高速鐵路隧道三臂鑿巖臺車開挖應用與探討

張勇

摘 要：傳統(tǒng)的隧道鉆爆開挖采用人工手持風動氣退式鑿巖機開挖，隨著鐵路隧道施工及裝備水平的不斷提高，液壓鑿巖臺車機械化開挖在隧道中已得到廣泛運用，如何提高工效、加快施工進度，主要取決于施工工法、施工機械裝備配套、施工組織及工序作業(yè)循環(huán)時間等。以在建高速鐵路長大山嶺隧道為依托，Ⅲ級圍巖為例，采用三臂鑿巖臺車進行隧道開挖，實現(xiàn)了快速、優(yōu)質(zhì)、安全、高效施工。

關鍵詞：隧道 三臂鑿巖臺車 開挖應用

中圖分類號：U455 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）04（a）-0037-03

隧道傳統(tǒng)的人工手持風鉆鉆爆開挖已逐漸不能滿足國家對環(huán)保、低耗能、經(jīng)濟性和高安全的要求，而液壓鑿巖臺車是目前隧道鉆爆法施工中先進的開挖設備，隨著勞動力成本節(jié)節(jié)攀升，以及業(yè)主對工程安全、質(zhì)量、工期的高度重視， 液壓鑿巖臺車施工技術成為專業(yè)化施工隊伍做大做強所理應發(fā)展的技術，在降低人工開挖勞動強度、改善作業(yè)環(huán)境、充分發(fā)揮機械設備效率等方面具有明顯優(yōu)勢，符合現(xiàn)代隧道施工潮流，是今后隧道施工機械化發(fā)展的必然。

1 概述

1.1 工程概況

清涼山隧道是西成高鐵（陜西境內(nèi)）XCZQ-2標段內(nèi)控制性工程，為設計時速250 km/h的雙線隧道。該隧道全長12.553 km，起訖里程Dgk56+156～Dgk68+709，進出口位于曲線上，其余地段位于直上線，線路縱坡為25‰單面上坡，軌道基礎部分為CRTS-Ⅰ型雙塊式無砟道床。分進出口及2個斜井共4個工區(qū)6個工作面施工，計劃2013年1月23日開工，2015年11月16日完工。

1.2 水文地質(zhì)概況

該隧道整體埋深較大，最大埋深970 m，最小埋深35 m，并穿越地表多處溝谷，洞口地形地貌復雜。隧道圍巖主要為片巖、片巖夾大理巖、花崗巖，圍巖級別劃分為Ⅴ、Ⅳ、Ⅲ、Ⅱ類，節(jié)理不發(fā)育～發(fā)育，巖石堅硬、完整，局部破碎，且隧道穿過f1～f5斷裂構造帶和巖性接觸帶，地下水主要為構造裂隙水，碳酸巖溶裂隙水及風化裂隙水，中等富水區(qū)。地震動峰值加速度為0.10 g，地震基本烈度Ⅶ度。

1.3 施工方法

按新奧法原理施工，Ⅱ級圍巖全斷面開挖，Ⅲ級圍巖臺階法開挖或在圍巖加固后采用全斷面開挖，Ⅳ、Ⅴ級圍巖臺階法開挖。其中二號斜井3 486 m主要為Ⅲ級圍巖，采用機械化Ⅰ級配置，即液壓三臂鑿巖臺車+濕噴機械手進行全斷面鉆爆開挖（仰拱臺車開挖，輔助破碎錘處理欠挖），裝載機、自卸汽車出碴，濕噴機械手噴射混凝土，移動棧橋配合移動仰拱模架進行仰拱全幅施工，12 m門式液壓鋼模襯砌臺車進行二次襯砌。通過以上開挖、出碴、襯砌三條機械化配套作業(yè)線來達到快速施工的目的。

2 施工組織

2.1 施工組織模式

采用項目部、工區(qū)、架子隊三級管理模式組織施工，配套施工由工區(qū)協(xié)調(diào)、管理，架子隊負責具體實施。斜井長度1 170 m，綜合坡度10%，斜井進入主洞后，形成兩個工作口施工。

