全電腦三臂鑿巖臺車在高鐵軟弱圍巖隧道的開挖技術及主要技術經濟指標分析

郭國鋼

（中鐵一局集團第四工程有限公司，陜西 咸陽 712000）

1 工程概況及隧道圍巖地質情況

鄭萬高速鐵路重慶段干溪溝隧道位于重慶市奉節縣白帝鎮和朱衣鎮轄區內，全長11883m，工期55 個月，單洞雙線布置。輔助坑道采用“1#橫洞+2#橫洞+3#橫洞”的方案，分1#橫洞、2#橫洞、3#橫洞小里程、3#橫洞大里程、出口五個作業面組織施工。

隧道穿越巴東組二段地層，巖性為泥巖夾砂巖，巖層產狀為N28°W ∠11°N（10°），地下水以基巖裂隙水為主，圍巖級別為Ⅳ級，節理較發育，圍巖較破碎。正洞開挖IV 級圍巖段采用臺階法，輔以拱部設置Φ42 小導管和全環型鋼鋼架加強支護。3#橫洞小里程正洞長1800m，以Ⅳ級圍巖為主，為泥巖夾砂巖，相對其他四個口，圍巖整體性略好，少水。開挖斷面158.9m2，上臺階108.9m2，采用2 臺Epiroc 安百拓Boomer XE3C 全電腦三臂臺車，雙機并打進行鉆爆法開挖，下臺階開挖斷面50m2，采用人工風鉆開挖。其他四個工作面因圍巖較差，使用傳統的“人工風鉆+開挖臺架”方式開挖。

2 全電腦臺車開挖鉆爆設計

（1）炮孔布置。隧道爆破施工屬動態調整工序，鉆爆參數根據圍巖變化及時動態修正和動態管理。為減少爆破振動對圍巖的擾動，根據圍巖特點，合理選擇周邊眼間距及周邊眼的最小抵抗線，輔助炮眼交錯均勻布置，周邊炮眼與輔助炮眼眼底在同一垂直面上，采用斜眼掏槽的方式，掏槽眼加深20cm，根據揭露圍巖情況，現場周邊眼間距取45cm，周邊眼最小抵抗線W=55 ～60cm，詳見爆破炮眼布置圖，見圖1。

圖1

（2）爆破參數（圖2）。

(3)爆破器材。主爆藥采用爆炸性能、抗水性能、安全性能較好及環境污染小的2 號巖石乳化炸藥，規格為Φ32mm×250mm。周邊眼采用直徑20mm 低爆速的光爆藥卷。裝藥結構用竹片綁扎，導爆索傳爆，間隔裝藥，根據圍巖情況，對間隔距離和藥量進行調整。

圖2

3 全電腦臺車開挖方式及設備、人員配置

干溪溝隧道3#橫洞小里程正洞Ⅳ圍巖采用大斷面開挖方法施工，上臺階高度9.00m，下臺階高度3.38m,上臺階長度約35 ～45m，下臺階與上臺階同步施工。上臺階采用三臂鑿巖臺車鉆設炮孔，開挖延米量為108.9m3。下臺階采用人工風鉆開挖。

上臺階配置2 臺Epiroc 安百拓Boomer XE3C 全電腦三臂臺車，鉆設掌子面炮孔、超前探孔和系統錨桿孔，裝藥仍然采用開挖臺架人工裝藥。配置了一輛皮卡車，用于運送生活物資、維修配件、人員進出洞等。配備臺車操作手6 人（其中2 名為學員），臺車電工1 名，維保人員2 名，炮工10 名（臺車裝藥兼下臺階風鉆開挖）。

4 全電腦臺車供電、供水及移動棧橋的改進

（1）供電：2 臺全電腦臺車總用電功率為450kW，用70mm2的10kv 高壓電纜進洞，洞內配置630kvA 箱式移動變壓器1 臺，距離掌子面始終保持在200 ～500m，確保末端電壓降不低于5%，即給電腦臺車供電電壓不低于360V；每個臺車供電采用獨立的回路，在移動棧橋近端設兩臺移動配電箱，從箱式變壓器以240mm2的三相五線制銅芯絕緣電纜引入電源，每個配電箱內設1 個800A 的可見觸點漏電斷路器，設兩個630A 的漏電斷路器開關（一用一備）,并設電表一個，用于臺車耗電統計。配電箱至臺車利用臺車電纜卷筒自帶的100m 電纜線，沿移動棧橋欄桿外側鋪設。

