淺析三臂鑿巖臺車在公路隧道開挖施工中的應用

收稿日期：2024-01-22

作者簡介：代勇泉（1990—），男，本科，工程師，從事建設管理工作。

摘要 為明確三壁鑿巖臺車在公路隧道工程開挖施工中的應用方法及應用效果，結合北斗坪隧道實例，著重探討了三臂鑿巖臺車開挖施工工藝及施工過程中存在的問題，并針對問題提出了幾點改進建議。工程結果顯示，案例工程不僅驗收合格，還有效節約了工期，且各施工過程中未發生任何安全事故。由此可見，在公路隧道工程中應用三壁鑿巖車，相比常規人工鉆爆施工，可以有效提升施工效率，取得理想的施工效果，值得推廣。

關鍵詞 三臂鑿巖臺車；公路隧道；開挖施工；施工效率；工程質量

中圖分類號 U455.32文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2024）11-0095-04

0 引言

在公路隧道施工中，三臂鑿巖臺車作為一種高效、先進的鑿巖設備，具有顯著的優勢和適用性。不僅有足夠的剛度和強度，能夠承受鑿巖過程中的沖擊和振動，還能夠通過控制系統，實現自動化、智能化操控。基于上述優勢，目前國內一些公路隧道工程先后引入了三壁鑿巖臺車，該文結合工程實例，對這一新型隧道施工設備的具體應用展開探討。

1 三臂鑿巖臺車的基本原理與特性

1.1 三臂鑿巖臺車的構造與工作原理

三臂鑿巖臺車的主要組成部分包括車體、臂架、鑿巖機、推進器、控制系統等，車體是整個設備的支撐部分，通常采用履帶式或輪胎式，具有良好的越野性能和穩定性。臂架是設備的核心部分，通常由高強度鋼材制成，具有足夠的剛度和強度，能夠承受鑿巖過程中的沖擊和振動。鑿巖機是實現鑿巖功能的部分，通常采用氣動或液壓驅動，具有高效率和低能耗的特點。推進器是控制臂架和鑿巖機進給的部分，能夠實現精確的定位和調整。控制系統是整個設備的指揮中心，能夠實現設備的自動化控制和監測，保證設備的安全和穩定運行。

三臂鑿巖臺車的工作原理主要是通過控制系統的指揮，使臂架和鑿巖機按照預定的軌跡進行運動，實現準確的定位和鑿巖。推進器的作用是控制臂架和鑿巖機的進給，使其能夠按照設定的參數進行工作。在鑿巖過程中，鑿巖機通過沖擊或旋轉的方式將巖石破碎，產生的石渣通過設備的排渣系統排出[1]。三臂鑿巖臺車具體結構如圖1所示。

1.2 三臂鑿巖臺車在公路隧道施工中的優勢與適用性

（1）三臂鑿巖臺車能夠大幅提高隧道施工的效率。其獨特的三臂結構使得設備能夠同時進行鑿巖作業，減少了施工時間，提高了施工效率[2]。此外，三臂鑿巖臺車的推進器和控制系統能夠實現精確的定位和調整，進一步提高了施工的準確性和效率。

（2）三臂鑿巖臺車在隧道施工中具有廣泛的應用。由于其高強度、高剛度的臂架結構，以及強大的鑿巖能力，三臂鑿巖臺車適用于各種不同規模、不同地質條件的公路隧道施工。無論是在硬巖還是軟巖中，三臂鑿巖臺車都能夠發揮出色的性能，為隧道施工提供可靠的支持。

（3）三臂鑿巖臺車的安全性和穩定性也是其重要的優勢之一。在隧道施工中，安全始終是首要考慮的因素。三臂鑿巖臺車采用先進的控制系統和監測系統，能夠實時監測設備的運行狀態和鑿巖效果，及時發現并處理異常情況，確保施工過程的安全可靠。同時，三臂鑿巖臺車的穩定性能也得到了充分驗證，能夠在各種復雜的地形和環境下穩定運行，為隧道施工提供可靠的保障。

2 三臂鑿巖臺車在公路隧道開挖施工中的應用實踐

2.1 項目概況

北斗坪隧道左線起止里程樁號為ZK52+090～ZK55+

663，長3 573 m；右線起止里程樁號為K52+090～K55+

680，長3 590 m，屬公路特長隧道，為微瓦斯隧道。隧道左右線合計：Ⅳ級襯砌類型5 392 m，Ⅴ級襯砌類型1 763 m。隧道采用鉆爆開挖。隧道采用分離式雙線隧道，鎮巴端（進口）洞門型式為端墻式，廣安端（出口）洞門型式為倒削竹式。隧道進口左洞設計高程560.61 m，隧道進口右洞設計高程560.79 m；隧道出口左線設計高程523.15 m，隧道出口右線設計高程523.15 m。

