新型三臂鑿巖臺(tái)車在特長(zhǎng)山嶺隧道開挖中的應(yīng)用★

林廣東，何 軍，申小軍，王樹民

(中交一公局集團(tuán)有限公司,北京 100102)

1 概述

公路及鐵路隧道施工地質(zhì)環(huán)境大多為巖層，巖體掘進(jìn)技術(shù)至關(guān)重要。以鉆爆法為代表的掩體掘進(jìn)技術(shù)在山嶺隧道開挖中得到了廣泛應(yīng)用。鉆爆法主要分為人工和鑿巖機(jī)施工兩種。目前為止我國(guó)仍有一部分隧道工程仍采用氣動(dòng)鑿巖機(jī)鉆孔等人工法施工[1]，施工風(fēng)險(xiǎn)性較大同時(shí)一定程度上延長(zhǎng)了隧道的建設(shè)周期。對(duì)于特長(zhǎng)山嶺隧道建設(shè)而言，鑿巖臺(tái)車已逐漸成為鉆爆法必備的工程裝備。我國(guó)在20世紀(jì)70年代開始引進(jìn)國(guó)外鑿巖臺(tái)車用于隧道施工，自2000年由長(zhǎng)沙山河智能公司首次報(bào)道研發(fā)出鑿巖臺(tái)車至今20年間，我國(guó)鑿巖臺(tái)車產(chǎn)品得到了快速的發(fā)展，初步統(tǒng)計(jì)國(guó)內(nèi)已有十余家企業(yè)具備生產(chǎn)鑿巖臺(tái)車的能力[2]。目前對(duì)鑿巖臺(tái)車施工工藝研究正在逐步深入，臧萬軍[3]依托雅瀘高速公路大相嶺隧道工程，研究了鑿巖臺(tái)車在Ⅲ級(jí)～Ⅴ級(jí)圍巖中的施工工藝及工程效果，同時(shí)從各方面與傳統(tǒng)風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī)進(jìn)行了對(duì)比分析，闡明了鑿巖臺(tái)車在特長(zhǎng)山嶺隧道施工中的優(yōu)勢(shì)。吳連雄等[4]結(jié)合廣州蘿峰隧道工程對(duì)鑿巖臺(tái)車和手持風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)做了較系統(tǒng)的總結(jié)，并給出了兩種施工方法的使用范圍。金明等[5]結(jié)合鄭萬高鐵小三峽隧道工程指出施工數(shù)據(jù)顯示鑿巖臺(tái)車平均線性超挖較風(fēng)鉆鉆爆大，這一點(diǎn)與理論分析相反，可通過加強(qiáng)管理來優(yōu)化。

目前有關(guān)鑿巖臺(tái)車在軟巖和硬巖兩類地質(zhì)條件中的應(yīng)用研究正在逐步深入[6-9]，目的就是讓機(jī)械化施工裝備更充分地發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)。本文依托實(shí)際工程從適用性、安全性、環(huán)保性和經(jīng)濟(jì)性等多角度全面分析鑿巖臺(tái)車在特長(zhǎng)隧道施工中的優(yōu)勢(shì)。

2 新型三臂鑿巖臺(tái)車施工

2.1 工程概況

伏牛山特長(zhǎng)公路隧道位于欒川縣廟子鎮(zhèn)附近，地屬伏牛山系，橫跨黃河長(zhǎng)江分水嶺。海拔高程在850 m～1 500 m，山勢(shì)陡峭，河谷縱橫，進(jìn)口交通條件較差，出口交通條件較好。伏牛山隧道左線起訖樁號(hào)ZK82+408～K91+569，全長(zhǎng)9 161 m，右線起訖樁號(hào)K82+363～K91+546，全長(zhǎng)9 183 m，圍巖主要以Ⅲ級(jí)微風(fēng)化花崗巖為主。該工程工期較緊，同時(shí)施工難度大，是整條公路的關(guān)鍵線路之一。