（2）供水：全電腦臺車鉆孔時的沖渣水壓不低于8bar，且要求供水充足，否則沖渣不暢臺車會報警并自動停鉆。在洞內距掌子面200 ～500m 處設30m3可移動式水箱1 個，由洞外引入清潔水源蓄于水箱，用22kW 管道加壓泵向臺車水泵供水，供水壓水不小余2bar，管道直徑為100mm,在移動棧橋附近分為兩路直徑50mm 水管,設水閥，裝水表，接入臺車自帶的供水軟管。水箱平時應蓄滿水，水閥可改為聲控或遙控，以節約供水時間。

（3）移動棧橋的改進：全電腦三臂臺車自重48.5t，全長17.36m，左右輪胎最寬處2.93m。原高鐵隧道通用的24m自行式液壓移動棧橋，寬度一般為3.4m，兩端爬梯較陡。因為全電腦臺車較長也較重，在上棧橋和下棧橋時，當臺車重心越過棧橋爬梯頂端，臺車會出現較大的左右晃動，存在安全隱患，棧橋不做改進則不利于臺車快速通過。改進前每次過棧橋需耗時30 ～40min,非常影響鉆爆循環時間,且危險性較大，若指揮、操作稍有不當，則全電腦臺車有可能跌下棧橋，造成重大損失。經多次觀察、現場測量，聯系棧橋廠家，制定了移動棧橋改進方案，將棧橋由3.4m 加寬至4.0m,前后引橋（爬梯）也隨之加寬，兩側各寬出臺車輪胎約50cm，將后引橋長度由5.8m 加長至8.0m,使坡度由14°度降至9°；隨著加寬和加長，棧橋重量隨之增加了3t 左右，液壓泵站、履帶行走裝置、主頂升油缸也隨之加大一級。經以上改進后，臺車過棧橋的時間縮短至10min 以內，大大提高了通行效率和安全性，大幅縮短了鉆爆循環時間。

5 開挖作業流程及時間控制

Ⅳ級圍巖立型鋼拱架，臺車采用T38 鉆桿，?45 鉆頭。

為了對全電腦臺車的使用情況進行跟蹤分析，從挖掘機清完斷面開始，每個鉆爆循環都進行了完整的工作寫實記錄，進行連續的分析，鉆爆作業流程及平均用時如表1。

表1 干溪溝隧道3 號小里程臺車鉆爆作業流程及平均用時

6 主要技術經濟指標統計分析

干溪溝隧道3 號橫洞小里程正洞，從2018 年6 月1 日開始，截至2019 年12 月20 日，兩臺XE3C 全電腦三臂臺車開挖一個掌子面，IV 級圍巖（有拱架）分上下臺階開挖，共完成開挖402 次，19 個月累計進尺1407m，平均月進尺74.05m,平均每循環鉆孔用時2.09 小時（含錨桿孔），每循環進尺3.5m,平均線性超挖22cm，火工品單耗為0.5kg/m3，平均開挖成本115.5 元/m3。其中人工費31.22 元/m3、臺車內租費62.19 元/m3、鉆具消耗2.51 元/m3、配件及潤滑油2.29 元/m3、電 費1.58 元/m3、柴油1.81 元/m3、水費0.39 元/m3、人員生活費及交通車輛費2.29 元/m3，小計104.28 元/m3；火工品消耗11.22 元/m3。實際單耗為：炸藥0.5kg/m3，水78kg/m3,電2.11kwh/m3,柴油0.29kg/m3。

干溪溝隧道3 號橫洞大里程正洞開挖，仍采用人工風鉆的方式，開挖成本為50 元/m3左右。從上表計算中可以看出，臺車設備和人員具備兩個掌子面的開挖能力，但只開挖了小里程的一個掌子面，所以人工費和臺車內部租費居高不下，導致開挖成本較高。比人工風鉆開挖成本高約65.5 元/m3，高131%。

（1）全電腦臺車如果能兼顧兩個掌子面施工，則內租費和人工費減半，分別下降到31.1 元/m3和15.61 元/m3，核算后成本能降低到68.8 元/m3左右。比人工風鉆開挖略高，約18.8 元/m3，高37.6%。

表2

（2）如果臺車按折舊費計算，還是只開挖一個掌子面，則臺車折舊費為24.72 元/m3，核算后開挖成本為78.03 元/m3，比人工風鉆開挖成本高28 元/m3，高56%。

（3）如果全電腦臺車按折舊費計算，同時又兼顧兩個掌子施工，則核算后開挖成本會下降到50.06 元/m3。與人工開挖成本基本持平。對于Ⅳ級軟弱圍巖，這是在不考慮全電腦臺車投資回率或設備創利及大修理能提的情況下，最好的成本情況。

