，架子隊負責具體實施。斜井長度1 170 m，綜合坡度10%，斜井進入主洞后，形成兩個工作口施工。

2.2 鉆爆開挖施工主要設備配置

三臂臺車鉆爆開挖設備應根據出碴運距、運輸條件、出碴量、循環時間、進度等因素確定。主要配備阿特拉斯·科普柯Boomer XL3D三臂鑿巖臺車2臺、濕噴機械手2臺、多級軸流通風機2臺、裝載機4臺、挖機2臺、18 t出渣運輸車12臺、12 m液壓鋼模全斷面襯砌臺車2臺、18 m長仰拱移動棧橋2臺。

2.3 主要勞動力配備

三臂臺車鉆爆作業：司鉆工6人、爆破工9人、隧道工2人，共18人；輔助生產人員電工1人、設備維修保養2人、配件采購兼庫管員1人。

2.4 掘進進尺計劃

根據地質情況和支護形式、工期要求等，鉆孔深度4 m，循環進尺3.5～3.8 m，循環時間720 min，2個/d循環，扣除設備保養維修及施工耽誤、不可預見因素的影響，2臺臺車每月有效工作時間25 d，平均循環進尺3.6 m，月平均進度180 m、最高210 m。

3 三臂臺車施工

3.1 施工工藝

Ⅲ級圍巖斷面130.1 m2，以設計填充面標高為分界線，全斷面開挖面積114.5 m2，仰拱開挖面積15.6 m2。

（1）臺車定位：隧道斷面尺寸滿足雙臺車作業空間，定后可保持兩車之間間隔2.5 m左右，外側壁之間距離2.4 m左右。

（2）測量放線：采用全站儀進行測量放線，利用鑿巖臺車中間的吊籃畫出中心線和周邊眼孔位置，對上一循環的開挖斷面進行復測，并在現場標識超欠挖情況以便進行欠挖處理。

（3）臺車鉆眼：按爆破設計進行鉆孔，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Ф45的空眼，以提高掏槽效果和爆破減振。

（4）爆破參數：采用楔形復式掏槽，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、導爆索進行爆破，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，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。

（5）裝藥爆破：清孔后利用臺車掛籃裝藥，檢查毫秒雷管的連線和接上電雷管，確認各班組操作人員及設備撤離到安全區后方可爆破，并由專人負責指揮和安全警戒。

（6）出碴：2臺裝載機裝碴，自卸汽車運輸，挖機輔助清理掌子面。

（7）初期支護：基于Ⅲ級圍巖的地質條件，先對圍巖面進行初噴，三臂臺車在打完下一茬炮后，接著將上茬炮開挖段的系統錨桿打設，然后2～3個循環（8～10 m）利用臺車掛網，濕噴機械手復噴混凝土至設計厚度。圍巖較差時進行一炮一支護，以確保安全。

（8）優化爆破設計：每次爆破后檢查爆破效果、分析原因，及時根據爆破效果和當前地質情況修正爆破參數，指導現場施工。

3.2 施工順序及作業程序要求

（1）施工順序及方法：測量放線→全斷面開挖→初期支護→鋪底→施作二次襯砌→洞內無砟道床及附屬結構。

（2）作業程序要求（詳見表1）。

3.3 開挖技術要求

（1）全斷面開挖空間大，工序少，各工序應平行交叉作業，縮短循環時間；開挖斷面量大，引起的爆破震動大，應嚴格控制一次同時爆破炸藥量。

（2）按照鉆爆設計要求控制炮眼間距、深度和角度，鉆眼完畢按照炮眼布置圖進行檢查，對不符合要求的炮眼應重新鉆孔，合格后方可裝藥。

（3）兩個循環的接茬位置平滑、圓順。

（4）按要求進行掌子面地質素描。

（5）鉆孔人員及時反映鉆孔所遇到的卡鉆、突進及孔內滲水、帶泥砂等不正常現象。

（6）施工控制光面爆破半眼痕跡率，中硬巖80%、軟巖60%及以上，開挖斷面圓順，炮眼接茬錯臺小于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 常見問題處理措施

4.1 如何保證連續作業、提高進度、穩定生產

（1）各工序要環環相扣，明確專人負責現場協調工序施工，調配設備和人員，減少工序搭接時間。

（2）配足仰拱施工移動棧橋及勞動力，加快仰拱、二襯施工進度，避免因安全步距超標影響開挖。

（3）成立臺車維修班，專門負責日常維修與保養，每班作業后對臺車保養，每月大保養一次，形成規范的保養制度，確保設備正常運轉，保證生產。

（4）三臂臺車易損件常備，比如鉆桿、鉆頭、液壓油管等，需使用質量好的廠家配件，型號要配對，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挖的經濟技術重要指標，為了達到該效果，采取了如下措施。