2.2 鉆爆開挖施工主要設備配置

三臂臺車鉆爆開挖設備應根據(jù)出碴運距、運輸條件、出碴量、循環(huán)時間、進度等因素確定。主要配備阿特拉斯·科普柯Boomer XL3D三臂鑿巖臺車2臺、濕噴機械手2臺、多級軸流通風機2臺、裝載機4臺、挖機2臺、18 t出渣運輸車12臺、12 m液壓鋼模全斷面襯砌臺車2臺、18 m長仰拱移動棧橋2臺。

2.3 主要勞動力配備

三臂臺車鉆爆作業(yè)：司鉆工6人、爆破工9人、隧道工2人，共18人；輔助生產(chǎn)人員電工1人、設備維修保養(yǎng)2人、配件采購兼庫管員1人。

2.4 掘進進尺計劃

根據(jù)地質(zhì)情況和支護形式、工期要求等，鉆孔深度4 m，循環(huán)進尺3.5～3.8 m，循環(huán)時間720 min，2個/d循環(huán)，扣除設備保養(yǎng)維修及施工耽誤、不可預見因素的影響，2臺臺車每月有效工作時間25 d，平均循環(huán)進尺3.6 m，月平均進度180 m、最高210 m。

3 三臂臺車施工

3.1 施工工藝

Ⅲ級圍巖斷面130.1 m2，以設計填充面標高為分界線，全斷面開挖面積114.5 m2，仰拱開挖面積15.6 m2。

（1）臺車定位：隧道斷面尺寸滿足雙臺車作業(yè)空間，定后可保持兩車之間間隔2.5 m左右，外側壁之間距離2.4 m左右。

（2）測量放線：采用全站儀進行測量放線，利用鑿巖臺車中間的吊籃畫出中心線和周邊眼孔位置，對上一循環(huán)的開挖斷面進行復測，并在現(xiàn)場標識超欠挖情況以便進行欠挖處理。

（3）臺車鉆眼：按爆破設計進行鉆孔，鉆孔孔徑為45 mm，先施工掏槽眼，然后施工周邊眼及其他炮眼，掏槽眼中部鉆5個Ф45的空眼，以提高掏槽效果和爆破減振。

（4）爆破參數(shù)：采用楔形復式掏槽，減弱爆破，周邊光面爆破。使用直徑Φ32 mm 2#巖石乳膠炸藥、1～15段非電微差毫秒雷管、導爆索進行爆破，8#電雷管和起爆器起爆。周邊眼間距45～50 cm，利用竹片間隔裝藥，全斷面炮眼共221個，巖石單位耗藥量0.9 kg/m3，炸藥選擇低爆速、低猛度、高爆力、鉆爆好的炸藥，雷管每段間隔大于50 ms，避免地震波的疊加，減輕震動。

（5）裝藥爆破：清孔后利用臺車掛籃裝藥，檢查毫秒雷管的連線和接上電雷管，確認各班組操作人員及設備撤離到安全區(qū)后方可爆破，并由專人負責指揮和安全警戒。

（6）出碴：2臺裝載機裝碴，自卸汽車運輸，挖機輔助清理掌子面。

（7）初期支護：基于Ⅲ級圍巖的地質(zhì)條件，先對圍巖面進行初噴，三臂臺車在打完下一茬炮后，接著將上茬炮開挖段的系統(tǒng)錨桿打設，然后2～3個循環(huán)（8～10 m）利用臺車掛網(wǎng)，濕噴機械手復噴混凝土至設計厚度。圍巖較差時進行一炮一支護，以確保安全。

（8）優(yōu)化爆破設計：每次爆破后檢查爆破效果、分析原因，及時根據(jù)爆破效果和當前地質(zhì)情況修正爆破參數(shù)，指導現(xiàn)場施工。

