公路隧道多臂鑿巖機(jī)與濕噴機(jī)組機(jī)群施工作業(yè)研究

郭 海 斌

(山西路橋再生資源開發(fā)有限公司，山西 太原 030000)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，隧道施工也不斷向智能化方向發(fā)展。通過在某在建隧道采用全電腦多臂鑿巖臺車和濕噴機(jī)組進(jìn)行機(jī)群作業(yè)，對Ⅲ級圍巖段隧道開挖和初期支護(hù)施工技術(shù)進(jìn)行研究。雖然全電腦多臂鑿巖臺車施工成本較高，但施工效率高，且開挖斷面尺寸精度高，可節(jié)約初期支護(hù)成本，與傳統(tǒng)的人工開挖和支護(hù)施工方式相比具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和發(fā)展前景。

1 工程概況

某隧道設(shè)計采用雙向六車道，設(shè)計車速100 km/h，設(shè)計荷載為公路—Ⅰ級。隧道左洞設(shè)計長度為1 360 m，右洞設(shè)計長度為1 364 m。隧道圍巖等級為Ⅲ級～Ⅴ級，其中主要為Ⅲ級圍巖，占隧道總長度的60%以上。隧道進(jìn)口段兩洞凈距為19 m，出口段兩洞凈距為25 m，屬于小凈距隧道。該隧道采用雙向施工，其中右洞Ⅲ級圍巖段采用全電腦多臂鑿巖臺車進(jìn)行開挖，其他部分采用人工鉆爆開挖，濕噴機(jī)組進(jìn)行初期支護(hù)施工。

2 多臂鑿巖臺車隧道鉆爆開挖設(shè)計與施工

2.1 隧道開挖鉆爆設(shè)計方法

全電腦多臂鑿巖臺車采用Sandivik iSure軟件進(jìn)行鉆爆設(shè)計，施工前根據(jù)設(shè)計圖紙，對隧道斷面數(shù)據(jù)、激光數(shù)據(jù)、隧道曲線設(shè)計等資料進(jìn)行收集。鉆爆計步驟如下：

1)新建工程，填寫系統(tǒng)文件資料，輸入工程數(shù)據(jù)，并根據(jù)激光數(shù)據(jù)建立鉆爆設(shè)計坐標(biāo)系。

2)結(jié)合設(shè)計資料確定鉆孔位置。根據(jù)循環(huán)進(jìn)尺、鉆爆材料等指標(biāo)自動計算確定鉆孔位置，各類鉆孔的確定順序依次為周邊孔、輔助眼、掏槽眼，并顯示鉆爆爆破效果圖，如圖1所示。根據(jù)爆破的效果區(qū)域調(diào)整開挖斷面炮眼的位置和數(shù)量，并通過調(diào)整隧道爆破材料調(diào)整爆破效果。

3)鉆孔方向的確定。根據(jù)爆破底層孔位的位置關(guān)系確定鉆孔方向，首先鉆周邊輪廓眼，其次為輔助眼，最后為掏槽眼。炮眼鉆孔方向如圖2所示。

4)多臂鑿巖臺車鉆孔順序和鉆臂旋轉(zhuǎn)角度確定。鉆孔數(shù)量根據(jù)鉆臂的數(shù)量確定，重點考慮設(shè)備尺寸、鉆孔作業(yè)范圍、作業(yè)盲區(qū)等參數(shù)。根據(jù)圍巖情況和炮眼分布情況合理確定各個鉆臂的鉆孔數(shù)量，也可人工調(diào)整鉆孔順序。

5)爆破順序確定。起爆順序是通過炸藥的參數(shù)來確定的，首先進(jìn)行掏槽眼起爆，然后根據(jù)石渣掉落方向自下而上對稱起爆，以充分發(fā)揮爆破效果。

2.2 洞身開挖

1)機(jī)械準(zhǔn)備。

鉆孔設(shè)備選用1臺DTi全電腦多臂鑿巖臺車，1臺多功能臺架配合人工裝藥。出渣方式采用無軌運(yùn)輸方式，進(jìn)出口4個工作面各配置1臺裝載機(jī)、1臺挖掘機(jī)，共配置7輛自卸汽車出渣。

