鉆爆法隧道開挖作業機械化發展的思考

楊年華

(中國鐵道科學研究院集團有限公司， 北京 100081)

0 引言

當前我國絕大部分巖質隧道采用鉆爆法施工，其與TBM法相比具有地質適應能力強和經濟高效等優勢。針對我國幅員遼闊、地質條件差別巨大的國情，鉆爆法施工在隧道建設中顯示出了強大的生命力。在隧道鉆爆法施工中，除了鉆孔、裝藥爆破2道工序外，其余工序基本實現了機械化。如文獻[1-3]所述，當前隧道施工中安裝拱架可用多榀拱架預拼裝安裝臺車或三臂拱架安裝機，噴漿可用濕噴機械手，掛防水板可用全自動防水板鋼筋一體化鋪掛臺車，還有全斷面封閉溫控養護臺車、智能二次襯砌臺車、自行式液壓仰拱棧橋等，這些施工機械極大地推動了我國隧道施工機械化和智能化的發展。然而，在鉆爆作業環節仍大量使用人工手持風鉆鑿眼和手工裝藥填塞炮孔，這是隧道施工中唯一沒有實現機械化作業的工序。近十幾年不僅沒有取得重要進展，還有倒退的跡象。如果這個局面不能得到根本性改變，必將影響隧道施工技術的發展，也不能徹底改變隧道施工的安全性。隧道施工中最容易發生群死群傷重大事故的位置在掌子面附近，最危險的施工環節是鉆爆作業，因此，必須盡早結束采用“人海”戰術進行鉆爆作業的時代。隨著人工成本不斷增長，而且艱苦危險性作業工人的招聘越來越難，國家對建設施工安全質量要求又不斷提高，隧道施工全程機械化是亟待解決的問題。本文通過分析當前鉆爆作業工序上存在的問題，從技術和法規政策2方面探討實現鉆爆作業機械化的對策。

1 隧道施工的鉆爆作業現狀

1.1 招聘鉆爆工難

隧道鉆爆施工一般根據地質條件和斷面大小，分為全斷面開挖、臺階法開挖，甚至采用CD法、三臺階七步法等開挖方法，其主要思想是地質條件較差時需要分割成小斷面分部開挖，如圖1和圖2所示。一旦分割成小斷面開挖，鉆孔鑿巖臺車無法靠近掌子面，必須改為人工鉆孔爆破。于是，想方設法到偏遠山區招聘員工，再進行專業培訓。由于鉆爆作業體力重、環境艱苦，又在最危險的掌子面作業，有文化的年青人極少愿意從事這類工作，只能招聘一些文化程度較低的中老年農民工。施工單位已經感受到越來越難招聘鉆爆工了，隨著中老年鉆爆工逐漸退休，這種現狀不會維持太久。

1.2 使用鑿巖臺車難

如前文所述，隧道開挖遇到地質條件較差段，只得采用人工鉆孔爆破。那么地質條件較差段通過后，在地質條件較好段是否可以改用鑿巖臺車鉆爆施工呢？實際上鑿巖臺車還是難以使用。如果地質條件較好段改用臺車鉆孔，好不容易招來的鉆爆工將面臨失業，當前方再遇到地質條件較差段時，鉆爆工不可能招之即來、揮之即去。為了控制成本、不中斷施工，地質條件較好段也只能采用人工鉆爆作業，有些工程只好將鑿巖臺車放在洞外作擺設，或是作為承諾投標條件之用，這是當前常有的現象。

圖1 三臺階鉆爆工法

圖2 中隔墻“CD”工法

1.3 “人?！睉鹦g施工難

既然全程必須采用人工鉆爆掘進，那么掘進速度與人工數量有直接關系。早期未限制掌子面作業人數時，某隧道為加快進度，掌子面上鉆爆人員加輔助人員共有22人同時作業，常規情況下也有15人左右。掌子面的鉆爆作業是最危險的施工作業，設想一旦發生問題極易造成重特大事故。《隧道施工安全九條規定》發布后，很多單位自覺限制掌子面人數，甚至有些地方強行規定掌子面同時作業人數不能超過9人。如果掌子面按照9人限制，這9人中還要有安全監理、安全員、技術負責人，實際進行裝藥爆破作業的爆破員就更少了。因此，人工鉆爆施工的速度在很多工程中已經受到嚴重制約。