伏牛山隧道按照新奧法原理施工，對(duì)于Ⅳ級(jí)，Ⅴ級(jí)圍巖采用臺(tái)階法開挖，Ⅲ級(jí)圍巖采用全斷面開挖法施工。伏牛山隧道出口工區(qū)全長(zhǎng)4 826 m，前期圍巖狀況較差為強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，該部分采用人工開挖。中后期大部圍巖以Ⅲ級(jí)微風(fēng)化花崗巖為主，采用全斷面方法進(jìn)行開挖，引入三臂鑿巖臺(tái)車施工。

2.2 TZ3A型臺(tái)車技術(shù)參數(shù)

伏牛山隧道項(xiàng)目出口段采用徐工集團(tuán)自主研發(fā)的新型三臂鑿巖臺(tái)車TZ3A(見圖1)，共引入該型號(hào)臺(tái)車3臺(tái)，左右線隧道各一臺(tái)，備用一臺(tái)。表1給出了TZ3A型鑿巖臺(tái)車的詳細(xì)參數(shù)。

表1 TZ3A三臂臺(tái)車技術(shù)參數(shù)

2.3 施工工藝及控制要點(diǎn)

根據(jù)新奧法施工的基本原理，本工程引進(jìn)了徐工研制的TZ3A(200 kW)三臂鑿巖臺(tái)車進(jìn)行隧道開挖作業(yè)。采用全斷面開挖法施工，基于光面爆破技術(shù)將隧道斷面一次成型。根據(jù)施工過程中地質(zhì)條件的變化，及時(shí)調(diào)整爆破參數(shù)，使得三臂鑿巖臺(tái)車發(fā)揮最大工效，提高光面爆破的作業(yè)質(zhì)量和作業(yè)效率。

三臂鑿巖臺(tái)車施工工藝流程如圖2所示。

1)臺(tái)車就位。

Ⅲ級(jí)圍巖中隧道采用全斷面開挖，斷面面積為100 m2，臺(tái)車在隧道中線位置即可。

2)測(cè)量放線。

圖3給出了全斷面開挖的炮眼布置情況。采用全站儀進(jìn)行測(cè)量放線，測(cè)量前視人員利用鑿巖臺(tái)車中間的云梯臺(tái)架，用紅油漆畫出周邊眼孔位。測(cè)量按照輪廓線程序?qū)㈤_挖的周邊眼孔位畫出，整體孔位應(yīng)呈一條圓滑的弧線，同時(shí)將邊墻2 m高的拱部和邊墻分界點(diǎn)(曲墻應(yīng)畫出起拱點(diǎn)、邊墻弧度分界點(diǎn))畫出。輔助眼施工時(shí)需在放樣周邊眼過程中利用固尺畫出周邊眼輪廓線，炮眼間距45 cm。為控制周邊眼鉆進(jìn)角度和坡度兩個(gè)重點(diǎn)方面，應(yīng)由掌子面向后方畫出5條坡度控制線中心線1條、拱肩和邊墻的坡度線4條(拱肩2條——起拱線標(biāo)高/坑底標(biāo)高+2 m、邊墻2條/邊墻高度2 m)，同時(shí)在下方放出中心位置。掌子面的掏槽眼、擴(kuò)大眼、抬炮眼等由現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)員在臺(tái)車定位后，根據(jù)測(cè)量放置的中心線和高度嚴(yán)格布孔，布孔必須標(biāo)準(zhǔn)，嚴(yán)禁未布孔開鉆施工。超欠挖應(yīng)在每一循環(huán)進(jìn)行測(cè)量，并在巖面標(biāo)出超欠挖值。由測(cè)量人員在掌子面后方1 m處放置里程線，并在開挖巖面環(huán)向畫出一條里程線，以便鑿巖臺(tái)車操作手參照控制鉆孔鉆進(jìn)的深度。

