三臂鑿巖臺車在隧道開挖施工中的應用研究

余 進，梁 建，何力強，涂旭東

(中鐵十一局集團第五工程有限公司，重慶 400037)

0 引言

國內的隧道施工，Ⅳ、Ⅴ級圍巖常采取CD、CRD和臺階法等開挖工法[1]，存在工序復雜、圍巖擾動大、支護不及時、安全風險高、施工進度遲緩、質量差、工效低等缺陷。隨著近年來隧道工藝工裝的產學研結合，由“單一工序機械化”施工推動“全工序機械化”，但多應用于Ⅱ、Ⅲ級圍巖，Ⅳ級及以上圍巖因地質條件復雜，還未實現大斷面的配套機械化流水作業。探索隧道機械化開挖工法，減少人員數量與工作量的工作方法，對提高隧道施工的安全保障具有重要意義。

重慶城口至開州高速公路吳家梁隧道(左線6 618 m+右線6 592 m分離式特長隧道)呈現地質構造、地形地貌、圍巖巖性、水文氣象復雜，斷層破碎、危巖落石、涌水突泥、巖溶巖爆、軟巖變形、煤層瓦斯現象突出的“四復雜、五突出”特點。通過引進三臂鑿巖臺車，實現全地質(Ⅱ～Ⅴ級圍巖)、全斷面開挖機械化，將理論與實踐相結合，保證隧道施工全過程的質量、安全可控。本文就Boomer XL3D型三臂液壓鑿巖機的實踐應用進行探討。

1 鑿巖機簡介

Boomer XL3D三臂鑿巖臺車具有施工安全、作業高效的優點，其采用人機工程學的設計理念，利用先導施工控制液壓操作系統，從而減少控制平臺周邊的高壓膠管數；集中的液壓部件系統控制面板，易于維護與檢修；自抬升1.1 m的FOPS(防墜物沖擊)防護棚架，在擴大操作員視線的同時保證了人員安全；推進梁角度測量系統(FAM3)不僅可輔助鉆孔的精準定位，而且可在加快掘進的同時減少超欠挖。

該臺車作業時通風效果良好，利于作業人員健康并減少粉塵對探照燈視線的影響。該臺車單循環水量>15 m3，啟動水壓≥0.2 MPa；供電滿足單車電源接口，配電箱容量為200 kW，電纜要求低壓端加上排水、照明、一般變壓器容量≥300 kW；供電滿足兩車電源接口時參數加倍。變壓器一般距配電箱≤500 m。

該臺車的鑿巖機具有鉆孔速度快(約1.5 m/min)、噪音小、勞動強度低、安全性能高等優勢，但操作需較大的空間和適宜的角度。針對初期支護需要立鋼架區段，無合適的角度，超欠挖難以控制；對于圍巖較破碎段，也難以發揮臺車的工效。

全電腦和人工輔助定位控制的三臂鑿巖臺車，具備超前地質預報與支護、全方位精確定位與鉆孔、過程數據采集與分析、輔助人工配合裝藥和圍巖監控量測等功能[2]。

2 施工工藝流程(圖1)

圖1 隧道三臂鑿巖臺車機械化開挖施工工藝流程圖

2.1 超前地質預報

地質超前預報作為工序之一，在隧道開挖出渣后、圍巖初期支護前，可判定掌子面的穩定性及圍巖類別。依據鉆探、物探和WMD地質云圖像分析等方式，形成互相印證、長短結合的綜合預報體系。三臂鑿巖臺車進行超前探孔、加深炮孔作業時，在鉆孔過程中可實時監控鉆桿工作參數(鉆進速度、水流、沖擊、推進、回轉壓力及水流量等)。WMD軟件具有地質分析與復原功能，形成的地質分析報告可建立本隧道的大數據地質庫，為隧道的優化設計與運營期間的缺陷整治提供參考資料(如下頁圖2所示)。

圖2 三臂鑿巖臺車WMD地質云圖像示例圖

多方式的地質超前綜合預報，可較準確地預判掌子面前方的各種地質災害，通過有效信息采取對應安全措施，根據異常情況及時調整設計支護參數，保證機械化作業的安全與高效。

2.2 超前預加固

常用噴射混凝土封閉掌子面、纖維錨桿、超前管棚、小導管和注漿支護等環形加固措施。利用濕噴機械手對掌子面進行噴射混凝土封閉；小導管、管棚和纖維錨桿依托三臂鑿巖臺車打孔；注漿采用錨桿安注檢一體化平臺施作。前方軟弱圍巖的預加固采用高壓劈裂注漿。