1.4 光爆質量差、超挖控制難

當前隧道鉆爆施工大都采用架子隊分包的辦法，總承包方缺乏爆破專業技術人員，對爆破管理基本失控。架子隊的爆破水平決定了該承包單位的爆破水平。光面爆破需要密鉆孔、不耦合裝藥，實際上架子隊為壓減成本、減少鉆孔時間就盡量少鉆孔，周邊孔也少見采用導爆索間隔裝藥的不耦合裝藥結構，結果導致超挖嚴重，但爆破進尺率較高，且很少去考核周邊光爆質量。雖然光爆質量受地質條件影響，但是當前的主要原因是鉆孔偏差嚴重、裝藥結構不合理[4-5]，再加上總承包方缺少爆破專業技術人員在場，無法有效考核光爆質量。

2 隧道鉆爆作業實現機械化的必要性及面臨的挑戰

2.1 發展隧道鉆爆作業機械化的必要性

隧道施工鉆爆作業全面實現機械化是未來發展的必然趨勢，而且將進一步向自動化和智能化發展[6-8]。

就安全性而言，當前人工手持氣腿式風鉆集中在臺架上作業，緊貼掌子面，萬一發生落石、塌方或涌水等危險，極易造成群死群傷。若采用鑿巖臺車鉆孔，一方面，操作室距離掌子面較遠，操作平臺上設有安全頂棚，對落石和其他突發性危險有更好的保護作用； 另一方面，鉆孔臺車操作人員僅2～3人，發生重大事故的可能性有效降低。如果采用機械裝藥，同樣可使貼近掌子面的作業人員減至3～5人； 進一步發展到自動化裝藥時，可使裝藥作業人員減至2人。減少掌子面的作業人數，即相對提高了隧道鉆爆作業的安全性。

就光爆質量而言，采用鑿巖臺車鉆孔成孔速度快、不需耗費人工體力，鑿巖臺車單孔鉆鑿時間為2～3 min，而人工鉆孔時間為12～15 min，同時鉆孔數適當增加對于鑿巖臺車而言并無困難，且鑿巖臺車對周邊孔的角度和平行度控制更加準確，一般采用臺車鉆孔更容易實現密鉆孔、少裝藥，對周邊輪廓的光面爆破質量有很大改進，從而有效控制周邊超挖問題。當然，由于鑿巖臺車的液壓臂和推進梁所需操作空間與手持風鉆相比有所增大，造成鑿巖臺車鉆爆局部鋸齒狀臺階超挖偏深，但由于對周邊孔角度控制更準，整體的超欠挖可以有效控制。當然機械化裝藥對周邊孔如何實現更好的光爆質量，仍然需要深入研究，目前有將散裝炸藥注入聚能管中進行周邊孔光面爆破的方法。

就鉆爆效率和環保而言，在硬巖地段若無步距限制，采用臺車鉆孔單循環進尺可達4～5 m，單月鉆爆進度可達到300 m，這是人工鉆爆作業難以達到的[9]。另外，人工手持風鉆雖然設備便宜，但能耗高。液壓臺車鉆鑿速度一般比風鉆高50%～100%，能量消耗為風鉆的1/3，鑿巖噪聲可減小10～15 db，且在洞內無廢氣排放。若使用混裝炸藥車裝藥，一方面改善了工作環境、減輕了勞動強度，另一方面因取消了炸藥包裝儲存而更加環保。總之，機械化鉆爆更加高效、環保。

2.2 隧道鉆爆作業實現機械化面臨的挑戰

雖然機械化鉆爆作業對于提高安全和質量有重要作用，但它面臨的主要挑戰是成本和進度問題。目前購置一臺三臂鑿巖臺車的費用為500萬～1 000萬元，盡管可以采用租賃或折舊辦法減少一次性投入，但所發生的臺班費或折舊費仍然較高，并且所使用的鉆桿、鉆頭、液壓油管等配件費用，以及后期使用、維護費用遠高于手風鉆。而一臺氣腿式風動鑿巖機僅需3 500元左右，一次性購置10臺風鉆僅35 000元。從鉆孔成本上考慮，尤其對于掘進距離較短的隧道，使用鑿巖臺車成本偏高。通常獨頭掘進2 500 m以上的隧道采用鑿巖臺車鉆孔才有經濟優勢[10]。

鑿巖臺車在鉆孔成本上沒有優勢，考慮到它的鉆孔速度快，是否在進度上有優勢呢？由于人工手持風鉆可采用“人?！睉鹦g，最終鉆孔時間與臺車機械鉆孔時間相當； 并且，人工手持風鉆鉆孔布局靈活，幾乎適用于任何開挖斷面，特別在小斷面、短隧道、圍巖地質較差的施工條件下優勢突出； 因此，機械化、自動化鉆孔只在硬巖段有優勢，在整體進度上尚未顯示出優勢。