2)人員準(zhǔn)備。

配置兩個操作班組對DTi全電腦多臂鑿巖臺車進(jìn)行操作，裝藥設(shè)一個班組，測量、維修、輔助班組各設(shè)一個，每個工作面配置兩名管理人員。

3)材料準(zhǔn)備。

按施工要求配備機(jī)械燃油、炸藥、雷管等材料，并分類管理，保證安全。

4)鉆孔施工。

根據(jù)炮眼類型、鉆孔順序、孔徑、傾角等鉆孔參數(shù)進(jìn)行鉆孔施工，該隧道Ⅲ級圍巖施工區(qū)域全斷面開挖炮眼布置如圖3所示。

劃分區(qū)域，將同一傾角的炮眼劃為一組，使用同一鉆臂完成鉆孔。根據(jù)臺車鉆臂的施工任務(wù)，對每一個鉆孔定位后進(jìn)行鉆孔施工，并按順序依次完成鉆孔作業(yè)。鉆臂由操作臺內(nèi)的電腦控制，可根據(jù)需要調(diào)整鉆孔參數(shù)。鉆孔過程中，可以根據(jù)實際情況調(diào)整鉆臂的鉆孔任務(wù)，進(jìn)行動態(tài)管理。

3 隧道洞身初期支護(hù)濕噴機(jī)組施工工藝

3.1 濕噴機(jī)群組建

隧道初期支護(hù)采用濕噴機(jī)組完成，濕噴機(jī)群主要有攪拌站、混凝土攪拌運(yùn)輸車和濕噴機(jī)組成。其中攪拌站選擇在靠近工地現(xiàn)場，方便運(yùn)輸材料的洞口附近選址建設(shè)。水泥混凝土攪拌設(shè)備的生產(chǎn)能力應(yīng)能滿足濕噴施工的要求，現(xiàn)場配備2臺水泥混凝土攪拌運(yùn)輸車，保證連續(xù)施工。混凝土施工采用1臺中聯(lián)CIFA-CSS3混凝土噴射機(jī)的濕噴機(jī)組，作業(yè)半徑大，上下轉(zhuǎn)臺可實現(xiàn)180°轉(zhuǎn)動，可以控制噴射距離，降低回彈。

3.2 隧道初期支護(hù)設(shè)計

該隧道Ⅲ級圍巖段襯砌支護(hù)設(shè)計采用錨桿鋼筋網(wǎng)噴射混凝土支護(hù)，錨桿采用3.5 m藥卷錨桿，間距為0.5 m×1.0 m，鋼筋網(wǎng)采用φ8，200 mm×200 mm雙層鋼筋網(wǎng)。

3.3 濕噴施工工藝

在Ⅲ級、Ⅳ級深埋圍巖狀態(tài)較好區(qū)域，濕噴工藝分為初噴和復(fù)噴兩步。初噴是在開挖后進(jìn)行，主要是為了防止圍巖剝落，封閉圍巖孔隙，防止風(fēng)化，厚度一般為4 cm～6 cm。復(fù)噴是在初噴混凝土初凝后進(jìn)行，噴射過程中注意填充鋼筋網(wǎng)與圍巖之間的空隙，并保證鋼筋保護(hù)層厚度，厚度通常為8 cm左右。如果復(fù)噴后仍然有部分區(qū)域存在凹坑，還需要進(jìn)行補(bǔ)噴。

4 成本分析

4.1 開挖施工成本分析

該隧道采用兩種方法進(jìn)行開挖施工，方法一采用全電腦多臂鑿巖臺車進(jìn)行洞身開挖，方法二采用風(fēng)動鑿巖機(jī)開挖。為了確定全電腦多臂鑿巖臺車與濕噴機(jī)組機(jī)群作業(yè)的經(jīng)濟(jì)性，在Ⅲ級圍巖區(qū)域建立試驗段，對二者開挖成本進(jìn)行對比分析。開挖施工成本主要包括鉆爆和出渣運(yùn)輸費用，本部分重點闡述機(jī)械使用費計算，計算結(jié)果如下：

1)人工費。

綜合考慮兩種方法所需的工種及各工種人數(shù)，得出全電腦多臂鑿巖臺車開挖人工綜合單價4.7元/m3，風(fēng)動鑿巖機(jī)開挖人工綜合單價為12.68元/m3。

