全電腦三臂鑿巖臺車在隧道機械化施工中的應用探討

張守同

（中鐵十八局集團有限公司，天津 300222）

1 引言

三臂鑿巖臺車作為目前國內外隧道鉆爆法施工中先進的開挖設備，擁有先進的液壓控制系統，與傳統人工鉆爆法相比，具有作業范圍大、靈活性強、空氣和噪聲污染小、安全高效等技術優勢，尤其在臺階法和全斷面法施工中充分體現了其安全高效的特性，實現了快速、優質、安全、高效施工；多功能全電腦三臂鑿巖臺車施工技術已成為隧道機械化施工的發展方向。

文獻[1-8]以實際工程為例，從安全、質量、隧道施工進度等方面研究了大斷面軟弱圍巖中三臂鑿巖臺車的應用技術，并提出了設備優化建議；胡衛平[9]對一種三臂鑿巖臺車推進梁上的頂盤結構設備進行優化改造，減小了三臂鑿巖臺車超欠挖的影響；要建國[10]以實際工程為例，研究了鑿巖臺車超欠挖控制問題，提出鑿巖臺車在隧道施工中運用閉環管理模式、調整鉆孔參數、控制隧道施工超欠挖的方法；文獻[11-14]研究了三臂鑿巖臺車在隧道機械化施工中的作用；文獻[15-17]研究了三臂鑿巖臺車在控制爆破引起的隧道超欠挖中的作用；文獻[18-21]以實際工程為例，研究了三臂鑿巖臺車的經濟性，提出了三臂鑿巖臺車在隧道機械化施工過程中提高施工效率、效益的建議。綜上，少有文獻從三臂鑿巖臺車的功能方面研究其施工工藝、施工控制重點等事項。本文以鄭萬高鐵蘇家巖隧道進口段施工為例，根據三臂鑿巖臺車的施工研究成果評價三臂鑿巖臺車在隧道機械化施工中的作用。

2 工程概況及地質

鄭萬高鐵蘇家巖隧道位于湖北省襄陽市保康縣黃堡鎮境內，全長5 360 m，最大埋深約439 m，設計縱坡25‰，19.7‰的單面上坡，隧道地處荊山山脈，屬構造侵蝕剝蝕中山地貌區，洞身頂部以灰巖、頁巖互層為主，其下為頁巖夾砂巖，再下為砂質頁巖，洞身段主要穿過地層為砂質頁巖，隧道進口段洞身主要為Ⅳ、Ⅴ級圍巖。隧道設計為鐵路客運專線雙線隧道，隧道斷面按350 km/h速度設計。

3 全電腦三臂鑿巖臺車功能

（1）全電腦三臂鑿巖臺車具有施工參數存儲共享，自行走、炮孔位置確定等功能，具備隧道圖紙參數與現場施工參數比對的動態管理系統，根據建筑信息模型 （BIM），實現圖紙數據與現場隧道掘進里程的動態轉換，大幅度提升了鑿巖臺車定位和作業準確性。

（2）全電腦三臂鑿巖臺車采用大慣量柔性臂架高精度定位技術，通過定位誤差補償實現了鑿巖臺車臂架的高精度定位，實現了臂架運動學參數的最優匹配，以及鉆孔的高精度定位。

（3）全電腦三臂鑿巖臺車通過實際鉆孔與設計參數的比對，總結不同地質條件下的鉆孔參數，確定鉆孔最優控制參數并進行動態管理，妥善解決了卡鉆、空打問題。

4 全電腦三臂鑿巖臺車施工技術

4.1 施工工藝流程

隨著三臂鑿巖臺車設計制造技術及其智能化的不斷提高，隧道機械化施工工藝日趨成熟，全電腦三臂鑿巖臺車鉆爆作業施工流程示意圖如圖1所示。

4.2 施工方法及控制要點

4.2.1 測量放樣

全電腦三臂鑿巖臺車配有一個多功能作業平臺，在鉆孔前2名測量人員站在吊籃內按照鉆爆設計進行炮眼放樣并用紅色噴漆標識，采用配有先進斷面測量程序的TS06全站儀，可實現隧道掘進斷面的快速放樣。現場測量放樣圖如圖2所示。

4.2.2 鉆孔

（1）鉆爆設計。以某隧道Ⅲ、Ⅳ級圍巖臺階法施工、錨網噴支護型式為例，各類孔眼炸藥使用量如表1所示。

表1 全斷面法、臺階法鉆爆參數表

（2）全電腦三臂鑿巖臺車鉆孔。鉆孔深度根據圍巖軟硬程度、節理發育、掌子面的平整度進行適當調整，宜在同一斷面上布設孔底，單循環進尺3.8 m 時單個鉆孔深4 m 所用時間約為1 min 30 s，上臺階每循環鉆孔時間約為1 h 30 min，在局部圍巖破碎區段易出現塌孔現象，應合理調整鉆進速度，必要時采用沖鉆處理鉆進中的塌孔問題。臺階法上臺階炮眼布置示意圖如圖3所示，Ⅳ級圍巖炮孔布置示意圖（圖中A1 ～A3、B1～B3為炮眼分區）如圖4所示。

（3）安裝炸藥及爆破。 掏槽眼、輔助眼、底板眼采用連續裝藥，周邊眼采用間隔裝藥，其間距為 50 cm，用透明膠帶將藥卷固定在竹片上，間隔藥卷之間通過導 爆管串連，三臂鑿巖臺車的作業平臺作為裝藥平臺以確保施工安全。