裝藥環節機械化面臨的困局是炸藥管理體制制約[11-12]。國內已有多家單位研發了地下爆破乳化炸藥現場混裝車，最早于2005年在濟南開元寺隧道試用并取得成功[13]。其主要原理是： 裝藥車上設有乳膠體和敏化劑2個小型泵組料罐，通過泵送裝藥系統按比例將乳膠體和敏化劑泵入裝藥軟管中(見圖3)，然后在噴嘴處使乳膠體和敏化劑充分混合，待裝入炮孔內10～15 min后才能敏化成鈍感乳化炸藥。雙管裝藥車的裝藥效率達40～80 kg/min； 采用孔內耦合裝藥，可提高爆破效率； 因藥劑進入炮孔內才敏化成炸藥，裝藥作業的安全性高； 現場裝藥作業人員可減少至3～5人。

圖3 泵送裝藥機原理圖

然而，工信部認為乳化炸藥現場混裝車是將原料制成炸藥的設備(見圖4)，從炸藥生產總量管控的角度，應納入工信部管理，所以裝藥車的使用需要工信部門批準。但是，隧道現場裝藥作業屬于爆破公司資質范圍，必須公安部門批準。受此管理制度限制，除非某單位同時有工信部炸藥生產資質和公安部爆破作業資質，而且需要2個部門共同審批，否則乳化炸藥混裝車無權在現場進行爆破作業?，F場炸藥混裝車的管理體制是隧道機械化裝藥發展的關鍵障礙，長期下去可能會斷送隧道內現場炸藥混裝技術的健康發展。

圖4 地下爆破乳化炸藥現場混裝車

3 隧道機械化鉆爆作業的實現途徑

3.1 改進隧道掘進工法，使之與機械化鉆爆作業相匹配

前文分析了我國隧道施工的現狀，遇到軟巖掘進最常采用“三臺階七步”工法，更加破碎軟弱圍巖變為“留核心土、CD法”等。這些分割成小斷面開挖的工法不具備鑿巖臺車、裝藥車等大型機械的作業空間，斷送了鉆爆工序的機械化發展之路。近年來，鄭萬高鐵隧道已成功試驗了軟弱圍巖全斷面機械化施工工法[14]。其基本思想是： 圍巖條件優于Ⅲ級圍巖時采用全斷面開挖，Ⅳ、Ⅴ級軟弱圍巖段先采用超前管棚和注漿等加固措施，使得圍巖穩定性達到Ⅲ級以上，然后再按照全斷面或微臺階施工方法掘進，如圖5所示。按照這種思路，長大隧道可以持續大斷面開挖，擺托了機械鉆孔和人工鉆孔來回變換的困擾，同時為機械化裝藥提供了空間條件，為隧道掘進推行全面機械化開創了新思路。雖然對Ⅳ、Ⅴ級圍巖改變工藝工法后，較原工法的施工成本有5%～10%的增幅，但掘進速度提高了10%～20%[10]，更為重要的是降低了施工安全風險、改善了作業環境。因此，可以率先在長大隧道推進與機械化鉆爆施工相匹配的“先加固、后全斷面或微臺階開挖”施工工法，隧道越長其成本增幅越不明顯，而其他優勢更加顯著。另外，現在的人工成本越來越高，雖然目前人工鉆爆還暫時具有成本優勢，但是這個優勢正在減弱。隨著鑿巖臺車的價格越來越低，其優勢也在慢慢凸顯。所以，推行與機械化鉆爆相匹配的工藝工法是隧道機械化鉆爆發展的必要條件。

圖5 先加固后開挖的全斷面或微臺階鉆爆方法俯視圖

3.2 進一步提高國產鑿巖臺車質量、降低造價

近年來，全電腦鑿巖臺車或液壓鑿巖臺車已經實現國產，但臺車質量尚有待提高，常有操作不當或出現故障時發出警報甚至停機的情況。如果維護人員和操作人員一時難以對故障正確判斷并快速處理，就會造成停工。為保證不停工，如備用一臺鑿巖臺車，則成本壓力更難以接受。此外，由于鑿巖臺車產量和銷售量有限，盡管相比進口臺車，國產臺車已有大幅度降價，但仍然屬于價格不菲的大型設備。所以，今后的努力方向是： 減少鑿巖臺車故障率，繼續降低設備價格，提升耗損配件質量，培訓操作工匠。

