隧道三臂鑿巖臺車楔形及直眼掏槽爆破技術研究

摘 要：為了研究三臂鑿巖臺車楔形及直眼掏槽爆破技術在小斷面隧道開挖施工中的應用，本文以巴玉隧道為依托，分別對兩種施工方法所使用的臺車性能參數、爆破方案的選擇、炮孔的布置位置以及材料使用等方面進行了對比分析，研究表明直眼掏槽施工法無論在節約工程成本還是縮短施工工期方面都是最佳的方案，采用直眼掏槽開挖技術更能發揮三臂鑿巖臺車的優勢。

關鍵詞：隧道；三臂鑿巖臺車；楔形爆破技術；直眼爆破技術

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.12.123

0 引言

長期以來，巖石隧道施工中最主要采用手工鉆爆法和TBM法進行破巖，這種爆破方法炮眼深度一般在1.6～2.0m，循環進尺為1.2～1.7m，炮眼利用率一般為75%～85%，最低為60%左右。在我國鉆爆法比較盛行，鉆爆法的核心工序之一就是鉆孔爆破，一些礦山采用鑿巖臺車或液壓鑿巖機鉆孔等，以提高掘進效率，但炮孔深度均在2.0～3.0m之間[1-2]。目前我國最常使用的鉆孔機具為氣動鑿巖機配合自制開挖臺架以及多臂鑿巖臺車。而人工鉆孔爆破法施工成本較低，但是工人作業勞動強度較大、作業環境惡劣、并且施工效率低下；多臂鑿巖臺車鉆爆法具有速度快、自動化水平高、施工質量高、操作安全、隧道開挖作業工作環境好，但是造價較高，從降低人工開挖勞動強度，改善作業環境以及充分發揮機械設備優勢上來說，機械作業是今后隧道施工的主要發展方向[3]，而多臂鑿巖臺車鉆爆法具備這些優點，而在實際工程中也得到了更加廣泛的推廣和應用。

針對這種現狀，本文對某隧道工程施工中，采用的三臂鑿巖臺車楔形掏槽與直眼掏槽鉆爆法施工技術進行了總結，同時以本工程為依托，比較了楔形掏槽與直眼掏槽鉆爆法所使用的臺車性能參數、爆破方案的選擇、炮孔的布置位置以及材料使用等方面。

1 工程概況

巴玉隧道為拉林鐵路控制性工程，總體沿東西走向，隧址位于藏南谷地桑日至加查下游段，進口軌面標高為3464.081m，位于山南地區桑日縣干登，出口軌面標高為3344.109m，位于山南地區加查縣藏木。隧址地面標高3260～5500m，高差達2300m，為典型的高山峽谷地貌。隧道工程地質巖性揭示為巖漿巖，屬塊狀全晶質花崗巖，整體性較好，巖石極軸抗壓強度普遍在192MPa以上，屬Ⅱ級圍巖；不良地質有巖爆、高地應力、地熱等，其中高地應力對爆破影響最大，通常爆破格外困難，炸藥單耗要比正常情況下高的多，這也是深埋花崗巖的固有特性。

隧道最大埋深約2080m，進出口均無公路相通，交通困難。隧道以越嶺走行于雅魯藏布江南岸，起訖里程DK190+388～DK203+461，全長13073m，為單洞單線隧道，隧道設進、出口2個平導，進口平導長度4058.827m，出口平導長度4073米。進出口平導采用XL3D三臂鑿巖臺車進行掘進作業。平導設計開挖斷面為圓拱直墻型形，高為6.33m，寬7.5m，具體尺寸如圖1。

2 三臂鑿巖臺車楔形掏槽鉆爆法

2.1 XL3D三臂鑿巖臺車簡介

Boomer XL3D三臂鑿巖臺車整車由底盤、鉆臂、推進梁、鑿巖機、服務平臺、液壓控制系統、空壓機以及水泵組成，可以進行鉆爆空、錨桿孔、注漿孔、管棚施工、裝藥、安裝錨桿、灌漿以及安裝風水管等高空作業[4]。具有安全、高效、符合人機工程學的設計特點，采用先導控制液壓系統，減少了控制平臺四周的高壓膠管數量，對操作者更安全，并且噪聲更小；采用新型人機工程學控制面板，控制系統的液壓部件集中在一起，易檢修、維護；符合FOPS（防落物沖擊）標準的防護頂棚，可以升高1.1m來增加更好的視野；為了增加效率和準確度，Boomer XL3D配備了推進梁角度測量系統（FAM3），這個系統有助于操作者精確鉆孔，減少超挖或是欠挖，增加一次進尺量，其具體的性能參數如表1所示。

