高速鐵路隧道三臂鑿巖臺車實用性研究

李東華

（中鐵三局集團有限公司貴南項目部，貴州 黔南 558000）

在礦山法施工的隧道，因開挖引起的施工成本占隧道的32%，因此控制隧道超挖、降低隧道開挖用工數量成為降低成本的主要方向。目前，國鐵集團推廣的隧道機械化成套技術優先選用液壓鑿巖臺車取代傳統的多功能臺架配風動鑿巖機鉆孔工法，旨在解決隧道鉆爆發開挖工效、開挖質量安全的問題。

1 工程概況

斗篷山三號隧道位于貴州省貴定縣—都勻東車站區間，設計時速350km，單洞雙線，進口里程DK53+320，出口里程DK58+255，全長4935m。其中，Ⅳ級圍巖長度4445m，占隧道總長的90.1%；Ⅴ級圍巖長度406m，占隧道總長的8.2%，隧道進口為29m加強型單壓式明洞，洞門采用加強型單壓式明洞門。隧道出口為55m路塹式明洞，洞門采用路塹式明洞門。隧道地質為石英砂巖夾頁巖偶夾赤鐵礦地層，巖溶弱發育，巖溶水弱發育，洞內巖層較緩，巖質軟硬不均，巖體較破碎、節理裂隙發育，完整性較差，自穩能力較差。本隧道襯砌形式為曲墻式，開挖斷面147m2。隧道機械化配置中等強度，即配置自動走行全幅模板仰拱棧橋、多窗澆筑自動布料臺車、多功能錨桿鉆機、三臂鑿巖臺車。

2 三臂鑿巖臺車基本工況

2.1 臺車基本功能

國內常見的鑿巖鉆孔臺車有瑞典阿特拉斯、山特維克、古河等設備。在斗篷山三號隧道進、出口施工中采用的是山特維克公司生產的新型DT1231i三臂鑿巖臺車，具備行鉆爆孔、錨桿孔、鎖腳孔、掏槽孔、超前水平鉆孔、管棚鉆孔等作業。車操作員配備3人、主車司機1人、副司機2人、雜工1人。可1人或者3人同時操作，操作效率高，人工干預方便，且可在自動與手動之間隨意快速切換。

專利嵌入式加裝ISURE電腦控制系統，具備電腦臺車功能，手動按電腦布孔圖指引進行定位與全電腦臺車一樣；電腦控制全自動鉆孔，可對深度、角度和孔位達到與全電腦臺車一樣的控制效果。

臺車控制系統與電腦系統獨立運行，當電腦系統出現故障時，可當普通臺車繼續正常使用，適合當前對爆破效果不能完美控制，在周邊孔鉆孔時可能需要較多人為干預的施工環境。

2.2 臺車作業段落的圍巖巖性

臺車作業的段落的圍巖巖性為石英砂巖夾灰巖、頁巖，偶夾赤鐵礦。巖體破碎程度較高，節理裂隙發育，圍巖完整性及穩定性較差。差異風化較嚴重，下伏基巖風化層厚度較大，厚5～18m不等。隧道出口代表性巖層產狀為N30°E/12°SE，巖層走向和線路的交角為56°，巖層層面在線路方向的視傾角為10°，隧道出口仰坡順層。洞身穿過泥盆系中統雞泡段（D2d1+2）砂巖、石英砂巖夾頁巖、赤鐵礦地層，巖溶弱發育，巖溶水弱發育，巖層較緩；巖質軟硬不均，巖體較破碎，完整性差；頁巖質軟，開挖揭示后易風化崩解，遇水易軟化，多發育小型節理密集帶，圍巖完整性及穩定性較差。

2.3 臺車作業的工效

貴南高鐵斗篷山三號雙線隧道中三臂鑿巖臺車開挖上臺階斷面面積為88.2m2，開挖寬度15.9m。從測量放樣到起爆約4～5h，一般循環進尺可達3.3m，圍巖較好時循環進尺可達3.5～4m，鉆進速度平均2～3m/min，比多功能臺架鉆爆施工工效可提高60%～70%。在Ⅳ、V級圍巖中，隧道施工平均進尺達到80m以上。各月進展詳細見表1。

