重慶甘悅達到渝北段公路隧道單臂鑿巖臺車施工應用研究

武浩浩

（徐州華清京昆能源有限公司，江蘇 徐州221001）

在非煤礦山巷道掘進施工中，以鑿巖臺車為主的機械化配套施工工藝以其對環境污染少、安全系數高、相對成本低、消耗能量少等優勢，比傳統的隧道施工工藝有著顯著的優勢，可有效地改善以往巷道施工存在的弊端，是在中小型礦山已經廣泛推廣的施工設備和工藝。[1]單臂鑿巖臺車尤其適用于非煤礦山小型巷道鉆爆法施工。重慶甘悅大道地質條件復雜，圍巖強度低，鉆孔直徑和孔深大，使單臂鑿巖臺車施工時的鉆具損耗非常大。

1 工程概況

重慶甘悅大道渝北段公路隧道設計為雙向四車道，斷面形狀如圖1 所示，項目總長2450m，隧道端面面積140m2-150m2，寬17.5m，高12.688m。隧道圍巖巖性主要為砂巖、砂質泥巖，地質條件復雜，包括斷層破碎帶、高巖爆風險、所在地區氣候濕潤多水，圍巖等級為Ⅳ級。

圖1 隧道下穿機場高速斷面圖

隧道前150m 需穿越機場高速，為控制風險源，不允許鉆爆法施工，項目擬采用雙側壁導坑法CRD 施工。雙側壁施工作業順序為：（1）左側壁導坑上臺階開挖初支及臨時支護（安裝鋼拱架、掛鋼筋網、安裝錨桿、噴混凝土）→（2）左側壁導坑下臺階開挖初支及臨時支護→（3）右側壁導坑上臺階開挖初支及臨時支護→（4）右側壁導坑下臺階開挖初支臨時支護→（5）核心土上臺階開挖及初支→（6）核心土中臺階開挖→（7）核心土下臺階開挖初支→（8）澆筑主洞仰拱及回填→（9）敷設防水板，模筑二次襯砌混凝土[2]。開挖順序如圖2 所示。

圖2 雙側壁導坑法施工順序圖

開挖過程為：采用全站儀進行測量放線，測量人員確定直掏孔布置方位，如圖3 所示。單臂鑿巖臺車鉆直掏孔（直徑Φ89mm，鉆深3m）；鉆孔完成后，由于隧道上方為機場高速路，對振動、沖擊要求嚴格，不允許爆破作業，故采用液壓劈裂機劈塊插入直掏孔，破碎圍巖；用挖掘機將破碎圍巖進一步擊碎后裝車運走。

2 單臂鑿巖臺車應用情況

單臂鑿巖臺車整機采用直控式鉆進系統，具有沖擊/定位、回轉和緩沖功能，鉆孔時定位要直接、快速、準確。鉆臂具有全方位平行保持功能。四輪驅動，全液壓轉向并能實現緊急制動功能。主要適用于小直徑Φ48 爆破孔作業。重慶甘悅大道渝北段隧道項目采用了Φ89 深3m 大直徑大鉆深[3]。增大鉆孔直徑，導致鉆頭沖擊圍巖面積增大，施工初期出現了鉆具損耗過大，卡釬、鑿巖機頻繁損壞，電機功率不足等問題。由于設備與實際工況不匹配及保養意識單薄等問題，導致單臂鑿巖臺車故障率達到兩班一次，需對鑿巖臺車鑿巖機、鉆桿及整機液壓系統進行整改[4]。

2.1 鑿巖臺車技術改進

更換大功率鑿巖機、增加鑿巖機振動頻率，降低單次沖擊力。鉆桿螺紋磨損較快。每根鉆桿使用壽命約為600-700 鉆米。造成磨損較快的原因是鉆桿螺紋R32 較細，與直徑89 的鉆頭不匹配。將T38 螺紋以增加鉆桿鉆米數。選擇與配套T38 螺紋的鉆頭試驗。更換大功率電機，升級主回路，增強管路保護功能，增加水沖洗流量，降低了鑿巖機施工過程的沖擊作用力，提高了管路耐磨強度，降低了鉆具施工時產生的高溫損耗，提高鉆具使用壽命。

2.2 施工管理模式改進

聘用專業操作機手施工，并在施工前對設備技術性能和注意事項進行培訓；制定操作、保養、維護、交班檢查標準，強制執行日、周、月度保養維護內容；定期召開施工工況及設備使用情況分析會，根據圍巖變化對設備使用參數進行實施調整。

2.3 鑿巖臺車整改后施工應用情況

經過整改，采用鑿巖臺車鉆孔，每日臺班數三班，每班工作時間4 小時，鉆孔數量40 個，單孔完成時間2min，鑿巖機鉆孔速度＞1.5m/min，鉆孔深度3.1m，劈裂進尺3.2m，劈裂方量136m3。巷道掘進進度每日3m/min，設備故障頻率由原來的兩班一次降至1 月一次。改進后的超欠挖變化如圖3 所示。可見超欠挖由最初的15cm 以上降至12cm 以下[3]，滿足客戶需求。

圖3 超欠挖值統計表

3 鑿巖臺車施工成本核算

單臂鑿巖臺車按要求完成周期5 個月的施工量，月進尺30m，共計開挖方量為42000m3。施工成本主要包括設備維保配件更換費用、油耗、電耗、水耗、鉆具消耗、設備折舊及人工成本。經與人工鉆孔經濟性比較，從單次循環的開挖進尺上看，采用鑿巖臺車掘進比人工開挖進尺要高1.1 米左右。就理論而言(出渣較為正常)，每天鑿巖臺車的掘進進度要高出3.3 米左右，每月則比人工開挖多掘進90 米以上。這樣不僅可以將施工工期提前4 個月，而且每個月還可節省掉各種辦公管理費用，總計的節省費用可達50 萬元以上，如表1 所示。為客戶節約成本20.5%，由于采用機械化施工，危險作業面人數大大減少，施工安全問題得到解決，提高了施工單位的社會效益。

表1 鑿巖臺車施工與人工施工經濟性對比

4 結論

通過對重慶甘悅達到渝北段隧道單臂鑿巖臺車施工過程的應用可知：單臂鑿巖臺車在雙側壁導坑法開發隧道的過程中存在一系列不適用當前工況的問題，經過對液壓、電氣、鑿巖機、鉆臂、管路布置等內容的改進，使設備在技術上滿足了大直徑深孔鉆進的需求；又通過全面的設備應用、維護及備件管理方案的應用保障了設備施工過程中核心部件的安全性和可靠性，采用單臂鑿巖臺車開挖隧道，在經濟性、安全性上都比人工加小型風鉆施工有較大的優勢，為單臂鑿巖臺車進一步應用于小型地下通道的施工應用提供了參考。