2.2 施工工藝流程及操作要點

2.2.1 開挖施工工藝流程

三臂鑿巖臺車開挖施工工藝流程如圖2所示[3]。

圖2 三臂鑿巖臺車開挖施工工藝流程圖

2.2.2 開挖施工操作要點

具體施工操作要點如下：

（1）施工準備。

1）臺車就位前，應對作業面基底整平處理，隧底基面應密實可靠，滿足鑿巖臺車承載力要求，并施作掌子面至仰拱段臨時排水溝。

2）臺車定位控制點應每環進行檢查，若發生移位、損壞，及時更換。

（2）測量放樣。

1）每個循環，采用全站儀對開挖輪廓線和關鍵孔位點用紅色油漆進行放樣（爆破后周邊輪廓線控制較好時取大值），用于驗證臺車定位的準確性。

2）開挖輪廓線測量放樣時，由2名測量人員，通過裝藥臺架，按照鉆爆設計、技術交底或設計圖紙要求進行開挖輪廓線放樣（并對上一循環支護超欠進行核查），并標記紅色噴漆。

（3）臺車就位。調整臺車高度，做好鉆前準備工作。

（4）鉆孔及清理：

1）鉆爆參數調整。在傳統的超前地質預報和超前鉆孔預報的基礎上，需要對上循環開挖斷面的超欠挖情況和前方圍巖情況進行全面的分析。同時，根據光面爆破的要求，應優化爆破方案，采取降低周邊眼及輔助眼的裝藥量、減小周邊眼的間距等措施對鉆爆參數進行動態調整。

2）找點及鉆孔。機手通過搖桿實現精準對孔。鉆眼過程中，安排抽水人員及時抽排掌子面積水，保證后續裝藥順利。

3）鉆孔進尺。Ⅳ級圍巖進尺宜控制在3～3.5 m，Ⅴ級圍巖宜控制在1～2 m。

4）光面爆破控制技術：

①減小周邊眼外插角：施作周邊眼鉆孔時，可采用長短眼結合方式（短眼設置僅在鋼架距掌子面距離不足時設置）。

②裝藥形式：掏槽眼采用連續裝藥，周邊眼采用竹片及導爆索輔助間隔裝藥，利用竹片將藥卷預先加工形成，并設置導爆索傳爆，確保光面爆破效果。周邊眼間距、周邊孔最小抵抗線、相對距、周邊孔裝藥集中度應符合表1規定（見表1）。

③及時優化鉆爆設計：同類圍巖應根據其差異性，結合上循環的開挖效果，通過鉆孔間距，掏槽眼外插角等的調整和裝藥結構來適當的優化鉆爆設計。

④對爆破后的實際效果進行分析，通過殘眼率作為每班光面爆破控制要求；每開挖100 m，通過平均線性超挖率S作為考核指標。爆破質量評定表如表2所示。

隧道線性超挖率為隧道每斷面的超挖面積與設計開挖斷面面積的比值，超挖面積等于超挖斷面周長乘以開挖深度。每開挖一循環后均對開挖斷面進行測量，取得超挖數據，單循環線性超挖率可以通過測量數據計算得出，而后計算100 m范圍內的線性超挖率平均值即為隧道平均線性超挖率。

⑤做好監控量測工作，根據量測數據動態調整預留變形量和開挖輪廓線。

⑥在保證穩定前提下，適當增加初期支護端頭至掌子面距離，減小鉆筆外插角。

5）鉆孔挖成后，對掌子面底部虛渣、積水及時進行清理。

（5）鉆孔驗收。鉆孔驗收時，檢驗鉆孔的位置、孔深、外插角是否滿足鉆爆設計要求，鉆孔是否堵塞。對不滿足要求的鉆孔，應重新鉆孔。

（6）裝藥及爆破。利用裝藥臺架進行人工裝藥，掏槽眼采用連續裝藥，周邊眼采用間隔裝藥。

1）人員及爆破器材就位：

①裝藥前，技術員、安全員、爆破員檢查洞內洞外安全情況，在洞口樹立安全警示牌，設置警戒線。

②洞內炮工到達現場，進行排危及清孔作業，作業時用裝藥臺車貼近掌子面，在裝藥時設置專人進行觀察圍巖情況。

③民爆公司將炸藥送至現場臨時存放點，現場設專人看管爆破器材，炸藥和雷管分開存放。

2）裝藥、起爆、出渣。分發炸藥和雷管，6～9人進行裝藥作業，連接起爆網絡，技術員、安全員、爆破員檢查洞內洞外安全情況，爆破員起爆，洞內空氣質量改善后，技術員、安全員和爆破人員及時去現場檢查并排除掌子面可能存在的盲炮及其他安全隱患。