（4）每循環比人工風鉆開挖節約0.5 小時，19 個月402 個循環，累計節約201 小時，即8 天左右。

（5）從計算表中可以看出，因圍巖較軟，臺車鉆具消耗和炸藥單耗相比硬巖較小。一般硬巖條件下，鉆具消耗在6 ～8 元/m3左右，炸藥單耗在1.1 ～1.4kg/m3左右。

7 全電腦三臂鑿巖臺車在高鐵軟弱圍巖隧道的使用分析

（1）技術經濟性及適應性分析：通過以上統計分析得知，全電腦三臂臺車應用于高鐵軟弱圍巖隧道，Ⅳ級大斷面開挖作業，超挖比人工風鉆略大，人工風鉆平均線性超挖為15cm 左右，臺車為22cm 左右；鉆爆循環速度比人工風鉆略快，含錨桿孔時間，每循環快30min 左右；開挖成本較人工風鉆高，如果組織得當，且不考慮設備創利及大修理能提，則與人工風鉆開挖成本持平；安全、環保、勞動強度、社會效益等方面的優勢是人工風鉆無法比擬的。綜合來看，全電腦三臂臺車應用于高鐵軟弱圍巖大斷面開挖作業，是可行的。

（2）存在的問題分析：全電腦三臂臺車雙機并打，應用于高鐵隧道Ⅳ級軟弱圍巖開挖，相比III 級及以上硬巖隧道開挖，其速度優勢、人員減少優勢不明顯，且超挖量較大，開挖和噴砼成本高。問題主要表現在以下方面：一是工作面少，兩臺全電腦臺車只有一個工作面，臺車利用率低造成資源浪費，折舊攤銷等費用較高，成本增加；二是單工序作業，開挖班組獨立于出碴、立架、噴砼、襯砌等班組之外，開挖之外的其他工序有延誤，則循環時間延長，不利于全電腦臺車整體效能的發揮；三是有拱架區段，臺車推進梁固有尺寸沒法改變，拱架輪廓限制了鉆臂外插角的調整，加之臺車鑿巖機的固有超挖，造成臺車超挖較人工開挖大；四是隧道圍巖較差，設計沒有預加固，仍然分上下臺階開挖，未全斷面開挖，受安全步距影響，大機配套難以施展，設備及工序之間干擾大，有時掌子面開挖要停下來等二襯或仰拱施工，臺車快速開挖的優勢得不到發揮，人員也沒有明顯減少；五是人工費尚未出現拐點，國家大機配套開挖定額未修改提高，現階段臺車開挖成本相對人工風鉆開挖較高；六是全電腦臺車購買一次性投入大，臺車配件及鉆具價格高昂，進一步加大了臺車的使用成本；七是由于乳膠炸藥的使用受到限制，鑿巖臺車雖實現了快速打眼，但是，專業的裝藥臺車在我國應用的較少，目前，現場仍使用開挖臺架或拱架安裝臺車來輔助人工裝藥，人員減少受限，且裝藥時間節約不多。

8 全電腦臺車的使用改進措施

（1）改變分包模式，為全電腦臺車等大機配套設備創造全工序施工的條件，應至少將開挖、支護、噴砼、出渣、找頂等工序由一家隧道機械化隊伍來施作，更有利于臺車效能的發揮；隧道全工序由一個專業的機械化隊伍來完成，更有利于工序銜接的緊密，減少內耗，發揮大機配套的優勢，以實現全電腦臺車的快速開挖。

（2）優化施組，一套大機應兼顧兩個掌子面的開挖，大機的折舊、內租費等費用就會攤薄，成本也會隨之降低。

（3）建設單位和施工單位應正視鑿巖臺車對圍巖的適應性問題，在軟弱圍巖沒有采取預加固，形不成全斷面或大斷面開挖的情況下，應正視鑿巖臺車真實的開挖速度和真實的成本，有限度地使用鑿巖臺車開挖。

（4）施工單位要持之以恒地推進光面爆破或控制爆破措施，引入獎懲機制，以減少超挖量，從而降低開挖和噴砼成本。

（5）定額問題、安全步距問題、超挖的認定等問題，施工單位應共同呼吁，促進國家對大機配套定額的修改提高，對軟弱圍巖開挖工藝工法的改進，對超挖有合理的界定。

（6）為節約工序時間，Ⅳ級圍巖區段可合并炮孔與錨桿孔兩個工序同時進行。

（7）應鼓勵改革創新，以降低成本或縮短鉆爆時間。比如，創造性地使用遠程遙控增壓水泵啟停裝置、臺車棱鏡頭遮擋遙控裝置，每個單循環時間可節約15 分鐘左右；臺車進場水電同步到位，在臺車定位時底板眼、輔助眼可提前開鉆，循環時間可節約8 分鐘左右。