三臂鑿巖臺車在實現隧道施工機械化減人及提升安全性上的運用

熊明康　鄭宏　黃詩軍　劉府承　顏琳

摘 要：為有效防范隧道施工安全事故發生，保障重大項目高質量建設，傳統的隧道施工方式正逐步向大型機械化轉型。而三臂鑿巖臺車以鉆孔速度快，操作人員少、安全風險低的優勢應用廣泛。基于此，對三臂鑿巖臺車適用性進行研究，分析設備在施工管理配合、技術、安全、職業健康等多方面的適用情況，為隧道施工設備的改進、推廣及選型提供借鑒。

關鍵詞：隧道工程；三臂鑿巖臺車；機械化減人；提升安全性

中圖分類號：U455.3? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：2096-6903（2023）12-0038-03

1 工程設備應用情況

1.1 工程概況

白鶴灘隧道為一座上下行分離的4車道高速公路特長隧道，位于金沙江左岸，沿江穿越金沙江左岸山體，全長6 714.565 m，凈空11.0 m×5.0 m。洞身段穿越二疊系中統峨眉山玄武巖。隧道縱坡依次為2.8%/45 m，1.7%/1 580 m，1.718/4 000 m，1.7%/1 089.565 m，出口端為逆坡施工。

1.2 應用背景

當前隧道施工采用全人打鉆需配置11～15名工人，掉碴掉塊易發生傷亡事故，一旦發生塌方，極易導致重大安全事故，其安全風險已成為施工企業不可承受之重。當前安全形勢下，隧道施工掌子面減人已迫在眉睫，通過本項目機械化減人試點，為公司隧道施工進行長遠發展謀劃。

1.3 設備應用情況

公司于2022年5月引進1臺ZYS113型全電腦三臂鑿巖臺車投入到沿江高速項目白鶴灘隧道出口使用。白鶴灘隧道洞身穿越玄武巖巖層，全隧道IV、V級圍巖占比77%，洞內施工涌水量大，逆坡施工。設備投入使用以來，運轉正常。目前IV級圍巖施工效率穩定，月進尺能達到125 m/月。

全電腦三臂鑿巖臺車自動化程度高，功能完備，整機質量52 t，整機尺寸（長×寬×高）17.6 m×2.9 m×3.6 m，設備工作范圍為11.3 m×16 m，電裝機總功率325 kW，鉆頭直徑45 mm，最大鉆孔深度5.25 m，鑿巖機型號3×HC110，單臺沖擊功率31.9 kW。

2 隧道三臂鑿巖臺車使用施工組織

2.1 與傳統人工鉆爆的區別

2.1.1打鉆人員大幅減少

隧道施工采用全人工打鉆需配置開挖臺架一個，兩臺階法開挖時，開挖臺架為3層，頂層站3人下部兩層站8人，共11人。采全斷面法開挖時，開挖臺架為4層，頂層站3人下部兩層站12人，共15人，全斷面時底部人員可增加2人，最多時需17人。采用設備打鉆時，只需要3名操作手在控制室操作設備，遠離掌子面，消除了打鉆時人員暴露于圍巖下的安全隱患，大幅降低了打鉆時的安全風險。

2.1.2 總體規劃風水電的不同

全人工打鉆需在洞口配置5～7臺22 m?/min的空壓機，配置DN200的風管進洞，DN100水管進洞，3×240+2×70電纜進洞；采用全電腦版三臂鑿巖臺車打鉆，進洞需配置DN100水管、3×400+2×185電纜、DN200風管。由于設備需水量大，洞口增加20 m?以上的大水箱，雖然設備自帶空壓機，打鉆時不需要高壓風，但噴漿工序仍需要使用高壓風，高壓風管仍需進洞。人工打鉆與設備打鉆在風水電上最大的區別，在于電纜及洞口配置的空壓機、水箱。總體規劃配置對比如表1所示。