針對軟弱圍巖的地質超前預加固措施，可將“巖變我變”的傳統支護扭轉為“我讓巖變”，在減小工法調整的同時，實施隧道全地質范圍的大斷面機械化開挖，提高掘進工效。

2.3 施工準備

施工作業面保證風、水、電管線、逃生管道和照明的接入。作業前逐一檢查泵機、空壓機、操作桿、儀器儀表和控制裝置是否正常，管路及接頭有無泄露(油、氣、水)現象等。

2.4 測量放線

根據隧道開挖爆破方案，采用全站儀測量放線，用油漆在掌子面標識出周邊眼。作業人員根據已標識周邊眼，按照爆破設計，利用標尺等工具，將輔助眼、掏槽眼等孔位一一用油漆標識明確。

2.5 三臂鑿巖臺車就位

測量放樣、標識完成后，三臂鑿巖臺車進入作業區，由作業人員指揮臺車停放于隧道中線位置，車身整體同隧道中線保持平行，臺車鉆臂端頭與掌子面保持0.8～1.0 m的距離。

臺車就位之后，由專業操作人員將水管、供電線纜連接至臺車對應接口處，在確認水電安裝到位后，張開支腿，利用液壓系統將臺車整體調整呈水平狀態，然后固定好臺車。

2.6 三臂鑿巖臺車鉆眼

按照“定位、定人、定機”的原則，合理安排操作人員開展鉆孔作業(如圖3所示)。

鉆孔順序：按照三臂鑿巖臺車作業特點，劃分各鉆臂作業區塊，標識出各自區域輪廓線。兩個鉆臂分別負責左側、中心、右側區域鉆孔施工。鉆孔順序遵照“從下至上、從外至內”的原則。左側與右側區域鉆孔順序為“周邊眼→崩落輔助眼→輔助眼”；中心區域為“底眼→抬炮→周邊眼→周邊輔助眼→拱頂輔助眼→掏槽眼→中心輔助眼”。

圖3 掌子面爆破鉆眼眼孔布置圖(cm)

周邊眼施工時，通過三臂鑿巖臺車FAM3，按照爆破設計中周邊眼傾斜角度調整推進梁外插角度。調整好角度后，調整臺車鉆臂旋轉、延伸，對準孔位，推進梁開始鉆孔施工。在這一過程中根據三臂鑿巖臺車FAM3，控制推進梁鉆進深度，確?？椎自谕粋€垂直面上。周邊眼間距誤差≤3 cm。

輔助眼施工時，保持鉆臂推進梁與隧道軸線平行，調整臺車鉆臂旋轉、延伸，對準孔位，推進梁開始鉆孔施工。在這一過程中根據三臂鑿巖臺車FAM3，控制推進梁鉆進深度，確?？椎自谕粋€垂直面上。輔助眼間距誤差≤3 cm。

掏槽眼施工時，根據三臂鑿巖臺車FAM3，調整好推進梁外插角度，對準孔位，推進梁開始鉆孔施工。在這一過程中控制推進梁鉆進深度，確保掏槽眼孔底與周邊眼及輔助眼孔底位于同一個垂直面上。掏槽眼間距誤差≤5 cm。

在鉆孔施工過程中如發現鉆孔錯位，或角度控制失誤，應退出鉆桿，重新定位并施工炮孔。當每孔鉆孔完畢并退鉆時，通過連接至鉆桿的高壓水、風進行清孔。

2.7 清孔、裝藥

鉆孔完畢后，將推進梁和鉆臂調整至水平位置，各操作桿置于中位，利用三臂鑿巖臺車的升降云梯平臺，遵照“分部位、劃區域，先底腳、再拱部，先周邊、后中間”的方法，爆破工開始按照設計方案對周邊眼、輔助眼、掏槽眼進行裝藥(導爆索分段式不耦合連接)，炮孔封堵，分段設置并連接好起爆雷管、起爆線，完成裝藥過程。

2.8 三臂鑿巖臺車離場與爆破

裝藥完成后將升降云梯平臺收攏回正，停止平臺、鉆臂系統發動機，解除與車身連接的風、水、電纜管線。收起支腿，駛出作業區域，為爆破施工作準備。

隧道光面爆破地炮眼殘存率為硬巖≥80%，中硬巖≥60%。采用“先邊墻、后拱部”的連線方式，確保中心掏槽的起爆效率，同時為減少拱墻底腳的超挖，該區域(2～3個孔)應最后起爆。光面爆破參數如表1所示。