Boomer XL3D大臂長度7.1米，配備鉆桿長度5.25米，更加適用于大斷面開挖。XL3D三臂鑿巖臺車見圖2。

2.2 測量準備工作

為了保證施工的進度，改變了常規的施工測量方法，采用全站儀測量以及激光導向儀相結合的方法來進行控制開挖。洞頂位置安裝了一臺激光指向儀，調整激光束與隧道軸線方向保持一致。臺車定位以后，測量人員采用全站儀進行周邊炮眼的放樣。同時臺車施鉆人員根據激光投射與掌子面上的點束位置，先施鉆掏槽眼以及輔助眼。通過這種方法測量放樣就不再占有工序循環時間。每循環可以節約30～45min測量放樣時間。

2.3 楔形掏槽爆破設計

為了保證爆破工作安全有序進行，不同的爆破部位根據實際情況選取不同的爆破參數和裝藥結構，對不同位置的炮孔的爆破參數根據其爆破破碎標準試爆后進行調整。通過人力和機械相結合的方法清理爆破現場，爆破具體的施工工序為：施工設備以及材料的準備→現場爆破→清理爆破現場[5]。

2.3.1 炮孔布置

考慮到施工工期緊、安全風險高等特點，為減少作業面人員數量，規避開挖階段安全風險，進出口平導全部采用XL3D三臂鑿巖臺車進行掘進作業，采用了楔形掏槽，并在實際施工中不斷對周邊眼的間距，裝藥量以及掏槽眼的角度進行調整和優化，楔形掏槽鉆孔爆破設計炮孔布置如圖3所示。

每個炮孔按照不同段位安裝非電毫秒雷管，分區并聯后與1段毫秒雷管連接，最后由電雷管引爆

2.3.2 爆破參數的確定

根據前述的爆破理論、相關參數以及相關隧道工程鉆孔爆破技術的經驗，對本巴玉隧道工程的爆破位置以及所使用的藥量進行了統計分析，具體的結果見表2。

根據表2可以看出，采用三臂臺車楔形掏槽施工鉆孔數量總計約133個，正常情況循環進尺約3.4米，炮眼利用率90%，開挖總方量約148.69方，使用炸藥總量358.25kg，炸藥單耗約2.41kg。

2.4 臺車強制保養制度

為了保證臺車的使用率，必須要加強臺車的日常管理和保養，臺車保養實行“1+1”的臺車保養模式，即開挖放炮為一個保養循環，實行定機、定人、定臂等保養管理模式，從而抱保證臺車充分發揮其機械性能，減少故障率，最終保證施工進度。其中保養的主要內容是：檢查、清潔、緊固、調整、潤滑以及防腐等[6]。

3 三臂鑿巖臺車直眼掏槽鉆爆法

直眼掏槽是由若干個彼此距離很近的，垂直于開挖面的相互平行的炮眼組成。其中一個或幾個不裝藥的炮眼稱為空眼，其作用是給裝藥眼創造臨空面，保證掏槽眼范圍內的巖石被破碎。所以直眼掏槽就是利用一些相互平行眼距不大的炮眼內炸藥包爆炸的巨大能量，將掏槽區范圍內的巖石破碎，并將其拋出槽外，從而形成一個設定的槽腔。這就為后續爆破的炮眼提供了一個平行于這些炮眼的第二臨空面，然后按順序起爆，直到設計的斷面周邊輪廓為止。直眼掏槽一般適用于中硬有堅硬巖層，本工程中巴玉隧道平導巖石為花崗巖，又采用鉆孔臺車開挖，更能體現直眼掏槽的優勢。