2.1.3 鉆孔孔徑、清孔方式不同

人工打鉆采用氣腿式鑿巖機，一字型鉆頭，鉆頭直徑40 mm。打眼時需給水適量，根據巖石軟硬度調整水量，以流出稀漿為宜，成孔后采用高壓風進行清孔。三臂鑿巖臺車鉆頭直徑45 mm，打鉆時采用高壓水同步排鉆渣，孔口流出大量漿液，達到自動鉆孔與清孔的效果。

2.2 開挖工序施工組織

三臂鑿巖臺車主要完成鉆爆工藝中的鉆孔環節。人工鉆孔施工時工藝流程為：測量放線→開挖臺車就位→高壓風水管連接→鉆孔→炸藥裝填→雷管連線→風水管拆除→臺車退出→響炮→出渣。

三臂鑿巖臺車施工施工工藝流程為：炮孔圖設計→導入鑿巖臺車→鑿巖臺車就位→水電連接→測量定位→鉆孔→鑿巖臺車退出→裝藥臺車就位→炸藥裝填→雷管連線→裝藥臺車退出→響炮→出渣。

相同的開挖斷面下，鑿巖臺車三臂鉆孔時間與15名工人相當，整個開挖爆破工序來看，三臂鑿巖臺車打鉆后裝藥配置9名工人，打鉆與裝藥工序間存在銜接，開挖爆破單循環時間相比于人工增加1 h，單班進尺比人工多0.3～0.5 m。需保證裝藥工人在初支下操作，減少了大量工作暴露在危險場所的時間，降低安全風險。

2.3 施工組織管理中存在的問題及管理難點、改進方案

2.3.1 水、電要求高

三臂鑿巖臺車總裝機功率325 kW，本部敷設了3×400+2×185國標鋁芯線專用電纜，進洞400 m后，安裝了1 000 kVA升降壓器配套使用。由于電纜笨重，仰拱往掌子面段落安裝困難、上墻困難，降壓器需定期跟隨掌子面向前移動。打鉆時需水量不低于20 m?/h，為此在洞口新增大水箱及大功率增壓泵。設備進水濾網目數較大，對水質要求極高，若濾網堵塞將造成鉆渣無法排出而卡鉆。對于水質問題，需要積極與廠家聯系，考慮在濾芯內加裝高壓噴頭，從內向外沖洗，清除附著物，或者使用刷洗方式清洗濾芯。

2.3.2設備出故障耽擱大

高速公路隧道單洞全斷面開挖可配置兩臺三臂鑿巖臺車同步鉆孔，但由于隧道的地質條件變化加快，全斷面開挖和臺階法開挖常是交替進行的，且全斷面開挖地段較少，單洞配置了一臺三臂設備，雙洞掘進配置了兩臺。當單臺設備出現故障時，還可以使用另一臺交替施工，當兩臺設備均故障時，將面臨掌子面停工的風險。由于設備的普及率不高，維修及設備配件完全依靠廠家。

目前采取的改進措施有3種：一是加強對臺車的養護工作的監督，要求廠家配置專業維護人員入住現場并指導、參與臺車的養護工作，定期對臺車做好大型保養工作，減少臺車的故障率。二是根據實際需要，設置配件倉庫，配置富有余量的易損件、易壞件，并保證型號和規格與臺車匹配，做到易損件、易壞件機手自行更換，不耽誤施工。三是加強與廠家片區服務站聯系，確保設備故障時，能及時聯系廠家第一時間趕至現場維修[1]。

2.3.3 售價高、性價比低

全電腦三臂鑿巖臺車全款置辦下來費用接近1 000萬元，投入到現場施工一年以后，項目初步核算洞身開挖每方增加約32元（包含增加的炸材費用）。由于機械臂粗大且長，巖面變化多端，外插角較大，每延米增加噴混凝土超耗費用約800元。

