全智能三臂鑿巖臺車全面推動隧道施工機械化分析

摘要：隨著我國社會經(jīng)濟不斷發(fā)展，近年來我國陸地交通運輸體系變得愈加完善，新建高速公路工程數(shù)量增多，很多高速公路施工需要穿越山體，其中，隧道施工成為了重點和難點。在過去隧道施工主要依靠人工操作機械設備并配合純?nèi)斯し绞秸归_，作業(yè)效率低、人為影響因素多。在智能技術(shù)支撐下，全智能三臂鑿巖臺車應運而生，可根據(jù)系統(tǒng)設計實現(xiàn)智能化施工，極大地減少了人工勞動力投入量，并提高了隧道施工質(zhì)量?；诖?，分析了全智能三臂鑿巖臺車的系統(tǒng)組成與工作范圍，分析設備運行過程控制，結(jié)合某案例探究隧道施工方法，旨在保障隧道施工質(zhì)量、效率、安全。

關鍵詞：全智能三臂鑿巖臺車隧道機械爆破

MechanizationAnalysisofComprehensivelyPromotionofTunnelConstructionbyFullyIntelligentThree-ArmRockDrillingRigs

WUKai

NO.5EngineeringCo.，Ltd.，ChinaRailway11thBureauGroupCorporationLimited，ChongqingCity，400037China

Abstract：WiththecontinuousdevelopmentofChina'ssocialeconomy，thelandtransportationsystemhasbecomeincreasinglyperfectinrecentyears，andthenumberofnewhighwayprojectshasincreased.Manyhighwayconstructionneedstocrossmountains，amongwhichtunnelconstructionhasbecomeakeyanddifficultpoint.Inthepast，tunnelconstructionmainlyreliedonmanualoperationofmechanicalequipuaZell+hJI6gMaXZnKv4Zw==mentandcooperationwithpuremanualmethods，resultinginlowworkefficiencyandmultiplehumanfactors.Withthesupportofintelligenttechnologies，fullyintelligentthree-armrockdrillingrigshaveemerged，whichcanachieveintelligentconstructionaccordingtosystemdesign，greatlyreducingtheamountofmanuallaborinputandimprovingthequalityoftunnelconstruction.Basedonthis，thisarticleanalyzesthesystemcompositionandworkingscopeofthefullyintelligentthree-armrockdrillingrig，analyzestheequipmentoperationprocesscontrol，andexplorestunnelconstructionmethodswithacasestudy，aimingtoensurethequality，efficiency，andsafetyoftunnelconstruction.

KeyWords：Fullyintelligent;Three-armrockdrillingrig;Tunnel;Mechanical;Blast

近年來，我國全面發(fā)展高速公路運輸產(chǎn)業(yè)，新建高速公路工程數(shù)量不斷增多。其中，不可避免地要穿越山體開展隧道施工。過去隧道開鑿由人工操作風鉆鑿巖機進行，隧道輪廓測量、設置爆破孔均要由人工開展，不僅增加了勞動強度和施工風險，同時也降低了施工效率和施工質(zhì)量。特別是在如川藏線路開通隧道，由于當?shù)囟啾瑤r、自然災害多、地質(zhì)條件惡劣，如果采用傳統(tǒng)的人工挖掘手段，會極大地提升施工安全風險。為了解決此類問題，全智能三臂鑿巖臺車應運而生，可借助智能化終端和全自動化機械進行隧道挖掘工作，有效提升了隧道挖掘效率和施工安全。

1全智能三臂鑿巖臺車相關闡述

全智能三臂鑿巖臺車主要由計算機控制系統(tǒng)、輪式底盤、電氣系統(tǒng)、液壓鉆進系統(tǒng)組成。計算機控制系統(tǒng)包括車載系統(tǒng)和辦公室系統(tǒng)構(gòu)成，是實現(xiàn)智能化生產(chǎn)的重要模塊，辦公室系統(tǒng)可為車載系統(tǒng)下達鑿巖指令，三臂鑿巖臺車的車載系統(tǒng)接收到指令后，即可按照智能邏輯開展施工作業(yè)。通常情況下，當前主流的全智能三臂鑿巖臺車可一次完成高10m以上、寬15m以上、最大斷面150㎡的作業(yè)需求[1]。