3)臺(tái)車鉆眼。

臺(tái)車就位后，按照底板眼、周邊眼、輔助眼、掏槽眼的順序施工。

a.底板眼施工。為了防止鉆眼時(shí)頂部圍巖掉落至底板，因此首先進(jìn)行底板眼施工，底板眼施工結(jié)束后用橡膠管堵塞，防止碎石掉入。

b.周邊眼施工。根據(jù)測(cè)量放線位置設(shè)置施工周邊眼，調(diào)整機(jī)械臂靠近隧道側(cè)壁巖層，調(diào)節(jié)推進(jìn)器使之與隧道中線平行以避免鉆桿外插角度過大產(chǎn)生的超挖現(xiàn)象。對(duì)于圍巖狀況較差的地層，鉆桿鉆眼過程中極易偏離原有方向造成較嚴(yán)重的超挖現(xiàn)象，因此要嚴(yán)格控制鉆孔速率。為控制周邊眼的鉆進(jìn)角度和坡度，現(xiàn)場(chǎng)采用的具體做法是由掌子面向后方畫出5條坡度控制線中心線1條、拱肩和邊墻的坡度線4條(拱肩2條——起拱線標(biāo)高/坑底標(biāo)高+2 m、邊墻2條/邊墻高度2 m)，同時(shí)在下方放出中心位置。

c.輔助眼施工。輔助眼以隧道中線為軸對(duì)稱布置，圍繞掏槽眼向四周均勻擴(kuò)散，傳遞并擴(kuò)大爆破效果。

d.掏槽眼施工。掏槽眼間距為45 cm，采用楔形水平鉆孔，操作手根據(jù)炮眼布置圖進(jìn)行掏槽眼定位。兩個(gè)臂同時(shí)開鉆，相互配合，控制好鉆眼角度和深度，鉆眼位置基本對(duì)稱，符合爆破設(shè)計(jì)。

3 新型三臂鑿巖臺(tái)車開挖過程中優(yōu)勢(shì)分析

3.1 適用范圍對(duì)比

三臂鑿巖臺(tái)車適用于特大公路及鐵路隧道的Ⅲ級(jí)、Ⅳ級(jí)及部分Ⅴ級(jí)圍巖地層，開挖斷面不宜過小，適用于90 m2～130 m2的隧道斷面開挖。人工風(fēng)鉆開挖由于不受設(shè)備體積的制約，幾乎適用于任何可進(jìn)行鉆爆法施工的圍巖。

3.2 施工質(zhì)量對(duì)比

鑿巖臺(tái)車的鉆桿一旦定位后，鉆桿即可按照固定的角度推進(jìn)，這與人工控制鉆桿推進(jìn)相比，可明顯提高鉆孔質(zhì)量從而減少超挖量。圖4為三臂鑿巖臺(tái)車的光面爆破效果，表2給出了臺(tái)車施工及人工開挖的超挖量數(shù)據(jù)，可以看出三臂鑿巖臺(tái)車開挖成型明顯優(yōu)于人工開挖。

表2 臺(tái)車與人工開挖超挖對(duì)比 mm

3.3 施工工效對(duì)比

伏牛山隧道出口以Ⅲ級(jí)微風(fēng)化花崗巖為主，鑿巖臺(tái)車平均每循環(huán)進(jìn)尺為4 m，平均每月掘進(jìn)188 m。人工鉆爆法平均每循環(huán)掘進(jìn)159 m。

圖5對(duì)比了鑿巖臺(tái)車與人工開挖在各工序環(huán)節(jié)所需時(shí)間，可以看出Ⅲ級(jí)圍巖鑿巖臺(tái)車鉆爆工序的平均時(shí)間為14.9 h，單月循環(huán)次數(shù)為47次；人工鉆爆法工序的平均時(shí)間為15.3 h，單月循環(huán)次數(shù)為53次。鑿巖臺(tái)車鉆爆的優(yōu)勢(shì)在于前期開挖鉆爆的時(shí)間較短，較人工鉆爆法縮短了1 h；出渣、錨網(wǎng)和噴漿工序時(shí)間比人工鉆爆法略長(zhǎng)，主要原因是臺(tái)車開挖的進(jìn)尺比人工法開挖進(jìn)尺多1 m。