對于直眼掏槽以及楔形掏槽鉆孔爆破法，其使用的三臂鑿巖臺車的性能參數、測量準備工作以及臺車保養方式基本上是相同的，區別在于爆破方案的選擇、炮孔的布置位置以及炮眼所使用的藥量的不同。

3.1 直眼掏槽爆破方案

3.1.1 炮孔布置

根據巖石的主要特性如強度、脆性、密度等，結合以往施工爆破經驗綜合分析：采用五梅花中空直眼掏槽方案較為合理。炮眼布置形式如圖4所示

為降低爆破后產生的灰塵，有效提高工序時間利用率，從孔底向孔口依次按照炸藥→水袋→炮泥進行放置。圖中1段外圈4個φ100炮孔為中空孔，不裝藥，只是起到擴大槽腔的作用。

3.1.2 爆破網絡

周邊眼采用導爆索引爆藥包，由于導爆索具有傳爆方向，在周邊眼孔口沿同一方向并聯導爆索，理論上周邊眼采用導爆索并聯后可由1發毫秒雷管引爆，但是在實際操作過程中，為確保順利引爆，通常周邊眼按5～6個炮孔分區，分別安裝1發毫秒雷管，最后并聯所有毫秒雷管，然后由電雷管引爆。這種方法的優點是節省了毫秒雷管，提高了光爆質量。圖5展示了周邊眼導爆索并聯的施工現場。

3.2 爆破參數的確定

根據前述的爆破理論、相關參數以及相關隧道工程鉆孔爆破技術的經驗，對直言掏槽鉆爆發施工所使用的藥量進行了統計分析，具體的結果見表3。

利用三臂臺車直眼掏槽施工方法，鉆孔數量總計約117個，正常情況循環進尺約3.7米，炮眼利用率93%，開挖總方量約161.81方，使用炸藥總量248.8kg，炸藥單耗1.54kg。

4 技術經濟效益分析

為了進一步體現直眼掏槽爆破施工法在掘進效果及經濟效益方面的優勢，分別對三臂臺車楔形掏槽及直眼掏槽爆破兩種施工方法在炮孔的使用數量、炸藥單耗等方面進行了對比分析，具體指標見表4。

通過表4的分析結果可以看出，楔形掏槽技術與直眼掏槽技術平均循環進尺幾乎相同，但是后者剩余的工期大大縮短，且消耗的炸藥量及導爆管數量都在減少，同時施工成本節約了31%， 可見直眼掏槽工法更能體現三臂鑿巖臺車的開挖優勢。

5 結論

（1）本文以巴玉隧道工程為依托，總結了三臂鑿巖臺車楔形掏槽與直眼掏槽的施工方法，可以看出兩種施工方法所使用的三臂鑿巖臺車的性能參數、測量準備工作以及臺車保養方式基本上是相同的，區別在于爆破方案的選擇、炮孔位置的布置以及炮眼所使用的藥量的不同。

（2）通過三臂鑿巖臺車楔形掏槽與直眼掏槽比較，可以看住直眼掏槽施工方法可以縮短施工周期，減少施工材料的用量，同時施工成本較楔形掏槽施工方法可節約31%，直眼掏槽施工法無論在節約工程成本還是縮短工期方面都是最佳的方案。

（3）直眼掏槽法炮眼布置并不是一成不變的，還是要堅持“巖變我變”思想，隨時根據圍巖變化情況調整爆破參數，以達到理想的爆破效果。

參考文獻：

[1]郝飛.堅硬巖石巷道中深孔掘進爆破實踐[J].煤炭科學技術，2009，37（09）：24-30.

[2]姚建，田冬梅.煤礦巖巷中深孔掘進爆破試驗研究[J].華北科技學院學報，2011，08（01）：26-29.

[3]郭陜云，關于我國海地隧道建設若干工程技術問題的思考[J].隧道建設，2007，27（03）：1-3.

[4]胡偉，蔣成海，鐘浩等.高速公路中硬巖隧道掘進爆破特征研究[J].中南公路工程，2006，31（01）：29-30.

[5]吳煥通，崔永軍.隧道施工及組織管理指南[M].北京：人民交通出版社.

[6]梁戰軍.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.

作者簡介：呂玉松（1979-），男，山東菏澤人，本科，工程師，主要研究方向：鐵路隧道工程研究。