3.3 推進民用爆炸物品管理體制創新，激勵先進技術推廣應用

眾所周知，現場炸藥混裝車作為一項先進技術急需在隧道爆破中推廣應用，不宜再固化觀念，而應采取實事求是的態度，積極探索促進推廣應用的有效措施?！睹裼帽ㄎ锲钒踩芾項l例》明確指出： “國家鼓勵民用爆炸物品從業單位采用提高民用爆炸物品安全性能的新技術，鼓勵發展民用爆炸物品生產、配送、爆破作業一體化的經營模式”。因此，對現場炸藥混裝車的購買和銷售,以及混裝車炸藥生產的行政審批問題，希望公安部、工信部等民爆行業主管部門能夠開展專項研究，在建立全流程炸藥流向流量管控平臺的基礎上，松綁炸藥混裝車的購銷和行政審批，進一步規范民爆市場，創新管理模式[15]，而不是相互設置更高的準入門檻和政策壁壘，限制現場炸藥混裝車技術優勢的發揮。同時，作為設備研發單位，應深化完備現場炸藥混裝車的監控系統，現場混裝車作為爆破工程作業的一個工具，具有移動作業的特性，有必要精確監控現場炸藥混裝作業產品的流向，采用物聯網技術實時上傳產品流量，方便公安部門加強其在爆破作業項目中的安全監控，確保機械化裝藥作業的安全。近2年隨著爆炸物品管理體制逐漸明朗化，已有單位研發了地下爆破作業專用的低感度乳化炸藥泵送裝藥車，沒有半成品敏化成炸藥的過程，而是直接將購買的散裝乳化炸藥裝填到炮孔內，免去了工信部門的審批和產量管制。也許這是當下迂回發展的無奈之舉。

3.4 加強隧道鉆爆專業隊伍人才培養

隧道鉆爆作業若采用人工鉆孔裝藥，一定是體力繁重、環境艱險的工作，如今低薪人口紅利時代快結束了，年青人不愿從事這類工作。只有發展機械化、自動化鉆爆設備，減輕操作體力，改善施工環境，才能吸引高素質的專業人員加入。隧道掘進需要集爆破、巖土、機械等專業為一體的綜合性技能人才[16]。先進的鑿巖臺車價格昂貴，對操作人員提出了非常高的要求，必須經過專業培訓，且要有工程機械相關知識，還要對計算機控制、液壓系統、爆破原理等專業知識有廣泛深入的了解。同樣，對現場炸藥混裝車操作人員，也必須培訓機械、炸藥制造、爆破原理等相關知識和技能。這些人才的培養不僅成本高，而且周期長。沒有人才談不上實現機械化、自動化施工?，F在只有靠鉆爆工人招聘難來倒逼機械化鉆爆施工發展的道路了，這是市場經濟的選擇。減少人工的機械化施工符合社會生產力發展方向，一定會有生命力。將來一定是少量高素質、高收入的專業人才從事隧道鉆爆掘進，鉆爆質量和安全會大幅度提高。

3.5 改進隧道建設管理體制

當前隧道建設是先有勘察設計單位給出設計圖，甚至規定了施工方法和相應的造價。實際上隧道工程建設過程中不確定因素較多，況且設計前的勘察工作也不充分，開工后經常發現地質條件變化異常，需要修改原設計，然而設計變更手續繁瑣，導致糾錯能力差[1, 4]。隧道施工應該是設計與施工穿插進行，須根據已揭露的地層和超前地質預報及時調整和優化鉆爆工法[17]，所以工程實施階段采用設計和施工總承包是國際慣例?，F階段施工單位為開展機械化鉆爆掘進，對軟弱圍巖段采用先加固后開挖的全斷面掘進工法，如果設計院不同意是無法實現的。只有采取設計施工總承包，施工方全權承擔質量、成本和安全風險，施工單位才有積極使用新技術的主動性，才能更快完成機械化、自動化和智能化發展之路。隧道設計和施工總承包受現有體制和長期慣性的影響，不是一朝一夕可以實現的，但國內已有一些專項工程在嘗試設計和施工總承包管理體制，取得了很好的效果。隨著改革開放的深入開展，相信我國隧道建設一定會向設計和施工總承包的方向發展，盡早與國際慣例接軌。

4 結語

綜上所述，隧道掘進鉆爆工序要想實現機械化，道路仍很漫長，需要克服的障礙較多，如施工工法、鑿巖臺車性能和專業人才等技術性的障礙相對容易解決，最難解決的還是理念和制度障礙。近年來通過參觀、學習國外的先進經驗，特別是對施工安全問題的突出重視，實現機械化鉆爆施工的理念已經開始被廣泛接受，反對的聲音逐漸減弱。但是，文中提及的標準修改、建設管理體制的改進、爆炸物品使用行政審批制度的調整等制度性障礙需要更長時間、更大努力才能攻克。希望通過不同渠道發聲，從不同角度提問題、想對策，加快實現隧道鉆爆施工全面機械化，使我國隧道施工技術向更高水平發展。只有實現了隧道機械化施工，才能徹底改善隧道施工的安全性，近看可避免掌子面發生群死群傷重大事故，遠看可向更安全的智能化施工發展。