3.4 班組人員配置對(duì)比

表3為臺(tái)車和人工鉆爆人員配置對(duì)比情況。可以看出使用鑿巖臺(tái)車及風(fēng)鉆鉆爆施工，均按2班工作制。鑿巖臺(tái)車除配置操作機(jī)手外，還需配置專職維修保養(yǎng)人員。風(fēng)鉆鉆爆法施工時(shí)無需配置專職維修人員。鑿巖臺(tái)車施工相較人工鉆爆，人員減少了75%。另外從兩種施工作業(yè)人員的年齡結(jié)構(gòu)來看，臺(tái)車作業(yè)人員更加年輕化，且文化程度較高，一般為高職中專以上。

表3 臺(tái)車和人工鉆爆人員配置對(duì)比 人

3.5 安全性對(duì)比

傳統(tǒng)人工鉆爆法開挖過程中人員較多，且距離掌子面較近，風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī)噪聲較大，施工過程中產(chǎn)生的灰塵較多導(dǎo)致工作空間的能見度底，施工風(fēng)險(xiǎn)較大，且發(fā)生事故時(shí)人員基本沒有反應(yīng)時(shí)間。三臂鑿巖臺(tái)車作業(yè)時(shí)工作人員可在距掌子面10 m之外的位置操控大臂，且臺(tái)車的駕駛室頂部具備防墜物墜落沖擊的防護(hù)作用，極大提高了作業(yè)的安全性。

3.6 環(huán)保性對(duì)比

鑿巖臺(tái)車在作業(yè)過程中不會(huì)像風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī)那樣帶來水霧、油霧和灰塵，另外鑿巖臺(tái)車的噪聲較低，可極大改善工作面的空氣質(zhì)量。

3.7 綜合成本對(duì)比

表4給出了鑿巖臺(tái)車與人工開挖的綜合成本對(duì)比，可以看出折算為每立方米成本，鑿巖臺(tái)車開挖比人工開挖總成本每立方米減少0.82元。鑿巖臺(tái)車在人工成本控制上優(yōu)勢(shì)明顯，比人工開挖減少8.61元，且臺(tái)車開挖單循環(huán)進(jìn)尺比人工開挖多1 m，極大提高了施工效率。另外臺(tái)車開挖電耗成本比人工開挖每立方米減少4.26元，這也說明臺(tái)車開挖的節(jié)能優(yōu)勢(shì)明顯。而在耗材成本上臺(tái)車開挖則要比人工開挖高3.5元。

表4 臺(tái)車與人工開挖綜合成本分析表

4 結(jié)論與建議

三臂鑿巖臺(tái)車在伏牛山隧道工程的分析表明，三臂鑿巖臺(tái)車在全斷面開挖工法中，其安全性、環(huán)保性和高進(jìn)尺方面較傳統(tǒng)人工開挖優(yōu)勢(shì)明顯。在經(jīng)濟(jì)性方面，由于單位成本優(yōu)勢(shì)不明顯，因此只有在特長(zhǎng)隧道工程中才會(huì)有較可觀的成本節(jié)約。鑿巖臺(tái)車的前期準(zhǔn)備保障工作較復(fù)雜，對(duì)操控、維修和管理人員的要求較高，直接影響到臺(tái)車是否能夠保持高效率運(yùn)轉(zhuǎn)。綜合分析各因素，鑿巖臺(tái)車在特長(zhǎng)隧道全斷面開挖中優(yōu)勢(shì)較明顯，隨著工程經(jīng)驗(yàn)的積累，鑿巖臺(tái)車施工技術(shù)必將是以后隧道工程施工的方向之一。