待開挖斷面檢查完，挖掘機進行掌子面和拱圈排險，清理掌子面控制掌子面坡比，坡比要求小于1∶0.1。挖掘機與裝載機配合出渣，出渣車將石渣運至渣場。

2.3 三臂鑿巖臺車施工效果分析

相比普通人工鉆爆，極大提升了施工進度，通過檢查實施效果，主要有以下幾個優點[4]：

2.3.1 提高隧道開挖效率

造孔快、成型好。三臂鑿巖臺車在堅硬巖中快速鑿巖成孔，單臂造孔速度為2.5 m/min，優于常規氣腿鉆的0.25 m/min。根據圍巖結構特點調整鉆機參數，可使三臂鑿巖臺車保持最佳狀態，能有效提高鉆孔質量和速度。三臂鑿巖臺車能控制周邊眼外插角，減少超挖，確保成型好。

2.3.2 保證隧道施工安全

操作人員在固定平臺遠距離操作機械，設有安全頂棚，避免塌方傷害。三臂鑿巖臺車沖擊力強，能快速清理危石，提高效率。

2.3.3 降低施工成本

能夠節省動力。三臂鑿巖臺車能量利用率高，動力消耗（油料）僅為風動鑿巖機的1/4～1/2，能節約資源，降低成本。

2.3.4 改善了施工環境

三臂鑿巖臺車上操作人員的勞動強度較低，一般為濕式鉆進，粉塵少，且卡鉆較少。同時鉆進過程中噪聲較常規的低，視線好，整體整潔。

2.3.5 節省欠挖與出渣時間

出現欠挖后，長鉆桿處理速度快，不影響正常開挖，每個循環能節省時間1 h左右。三臂鑿巖臺車窄，寬度只有2.9 m，省空間，每個循環能夠減少45 min。

3 三臂鑿巖臺車應用中面臨的問題與對策

3.1 存在的主要問題分析

在公路隧道施工中，三臂鑿巖臺車作為一種高效、先進的鑿巖設備，其使用過程中也存在一些問題。主要包括以下幾個方面[5]：

（1）三臂鑿巖臺車存在的主要問題之一是設備的維護保養。由于三臂鑿巖臺車是一種大型、復雜的機械設備，其維護保養工作對于設備的正常運行和使用壽命具有重要影響。然而，在實際使用過程中，設備的維護保養往往得不到足夠的重視，導致設備出現故障和磨損等問題。這不僅會影響設備的性能和效率，還會增加維修成本，延誤工期。

（2）三臂鑿巖臺車在使用過程中也存在一定的安全風險。由于三臂鑿巖臺車的操作需要高技能、經驗豐富的操作人員，如果操作人員技能不足或操作不當，可能會導致設備故障、人員傷亡等安全事故。此外，隧道施工環境復雜多變，存在許多不確定因素，如地下水、地質災害等，也可能對設備的安全使用造成影響。

（3）三臂鑿巖臺車的成本較高也是其存在的問題之一。由于三臂鑿巖臺車是一種高科技、高附加值的機械設備，其制造成本和維護成本相對較高。對于一些小型隧道工程來說，購買和維護三臂鑿巖臺車的成本可能過高，不具有經濟性。此外，三臂鑿巖臺車的操作和維護需要專業人員，這也增加了人力成本。

3.2 技術改進措施與優化建議

針對三臂鑿巖臺車在公路隧道施工中存在的問題，提出以下技術改進措施與優化建議[6]：

3.2.1 加強設備的維護保養管理

建立完善的維護保養制度，定期對三臂鑿巖臺車進行檢查、保養和維修，確保設備處于良好的工作狀態。同時，加強與設備制造廠的合作與交流，及時獲取技術支持和培訓，提高維護保養水平。

3.2.2 完善安全管理制度

制定操作規程和安全指南，培訓操作人員技能和安全意識，提高應對能力。建立設備安全檢查機制，及時處理隱患。

3.2.3 強化成本管控措施

（1）優化設備設計。通過對三臂鑿巖臺車的設計進行改進和優化，降低制造成本和維護成本。例如，采用高強度材料、優化結構設計和減少易損件等措施，可以提高設備的耐用性，降低維修成本。

（2）提高設備利用率。合理安排施工計劃，提高三臂鑿巖臺車的利用率，降低單位工程量的設備成本。同時，加強設備的調度和管理，避免設備閑置和浪費。

（3）推廣設備租賃。對于一些小型隧道工程來說，可以采用租賃三臂鑿巖臺車的方式，避免一次性投資過大。這樣可以降低工程成本，也可以滿足施工需求。

4 結語

在公路隧道開挖施工中，三臂鑿巖臺車作為一種高效、安全的施工設備，較手持風鉆具有鉆孔速度快、機械化程度高、能耗低、施工安全、成孔質量好、噪聲空氣污染少和綜合成本低等優點，具有廣泛的應用前景。通過該文的探討和分析，以期能為相關工程提供有益的參考和指導，促進公路隧道開挖施工的進一步發展。同時，也期待未來有更多的研究和實踐能夠深入挖掘三臂鑿巖臺車的潛力，提升其在復雜環境下的適應性和工作效率。

參考文獻

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