4.3 控制要點

4.3.1 操作控制要點

（1）嚴格執行操作規程，停車時應支起千斤頂支腿，鉆孔作業時嚴禁人員從大臂下通過，嚴禁在臺車上放置爆破器材或利于臺車大臂進行其他作業。

（2）臺車的起步與行駛應嚴格遵守《全電腦智能三臂鑿巖臺車》使用說明書相關要求，設備行走應留意各類儀表指示，及時處理異常問題，以規避設備事故；操作人員應熟悉施工環境，實時掌控車輛運行狀態，發現異常及時處理。

4.3.2 質量控制要點

（1）測量放樣是控制隧道超欠挖的關鍵因素之一，根據爆破設計的炮孔間距，在掌子面標示開挖斷面中心線、輪廓線及隧道軸線，以方便司鉆操作及提高鉆孔質量。

（2）根據掌子面圍巖情況及時完成初支護，盡早封閉巖面，形成初支與圍巖共同承載地層應力以保證圍巖的穩定性，有利于控制圍巖變形浸入凈空造成欠挖。

（3）按照爆破設計方案，掏槽應落實設計參數，拱頂、起拱、邊坡等位置為基準孔位，周邊炮孔參照基準孔位司鉆。

（4）高度注意鑿巖臺車推進梁的定位，在鑿巖機的作業空間充足的條件下，保證推進梁與隧道軸線平行，減少外插角；確保推進梁頂端和末端“兩個基本點”不發生偏移，若發生偏移應調整推進梁或重新鉆孔，以保證周邊炮孔符合要求。

（5）底板孔施鉆應控制好推進梁尾部與地面的高度，開孔處的位置滿足設計標高要求，以保證隧道底部超挖在允許范圍內。

（6）把握好“沖擊與推進”。要根據圍巖情況與司鉆經驗，適時調整沖擊與推進，鉆進方向易偏移的位置，要低沖擊、低推進鉆進并及時檢查鉆進方向；圍巖較差時要低沖擊、低推進鉆進，圍巖較好時鉆進一定深度后采用高沖擊高推進鉆進。

（7）周邊炮孔施鉆時應調整好各項參數，頂盤壓緊開挖面，掌握超欠挖規律，板炮孔間距可根據圍巖情況適當均勻調整，以保證較好的爆破效果。

4.3.3 安全控制要點

（1）開動設備前，做好管線等各連接部位的可靠性檢查，確保操作系統正常運行。

（2）操作者根據指示信號移動設備，運行中應確保平穩移動，不宜使設備過度擺動。

（3）施工操作中，要確保支腿可靠穩定，鉆臂移動前應確認鉆桿末端脫離工作面，人員進入作業區。

（4）施工完畢，設備安全停放在設定區域，控制桿件置于零位，進行設備清潔保養。

5 工效對比

全電腦三臂鑿巖臺車與傳統鉆爆法相比，在進度、爆破效果、安全、環保、適用性、單循環進尺等方面優勢明顯，尤其在安全方面比傳統的鉆爆法有明顯的優勢。

5.1 進度方面

三臂鑿巖臺車擁有先進的鑿巖系統，鉆孔速度快，超出傳統風動鑿巖機效率的2倍。三臂鑿巖臺車的鑿巖機功率較大，成孔快，比風動鑿巖機提高效率 55%～75%，施工循環時間較人工開挖減少約40%，鑿巖臺車定位快而準，降低工人勞動強度、節省了人工成本。蘇家巖隧道進口采用全電腦三臂鑿巖臺車鉆孔與出口采用傳統的風動鑿巖機鉆孔對比表如表 2所示。

表2 三臂鑿巖臺車與風動鑿巖機鉆孔對比表

5.2 超欠挖控制方面

三臂鑿巖臺車的鉆桿定位后，按水平或固定傾角推進，操作人員只需經過短時間的培訓就可以上機操作，且通過操縱桿就能靈活調控鉆孔位置和角度，較傳統風動鉆機更好地提高了鉆孔質量，更好地控制了超欠挖。

5.3 安全方面

與人工鉆爆法相比，三臂鑿巖臺車大幅度減少掌子面作業人員數量，且操作人員距離掌子面有13 m左右的安全距離，視線開闊，利于觀察圍巖變化，加上操作平臺上安全頂棚的保護，有效提高了作業人員的安全防護水平。

5.4 環保方面

全電腦三臂鑿巖臺車鑿巖系統由電力驅動，并采用了封閉式油路系統，避免了風動鑿巖機的排氣噪聲，消除了風鉆排出的濕霧狀廢氣，大幅降低了隧道粉塵含量，有效改善了作業環境，保證作業人員的身體健康，同時，縮短了隧道必要的降塵通風時間，大幅節約通風費用。

5.5 適用性方面

全電腦三臂鑿巖臺車除日常開挖作業外，還可用于5～15 m 的加深炮孔、超前水平鉆、錨桿、隧底釬探的施工，通過更換相應鉆頭還可進行小導管、中管棚的施作，適用范圍廣，大幅提高了設備的利用率。

6 結論與建議

（1）全電腦三臂鑿巖臺車適用于常規隧道施工，在全斷面施工時經濟效益顯著，臺階法施工時較人工鉆爆施工速度也有較大提升；但在軟弱圍巖地段三臺階法施工時，需采用微臺階法，受空間限制，應在安全、工期、經濟性方面的綜合比選后確定。Ⅳ級、Ⅴ級軟弱圍巖段落采用超前管棚、纖維錨桿注漿等加固，根據圍巖情況及時封閉掌子面，利于提高鑿巖臺車的施工效率。

（2）實際工程中地質情況的千變萬化，在一定程度上影響了全電腦三臂鑿巖臺車的某些自動化功能的實現，因此應根據鉆孔作業取得的巖層參數，經信息自動分類并結合掌子面的數碼成像技術，獲取地層信息與設計圍巖情況進行對比分析，提供掌子面的穩定情況并優化超前支護設計方案及爆破設計方案，實現隧道施工的智能化動態設計。