2全智能三臂鑿巖臺車高精度鉆孔的實現(xiàn)方法

2.1炮孔間距控制

借助計算機軟件系統(tǒng)，將爆破參數(shù)標準以及參考坐標等系數(shù)輸入智能軟件中，計算機平臺將鉆孔深度、炮孔間距與排距、外差值等存儲到記憶卡內(nèi)。在三臂鑿巖臺車作業(yè)中，工作人員只需要將設備運輸?shù)街付ㄎ恢茫㈤_啟作業(yè)模式，系統(tǒng)則會憑借記憶卡信息下達操控指令，對作業(yè)面進行參數(shù)對比、仿真模擬分析，確認無誤后系統(tǒng)即可按照參考坐標自動施工，確保炮孔參數(shù)一一對應，提高炮孔間距的精度。

2.2外差值控制

外差值也就是角度，向辦公室系統(tǒng)軟件輸入爆破設計方案，預先設定好炮孔傾斜角度、鉆進方向等參數(shù)，在爆破圖上可以采用偏向、短線長短代表鉆進方向和角度值。在實際運行中，智能控制系統(tǒng)可根據(jù)設定參數(shù)與實際作業(yè)面進行匹配，讓實際傾斜角、鉆孔方向與設計偏向、短線重合，這樣即可保證外差值的精準度[2]。

2.3炮孔開孔位置控制

通過設置軟件，標定鉆孔位置，可根據(jù)圍巖類別的不同，設置相對應的開孔速度、時間等參數(shù)，特別是對于一些不穩(wěn)定圍巖，要減少沖擊、降低鉆進速率，以保安全。全能控制系統(tǒng)開孔設計到實際開孔作業(yè)，均可以由智能系統(tǒng)自動掌控。

2.4炮孔深度控制

在鉆孔作業(yè)中，系統(tǒng)可自動探測鉆進深度，達到設定深度后停止繼續(xù)鉆進，并自動開啟清孔模式。由于整個鉆機過程均由智能系統(tǒng)自動控制，可保證炮孔底部落在同一鉛垂面內(nèi)，提升了炮孔利用率，同時保障了爆破后工作面的平整度。

2.5炮孔軸線控制

在三臂鑿巖臺車就位后，臺車上安裝的激光定位系統(tǒng)可以實現(xiàn)自動定位，且車載終端自動計算施工參數(shù)，自動建立臺車位置、隧道軸線坐標空間幾何，有效控制開挖面與炮孔、隧道軸線關系。

2.6鉆進順序控制

在辦公室軟件中可設置三臂鑿巖臺車大臂鉆進順序，從而避免大臂之間產(chǎn)生干擾問題，提升掘進效率。

2.7鉆孔精度控制

結(jié)合以往全智能三臂鑿巖臺車使用經(jīng)驗表明，該設備鉆進偏差可控制在3cm/m以內(nèi)；深度偏差不超過1%；開孔深度在2～12m時的誤差不超過12～20cm；開孔偏差在3cm以內(nèi)。鉆孔精度非常高，普通臺車幾乎無法達到該精度標準。

3工程實例

3.1 工程概況

CZSCZQ-7標段一工區(qū)：起訖里程為D2K396+200-DK412+311（東俄洛3號大橋拉薩臺臺尾～高爾寺山隧道4號斜井工區(qū)），正線長16.111km。主要包括橋梁144.32m/座，占線路長度0.89%；隧道15.396km/0.5座，占線路長度95.56%；路基568.84m/段，占線路長度3.53%。高爾寺山隧道地質(zhì)構(gòu)造非常復雜、地質(zhì)條件差。隧道穿越4條斷層，4條褶皺。全隧以軟質(zhì)的含碳板巖夾砂板巖為主，主要不良地質(zhì)有軟巖大變形、高地溫、順層偏壓、危巖落石、有害氣體、涌突水等，施工安全風險高。最大獨頭掘進長度5029m[3-4]。

3.2施工方法

CZSCZQ-7標段為做好大機配套施工作業(yè)，積極從全公司抽調(diào)經(jīng)驗豐富的大機施工管理人員與操作人員。起于高爾寺山隧道進口右線和帕姆嶺進口正式開始使用三臂鑿巖臺車進行開挖作業(yè)，經(jīng)多個循環(huán)磨合，大機施工各項指標已趨于正常。大機施工的開挖鉆孔工序較傳統(tǒng)人工開挖有較大區(qū)別，其機械配置如表1所示。

3.3施工效果

3.3.1作業(yè)循環(huán)時間

在三臂鑿巖臺車就位、上水、人工拖電纜、參數(shù)輸入等準備階段，共需要15～20min，鉆孔時間在120～150min之間、裝藥時間在100～150min之間、通風時間為30min、三臂鑿巖臺車及其相關裝置撤離需30min左右、出渣時間在240～300min之間，總計用時約10h，考慮錨桿施工需要多增加一些時間，因此一個循環(huán)時間在11h以內(nèi)。