表1 光面爆破參數表

2.9 鑿巖臺車超欠挖處理

嚴禁超欠挖的一次性修正而造成超欠挖部位的錯臺。為保證隧道開挖輪廓線的平順，有效控制初期支護中鋼拱架、鋼筋網片、噴射混凝土的質量，可采取逐步修正調整的方式。

若隧道局部欠挖深度≤10 cm，為避免二次爆破擴大超挖量，可利用臺車鉆臂對該部位進行鑿巖修整斷面。

3 機械作業與人工鉆爆成本對比分析

以吳家梁隧道2019-04-21至2019-05-19施工概況為例：左洞開挖進尺為81 m(ZK89+796.5～ZK89+877)，其中，ZK89+775～ZK89+825為加寬帶；右洞開挖進尺為102.5 m(K89+525.5～K89+628)，開挖量共18 949.448 m3。

3.1 人員配置情況(表2)

表2 人工費消耗表

3.2 超欠挖統計(表3)

表3 超欠挖統計表(cm)

由表3可知，平均超欠挖量<15 cm，局部存在較大超挖，隨著巖層的變化相對分散，需繼續調整并總結經驗，控制超挖量。欠挖量多在10～20 cm，欠挖時采用臺車配合人工進行修正。

3.3 施工工效對比分析

3.3.1 成本控制

圖4 人工鉆爆開挖與機械開挖成本對比柱狀圖

由圖4可知，鑿巖臺車機械化施工較人工鉆爆開挖的燃料動力費、人工費和修理費顯著降低，可見鑿巖臺車的使用減少了人工作業成本，有效保證了人員安全，提高了工效。但機械折舊費較高，施工期應加強設備保養與維護。臺車總體施工成本略高于人工開挖，但該數據基于局部開挖工效數據，對比較為片面，針對高風險的長大隧道的機械化開挖，顯然鑿巖臺車各項能耗指標更低于人工鉆爆。

3.3.2 施工進度與安全控制

依據地質預報成果，采用經濟合理的支護措施超前加固掌子面前方圍巖后，全斷面快挖、支護與封閉成環，提升了隧道機械化施工的水平[3]。

例如，對于Ⅳ級圍巖，當采用超前小導管支護時，鑿巖臺車平均進尺3.8 m(立3榀拱架)，炮孔臨時封堵，用時為2.5 h；采用三臂鑿巖臺車的升降云梯平臺配合裝藥，用時為5.5 h。每循環時間為21.67 h，每月32個循環，月進尺約為100 m。鉆爆法人工開挖平均日進尺為2.5 m，每循環用時為19.25 h。折算后與人工鉆爆等進尺量的情況下，機械開挖循環耗時約為14.25 h，相比人工作業節省5 h，工效提升26%。

較傳統人工鉆爆法，采用三臂鑿巖臺車每循環可減少掌子面作業人員7～10人。Ⅲ級、Ⅳ級圍巖采用全斷面帶仰拱一次性開挖；Ⅳ、Ⅴ級軟巖采取全斷面不含仰拱或微臺階同步施工工法。在施工過程中控制降低了拱頂掉塊、有毒有害氣體、噪音頻率、機械傷害等安全風險。

3.3.3 質量控制

三臂鑿巖臺車作業相比人工鉆爆開挖，可依據圍巖變化動態調整炮孔布置間距，從而提高了隧道的光面爆破效果，間接提高了系統錨桿、超前小導管/管棚、拱架鎖腳鋼管的施工質量。

4 結語

本文依托城開高速公路吳家梁隧道三臂鑿巖臺車的機械化開挖，對其施工工法進行了介紹。通過與常規人工鉆爆施工的工效對比分析，得到在高風險長大隧道建設中，三臂鑿巖臺車的施工成本、進度、質量與安全卡控方面具有絕對優勢，其以“機械化為保障，信息化為抓手，精細化為支撐”為原則，確保隧道施工質量安全可控。

城開高速公路項目投入的以三臂鑿巖臺車為代表的隧道智能工裝應用處于探索階段，依靠智能化機械設備的“信息收集、傳輸、處理與共享”功能，實現項目的信息化管控。推廣以“超前地質預報、圍巖監控量測、視頻監控中心、試驗室與拌和站”等數據系統管理平臺的綜合應用，通過原始數據的過程分析，達到糾偏和施工安全、質量的數字信息化管理目的。將項目所有管理、技術、一線施工人員的移動終端融入項目管理中，達到施工各工序環節的信息化實時交換、易操作、接地氣、移動辦公和遠程監控的目的，推動項目管理升級，減輕施工與管理人員的工作強度，提升了企業效益。