表1 隧道工效統計 單位：m

3 三臂鑿巖臺車作業控制要點

3.1 三鑿巖臺車鉆孔步序

三臂鑿巖臺座作業步序流程圖見圖1。

圖1 三臂鑿巖臺座作業步序流程圖

3.2 鉆爆超挖控制

（1）面爆破控制的關鍵在于周邊眼的間距、角度、裝藥量三個因素，其中角度控制是長期困擾三臂鑿巖臺車的難點。周邊眼角度最好與隧道中線平行，因此必須盡量保證鉆桿與隧道中線平行。要保證鉆桿平行就要促使臺車推進梁盡量靠近隧道開挖輪廓線，但是本隧道IVa級初支厚度達到25cm，每循環開挖2.8m，理論最少超挖25cm。為徹底解決超挖問題，必須控制初期支護端頭至開挖面的步距，促使推進梁密貼至開挖輪廓線。本臺車推進梁長5m，施工空間至少3m，因此開挖面至初期支護端頭步距控制在8m為宜。經過多次測試，目前我項目超挖基本控制在5～10cm。

（2）每循環開挖斷面數據和爆破數據需要根據現場實際圍巖情況進行調整，并將數據輸入ISURE電腦控制系統。

（3）欠挖部分、周邊眼、上臺階、下臺階、鎖腳、錨桿施工，必須人工干預調整，不能完全依靠設備自動系統施工。

4 三臂鑿巖機運用優勢

4.1 工藝技術對比

鑿巖臺車成孔速度快，巖性較硬時，相對于常規鉆孔速度更快；成孔孔徑較大時，增加了清孔、裝藥的便捷性，提高了該工序的工效；機組作業人員勞動強度低，噪聲小，掌子面的視線較好；安全性能較高，掌子面作業人員由14人降低至3人，且臺車配置了固定的作業平臺和防護，可有效防止落石傷人。

4.2 適用條件對比

三臂鑿巖臺車在斗篷山三號隧道的施工實踐證明，與人工手持風鉆對比，三臂鑿巖臺車主要適用于兩臺階或者全斷面開挖，不適合三臺階、三臺階七步、CRD等復雜開挖工法施工。適應隧道主要為Ⅲ、Ⅳ圍巖的施工，具備一機多能、安全高效的優勢。

4.3 施工用途對比

三臂鑿巖臺車相對普通風動鑿巖機，可額外進行超前水平鉆施工，無須再購置水平鉆設備，也可以進行大管棚鉆孔施工，無須購置管棚鉆機，實現一機多能多用途作業，節約機械施工成本。

4.4 工作效率對比

通過兩座圍巖等級和開挖工法相近的隧道對比，使用5個月的數據分析三臂鑿巖臺車上臺階每循環鉆孔時間為4.1～4.5h，循環進尺為3.6～3.8m，月進尺90～95m。普通風動鑿巖機鉆孔上臺階每循環鉆孔時間為3～3.5h，循環進尺為3.6～3.8m，進尺100～110m/月。

4.5 經濟分析

通過5個月的數據分析，三臂鑿巖臺車平均每月進尺90～95m，其中三臂鑿巖臺車人工需要7人，每月工資平均7500元。普通風動鑿巖機鉆孔平均每月進尺100～110m，人工需要19人，每月工資平均12000元。成本分析對比表見表2。

表2 成本分析對比表

通過以上對比可知，三臂鑿巖臺車施工成本比傳統風動鑿巖機高114元/m，但加入能節約的機械成本水平鉆23元/m、管棚施工50×23=1150元/m，并考慮隧道施工風險每2000m出現一例人員傷亡事故損失約120萬元，總計三臂鑿巖臺車每2000m可節約成本為 1200000+2000×23+23×50×2×35-（114×2000）=1098500元，合計節省549.25元/m。

5 結論

以目前三臂鑿巖臺車的實際使用情況來看，其工藝、適用條件、施工用途、經濟性都優于普通風動鑿巖機，但是還是存在以下三點不足需要進一步改進和完善。

（1）目前三臂鑿巖臺車還不能真正意義上實現機械自動化，需要人工干預的場景達到60%以上，建議增加AI智能斷面識別，根據斷面超欠挖的數據自動調整鉆孔角度和間距，達到控制欠挖的目的。

（2）為控制超欠挖，目前需要初期支護端至開挖面需要8m的步距。此8m只能進行簡單初噴，對于V級較破碎的圍巖，存在較大安全隱患。建議縮小推進梁長度，縮短施工步距。

（3）開挖作為隧道施工風險最大的工序，減少人員施工數量是控制風險成本最直接和有效的手段，建議在三臂上增加自動裝藥裝置，形成從鉆眼到裝藥一體化作業施工，提高機械化施工水平。