2)材料使用費。

材料使用費主要是爆破器材的使用，包括炸藥、雷管、導(dǎo)爆索等。計算得出方法一和方法二開挖材料費分別為15.98元/m3和11.18元/m3。

3)機(jī)械使用費。

a.方法一。

全電腦多臂鑿巖臺車造價高，使用費用主要是每臺班折舊費。設(shè)計臺車使用壽命8年，殘值率為5%，計算確定時間價值系數(shù)為1.36。按每天工作1.5臺班，年工作時間為300 d計算，確定1臺全電腦多臂鑿巖臺車的耐用總臺班為3 600臺班。臺車總造價為1 100萬元，計算可得出臺班折舊費=11 000 000×(1-5%)×(1.36/3 600)=3 948元/臺班。按平均每臺班平均進(jìn)尺3.69 m計算，每方開挖單價為4 307/(128×3.69)=8.36元/m3。另外，機(jī)械費用還要考慮鉆頭損壞、電力消耗、運(yùn)輸車輛折舊等各類費用，綜合考慮確定開挖綜合單價為28.64元/m3。

b.方法二。

采用風(fēng)動鑿巖機(jī)進(jìn)行開挖的機(jī)械使用費用主要包括風(fēng)動鑿巖機(jī)、空壓機(jī)和運(yùn)輸機(jī)械使用費、折舊費，還要考慮電費、鉆頭損耗、風(fēng)管、臺架等配套設(shè)施的使用費用。綜合各類開挖、出渣機(jī)械使用費確定采用風(fēng)動鑿巖機(jī)開挖單價為10.28元/m3。

4)開挖總成本計算。

按開挖成本的5%計算管理費用，綜合各類費用確定采用兩種開挖方法的總成本如表1所示。

表1 兩種方法開挖施工總成本統(tǒng)計表 元/m3

由于全電腦多臂鑿巖臺車造價較高，對應(yīng)的機(jī)械使用費用較高，雖然在其他方面優(yōu)勢比較明顯，但總成本仍略高于風(fēng)動鑿巖機(jī)開挖法。但方法一可有效減少人力消耗，提高機(jī)械化程度和施工質(zhì)量，這種方法每延米開挖成本為：73.37×128×1=9 391.36元。風(fēng)動鑿巖機(jī)開挖機(jī)械成本較低，但需要消耗大量的人力，該方法每延米開挖成本為：65.91×128×1=8 436.48元。

4.2 噴射混凝土成本分析

通過對濕噴機(jī)組現(xiàn)場施工情況進(jìn)行統(tǒng)計，Ⅲ級圍巖區(qū)域濕噴機(jī)組生產(chǎn)能力為12.42 m/h，每循環(huán)平均進(jìn)尺5 m，噴射混凝土施工3.5 h，得出每延米濕噴作業(yè)成本為：3.5/5×12.42×513.22=4 461.93元。

4.3 開挖支護(hù)總成本分析

結(jié)合以上對開挖和噴射混凝土施工成本的計算結(jié)果，得出隧道每延米開挖支護(hù)總成本。采用全電腦多臂鑿巖臺車和濕噴機(jī)組機(jī)群作業(yè)總成本為：開挖成本總成本(9 378.56)+支護(hù)成本(4 461.93)=13 853.29元；采用風(fēng)動鑿巖臺車和濕噴機(jī)組組合作業(yè)施工總成本為：開挖成本總成本(8 436.48)+支護(hù)成本(4 461.93)=12 898.41元。

5 結(jié)語

結(jié)合隧道施工項目對全電腦多臂鑿巖臺車開挖，采用濕噴機(jī)組進(jìn)行初期支護(hù)施工進(jìn)行研究，并與風(fēng)動鑿巖機(jī)開挖方式進(jìn)行對比分析，得出以下結(jié)論：

1)全電腦多臂鑿巖臺車開挖可提高施工精度，減少超欠挖，節(jié)約初期支護(hù)施工成本，提高施工效率；

2)通過對兩種開挖方法開挖支護(hù)成本進(jìn)行分析，得出采用全電腦多臂鑿巖臺車開挖成本略高于風(fēng)動鑿巖機(jī)開挖，這是由于機(jī)械成本較高造成的。但是這種開挖方法施工精度高、可有效減少工人的勞動強(qiáng)度、機(jī)械化程度高，通過進(jìn)一步優(yōu)化開挖斷面設(shè)計方案、開展智能化鉆孔，可進(jìn)一步降低成本，說明全電腦多臂鑿巖臺車開挖法具有良好的發(fā)展前景。