（1）技術人員跟班作業，指導布孔、鉆孔、裝藥。

（2）對三臂臺車班操作手進行技術培訓，增強操作手掌握鉆眼技巧，提高鉆爆施工水平。

（3）每循環對爆破效果評價、分析，查找不足，及時糾正。

（4）根據揭露的巖層節理、裂隙發育情況及巖性特征，修正爆破參數。

（5）根據爆破振速監測，調整單段起爆炸藥量及雷管段數分布。

（6）精確放樣，保證測量精度，標出炮眼位置，設置鉆眼導向標，專人指揮掛孔。

（7）定人定孔，并進行考核。

5 三鑿巖臺車與手持風鉆開挖應用效果對比分析

（1）工藝技術性：三臂鑿巖臺車為全液壓傳動， 能效高，進出靈活方便，就位快速，技術先進，人工手持風鉆為風能傳動，其效率只有液壓傳動的30%。

（2）安全性：三臂鑿巖臺車施工掌子面人員少，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：經統計，平均線性超挖臺車8 cm、人工風動12cm，半眼痕跡率臺車達91.5%，人工風動80%，與人工風動相比，大大提高鉆孔質量，減少超挖。

（4）洞內作業環境和文明施工：鑿巖臺車采用閉式油路系統噪音小，也沒有風鉆排出的濕霧狀的廢氣，空氣較清晰，掌子面視線較好，場地簡潔、整齊，有利于改善洞內作業環境與掌子面文明施工。

（5）節省勞動力：鑿巖臺車開挖只需6個司鉆工、9個炮工，而人工手持風鉆開挖則需38人，可節省大量人力，降低了勞動強度。

（6）鉆眼速度快：鑿巖臺車鉆孔有強大的推進力，可以實現多孔同時推進，一次成多孔，減少鉆孔時間。經統計計算，鑿巖臺車平均鉆孔速度為2～2.5 min/孔·4m，比人工風動鑿巖速度快58%。同時不需要工作輔助平臺，可節約非鉆孔時間。

（7）工效：經統計分析，臺車開挖最高月達204.2 m，平均185.8 m，比風動開挖進度快、電量消耗低，工期有保證。

（8）多功能用途：三臂鑿巖臺車作業面積大，操作靈活，隧道作業環境適應性強，具有鉆裝錨桿孔、超前小導管與管棚孔，及特殊地質條件下鉆注漿孔、超前地質預報鉆探孔的多用途功能。但鑿巖臺車比人工風動開挖操作專業性要求高，設備費用一次性投入大，消耗的鉆桿、鉆頭及設備配件昂貴，對短小隧道來說不如人工風動鉆爆經濟。

6 三臂鑿巖臺車設備先進性探索

根據有關網絡媒體披露，目前國內首臺全電腦三臂鑿巖臺車已研制成功，該三臂鑿巖臺車采用人機互聯，實現了數字化鑿巖臺車，所有工作狀態都可以在電腦屏幕上實時顯示，并進行調整和計算，開挖過程由電腦按預先優化的方案自動運行，所有鉆孔的定位開孔和鉆進循環、超欠挖控制完全由電腦自動完成，并可利用臺車智能系統自動分析地質和安全報警，實時監控記錄鉆進過程的信息。

此設備比現有三臂鑿巖臺車更具優越性，技術性先進，實現了鉆孔作業智能化，能更好的提高功效和鉆爆效果，是隧道鑿巖臺車鉆爆開挖先進性的新起點，值得推廣應用。

7 結語

鑿巖臺車是鉆爆法開挖最先進的設備，與傳統的人工手持風鉆開挖有顯著的優勢，它是今后隧道建設施工機械化、專業化、設備智能化發展的必然趨勢，通過應用，達到了快速、優質、安全、高效施工預期目的，為今后長大隧道施工積累了經驗。

參考文獻

[1]梁戰金.復雜地質條件下液壓鑿巖臺車快速掘進技術[J].山西建筑，2010，36（21）：308-309.

[2]臧萬軍.三臂鑿巖臺車與手持鑿巖機在大相嶺隧道應用中的比較[J].公路工程，2011，36（4）：12-15，25.