3.3.2爆破效果

通過直眼掏槽，炮孔利用率可達97%以上，具備良好的塊度，可用作路基填料，輪廓炮痕保存率在85%以上，拱部更是高達93%以上，讓邊墻光面爆破效果得到進一步提升，這也是應用全智能三臂鑿巖臺車的優(yōu)勢之一[5]。

3.3.3欠挖與中心貫通

通過觀察隧道開挖面可知，其平均線性超為14.5cm，未發(fā)現(xiàn)欠挖狀況，整體開挖輪廓圓滑平順。中線橫向貫通誤差平均小于6.5cm，完全滿足規(guī)定標準。

3.3.4開挖進度

平均每天2茬炮，進尺量為7～8m，月進尺平均達到200m以上，進尺最高月份達到240m。

3.3.5初期支護

支護采用φ90長管棚，長度為12～15m，同樣采用自動化跟蹤技術(shù)，噴射混凝土強化表面，最終檢測回彈率在16%左右，可滿足施工要求[6]。

3.4施工優(yōu)勢

（1）施工效率高：尤其在III級以上圍巖，三臂鑿巖臺車鉆孔速度優(yōu)勢明顯，2min內(nèi)可完成5m左右的鉆孔；隧道內(nèi)進行超前小導管施工、管棚施工優(yōu)勢也比較明顯。（2）安全性高：掌子面作業(yè)人數(shù)少，且遠離掌子面，操作人員在密閉駕駛樓里，相比人工鉆孔，安全性大大增加。（3）環(huán)保：掌子面空氣質(zhì)量保持較好，噪音也較??；操作人員在密閉駕駛樓里，可減少噪音傷害，且夏天有空調(diào)，冬天有暖氣，可為操作手提供較為舒適的環(huán)境。（4）施工工法靈活：特別是仰拱開挖方面比較有優(yōu)勢，可實現(xiàn)下臺階帶仰拱開挖，全斷面帶仰拱開挖，且仰拱開挖質(zhì)量較人工開挖高。（5）施工質(zhì)量高：特別是錨桿施工，長度和與巖面角度可以得到保證（鎖腳錨桿要求角度斜向下，系統(tǒng)錨桿要求垂直巖面，人工施工非常困難甚至做不到）。（6）人員需求少，適應高原環(huán)境和目前勞動力匱乏的現(xiàn)狀。（7）節(jié)省體力：機械化施工可大幅度減少工人勞動強度。

4結(jié)語

綜上所述，人工手持風鉆施工模式投入人員多，勞動強度大，作業(yè)環(huán)境條件差，能源消耗高，掘進速度慢。從目前國內(nèi)政策，人力資源以及現(xiàn)代企業(yè)發(fā)展，科技進步等方面來看，隧道大型機械化施工是一個必然趨勢。全智能三臂鑿巖臺車在大斷面、大進尺開挖中優(yōu)勢巨大，進尺越大，開挖工序時間越短，人工、設備折合成本越低，雖然可能在加強支護方面需增加一定的材料成本，但是機械化施工在減輕工人施工強度，改善洞內(nèi)作業(yè)環(huán)境，提高施工安全系數(shù)方面起到的作用十分明顯。

參考文獻

[1]富凡芮，李曼.全智能三臂鑿巖臺車全面推動隧道施工機械化[J].科技創(chuàng)新與品牌，2020（5）：320-321.

[2]施龍.全電腦三臂鑿巖臺車在高速公路長大隧道應用中的研究[J].中文科技期刊數(shù)據(jù)庫（全文版）工程技術(shù)，2022（9）：499-502.

[3]彭仁軍，李三華，劉愛兵，等.全電腦三臂鑿巖臺車在鐵路隧道開挖施工中的應用[J].建設機械技術(shù)與管理，2020，33（4）：433-435.

[4]楊瑞.三臂鑿巖臺車自調(diào)節(jié)氣霧排渣技術(shù)在長大深埋隧道中的應用研究[J].價值工程，2023，42（23）：104-106.

[5]燕波.基于大型機械施工的雙線高鐵隧道圍巖穩(wěn)定性分析及支護優(yōu)化研究[D].成都：西南交通大學，2021.

[6]李佳旺.鄭萬高鐵大斷面隧道機械化施工力學特性及支護參數(shù)優(yōu)化研究[D].成都：西南交通大學，2021.