2.3.4 設備中途進場難協調

為積極響應機械化減人的目標，全電腦三臂鑿巖臺車由公司購買，由公司租賃站負責管理調配，出租給項目部使用，機手由公司租賃站統一招聘培訓并調配，項目部按月繳納租金。項目部與協作隊伍合作模式為純勞務模式，由于施工幾百米后中途增加設備，人工打鉆退出，設備進場后增加的費用及相應的開挖單價調整事宜仍在與協作隊伍磋商中，留下很大的合同、成本隱患。

目前采取的改進措施是由雙方派人對實際發生的成本數據進行見證收集，根據不同的圍巖等級，對開挖工序建立成本分析模型進行造價分析，為合同談判提供真實可靠的數據支撐。

2.3.5 預留鉆桿操作空間

人工打鉆時，已支護段落與掌子面的距離約0.5～1 m，由于設備臂架及鑿巖機體型較大，為更好控制超挖，設備打鉆時已支護段落與掌子面的距離需預留至少3 m，才能保證超挖可控。距離0.5～1 m時，炮孔終孔端將超挖0.5～1.2 m，超挖完全不可控。

目前改進方案主要有兩種：一是周邊眼采用長短孔。二是工序調整為打鉆→立架→噴漿→爆破→出渣→打鉆，以此來保證超挖可控及裝藥人員的安全。由此帶來的噴混凝土養護時間短，起爆時強度不足，擬通過與設計院及高校聯系研究早強噴射混凝土提高支護強度來解決[2]。

2.4 提質增效

2.4.1 運用全電腦三臂臺車配合光面爆破

鑿巖臺車是鉆爆法隧道開挖機械化施工的主要設備。ZYS113型全電腦三臂鑿巖臺車可實現智能精確定位，快速鉆孔。鑿巖臺車的主機將推進梁、液壓鑿巖機安裝在鉆臂上，并在一定范圍內移動，進行隧道開挖工作，其中液壓鑿巖機是其主要工作裝置。液壓鑿巖機工作分為沖擊、旋轉、推進、沖洗4個作業過程。

全電腦三臂鑿巖臺車凸出點在于能實現自動定位及自動打孔。先把隧道平曲線及豎曲線設計參數導入軟件，在此基礎上建立隧道輪廓斷面并設計炮孔圖，將其導入車載電腦內，通過臺車定位后，設計炮孔的點位、深度及角度等在電腦上完全顯示。

臺車定位基于3D掃描儀測量已知坐標的靶向點1與靶向點2兩點，獲得臺車的基準點坐標，原理類似于后方交會。施工時車載電腦軟件通過傳感器數據及自身幾何關系進行臂架端頭定位，確定鉆頭部位的{X、Y、Z}坐標，計算隧道掌子面的里程樁號，與臺車電腦顯示屏結合，操作人員能準確知道鉆頭與炮孔的位置關系。操作人員移動臂架時，鉆頭的位置會在顯示屏上同步移動，靠近設計炮孔位置時，會有放大圖樣顯示與設計炮孔的相對位置關系指導精確定位。鉆頭定位完成后，根據設定的推進壓力、推進速度及鉆孔角度，及計算的鉆孔深度，設備可實現自動鉆孔、清孔并退出鉆頭。

為控制三臂鑿巖臺車隧道施工中的超欠挖，結合設備精確定位炮孔的優勢，總結出目前應用的“周邊眼長短孔”鉆孔方法。

2.4.2 超欠挖掃描

全電腦三臂鑿巖臺車配置3D掃描儀1臺，該掃描儀安裝在鑿巖臺車控制臺上，在司機室正前部。通過掃描儀完成鑿巖臺車隧道內的精確定位后，進行開挖斷面（或初期支護斷面）掃描，自動記錄、存儲3D掃描日志，可用于檢查超挖、欠挖情況，并可以計算出超挖及欠挖的土石方量。通過及時掃描超欠挖情況，調整鉆爆方案，優化鉆爆設計，加強超欠挖控制。在3D掃描日志內可以提取任一里程的斷面情況與設計斷面進行對比，作為開挖方量核算及噴射混凝土方量計算的依據，實現高質量建設、精確核算的目的[3]。

3 運用成效及展望

3.1 實現了掌子面減人

采用設備完成鉆爆法開挖的鉆孔工序，只需3名操作手，相比于人工開挖的15人，人員減少80%。在滿足掌子面人員不超9人的情況下，人工打鉆效率將降低約55%。設備打鉆不僅實現了鉆孔工序掌子面減人的目標，還保證了鉆孔效率，保證了施工進度目標，保證了進洞人員數量和洞內高危點位人員數量可控，有效遏制人員聚集增加事故風險。

3.2 實現作業人員年青化

全電腦三臂鑿巖臺車智能化、自動化、信息化程度高，對從業人員的專業性、能動性、靈活性、協作性等通用技能提出更高的要求，且市場上設備操作手幾乎無儲備。青年人員正好滿足此類需求，適應環境快，學習能力強，上手速度快，培養起來相對容易。人工風鉆成孔施工勞動強度大，作業環境差，少有工人愿意涉足。而三臂鑿巖臺車操作環境舒適、噪聲小、揚塵少的操作環境也能吸引青年一代。企業培養青年員工，建立相對穩定的核心技術工人隊伍，解決了打鉆人員老齡化的同時，給青年人提供了大量的工作崗位[4]。

3.3 各工序施工組織配合良好

鉆爆法開挖的鉆孔工序改為設備開挖后，技術人員和現場負責人員加強對各個工序之間銜接性的監督，保證所有工序都能夠緊湊進行，目前施工效率穩定，IV級圍巖月進尺平均約120 m/月，略高于人工開挖。本試點項目不但可以培養一批青年操作人員、設備管理以及維護團隊，有效應對打鉆人員老齡化問題，同時為公司大規模使用設備積累管理經驗，建立相對穩定的核心技術工人隊伍。

3.4 降低設備使用成本

目前全電腦三臂鑿巖臺車市場保有量較小，國內生產商為數不多，設備價格高昂，使用成本太高。根據大量市場調研，結合試點項目現場實際使用情況，現有的ZYS113型全電腦三臂鑿巖臺車鉆機功率改配為1個30 kW+2個18 kW，中臂增加超前探孔需要的加桿裝置、鉆桿鉆頭，30 kW鉆機可滿足超前探孔鉆探需要，18 kW滿足日常開挖鉆孔需要。改配后整體電總功率可減少至265 kW，設備整體售價降低約200萬，洞內同步配套的電力系統費用降低，達到了整機成本及降低水電配置難度的目的，設備經濟性更高，顧客接受度更高，更有利于大面積推廣。

4 結束語

在隧道建設中，掌子面安全生產形勢嚴峻，隧道掌子面施工機械化減人勢在必行。通過鑿巖臺車在試點項目隧道施工中的應用研究，充分地發揮三臂鑿巖臺車作業范圍大、靈活性強、空氣污染小、安全文明、沖擊鉆高效的技術優勢，實現了快速、優質、安全、高效施工，達到了掌子面“減人提效”目的，有效防控重大安全風險，實現了作業人員年青化，有效地應對作業人員老齡化的問題。

參考文獻

[1] 郭鵬飛，郭釗，梁策，等.施工機械數據驅動下的鐵路隧道工程智能建造數據共享方案[J].鐵路計算機應用，2023，32（8）：32-37.

[2] 李成臣，吳文軍.大斷面隧道智能化機械配套微臺階施工工法應用研究[J].價值工程，2023，42（21）：52-54.

[3] 尹江，劉佳明，王耀東.三臂鑿巖臺車在鐵路單線隧道施工中功效提升與超耗量控制的應用[J].鐵路工程技術與經濟，2023，38（4）：30-34.

[4] 夏勇.全電腦三臂鑿巖臺車、智能拱錨一體化臺車在特長公路隧道中的應用[J].低碳世界，2023，13（6）：160-162.

收稿日期：2023-09-05

作者簡介：熊明康（1977—），男，重慶人，本科，正高級工程師、一級建造師，研究方向：工程管理。