3.2 施工順序及作業(yè)程序要求

（1）施工順序及方法：測量放線→全斷面開挖→初期支護→鋪底→施作二次襯砌→洞內(nèi)無砟道床及附屬結構。

（2）作業(yè)程序要求（詳見表1）。

3.3 開挖技術要求

（1）全斷面開挖空間大，工序少，各工序應平行交叉作業(yè)，縮短循環(huán)時間；開挖斷面量大，引起的爆破震動大，應嚴格控制一次同時爆破炸藥量。

（2）按照鉆爆設計要求控制炮眼間距、深度和角度，鉆眼完畢按照炮眼布置圖進行檢查，對不符合要求的炮眼應重新鉆孔，合格后方可裝藥。

（3）兩個循環(huán)的接茬位置平滑、圓順。

（4）按要求進行掌子面地質(zhì)素描。

（5）鉆孔人員及時反映鉆孔所遇到的卡鉆、突進及孔內(nèi)滲水、帶泥砂等不正?，F(xiàn)象。

（6）施工控制光面爆破半眼痕跡率，中硬巖80%、軟巖60%及以上，開挖斷面圓順，炮眼接茬錯臺小于15 cm；線性超挖拱墻部不大于15 cm、仰拱10 cm，局部欠挖（1 m2≯0.1 m2）不大于5 cm。

4 常見問題處理措施

4.1 如何保證連續(xù)作業(yè)、提高進度、穩(wěn)定生產(chǎn)

（1）各工序要環(huán)環(huán)相扣，明確專人負責現(xiàn)場協(xié)調(diào)工序施工，調(diào)配設備和人員，減少工序搭接時間。

（2）配足仰拱施工移動棧橋及勞動力，加快仰拱、二襯施工進度，避免因安全步距超標影響開挖。

（3）成立臺車維修班，專門負責日常維修與保養(yǎng)，每班作業(yè)后對臺車保養(yǎng)，每月大保養(yǎng)一次，形成規(guī)范的保養(yǎng)制度，確保設備正常運轉(zhuǎn)，保證生產(chǎn)。

（4）三臂臺車易損件常備，比如鉆桿、鉆頭、液壓油管等，需使用質(zhì)量好的廠家配件，型號要配對，避免耽誤施工。

4.2 改善光面爆破與超欠挖

光面爆破與超欠挖是隧道鉆爆開挖的經(jīng)濟技術重要指標，為了達到該效果，采取了如下措施。

（1）技術人員跟班作業(yè)，指導布孔、鉆孔、裝藥。

（2）對三臂臺車班操作手進行技術培訓，增強操作手掌握鉆眼技巧，提高鉆爆施工水平。

（3）每循環(huán)對爆破效果評價、分析，查找不足，及時糾正。

（4）根據(jù)揭露的巖層節(jié)理、裂隙發(fā)育情況及巖性特征，修正爆破參數(shù)。

（5）根據(jù)爆破振速監(jiān)測，調(diào)整單段起爆炸藥量及雷管段數(shù)分布。

（6）精確放樣，保證測量精度，標出炮眼位置，設置鉆眼導向標，專人指揮掛孔。

（7）定人定孔，并進行考核。

5 三鑿巖臺車與手持風鉆開挖應用效果對比分析

（1）工藝技術性：三臂鑿巖臺車為全液壓傳動， 能效高，進出靈活方便，就位快速，技術先進，人工手持風鉆為風能傳動，其效率只有液壓傳動的30%。

（2）安全性：三臂鑿巖臺車施工掌子面人員少，且操作人員在掌子面后端10 m以上，找頂比人工效率高，安全性好。

（3）光爆效果：經(jīng)統(tǒng)計，平均線性超挖臺車8 cm、人工風動12cm，半眼痕跡率臺車達91.5%，人工風動80%，與人工風動相比，大大提高鉆孔質(zhì)量，減少超挖。

（4）洞內(nèi)作業(yè)環(huán)境和文明施工：鑿巖臺車采用閉式油路系統(tǒng)噪音小，也沒有風鉆排出的濕霧狀的廢氣，空氣較清晰，掌子面視線較好，場地簡潔、整齊，有利于改善洞內(nèi)作業(yè)環(huán)境與掌子面文明施工。

（5）節(jié)省勞動力：鑿巖臺車開挖只需6個司鉆工、9個炮工，而人工手持風鉆開挖則需38人，可節(jié)省大量人力，降低了勞動強度。

（6）鉆眼速度快：鑿巖臺車鉆孔有強大的推進力，可以實現(xiàn)多孔同時推進，一次成多孔，減少鉆孔時間。經(jīng)統(tǒng)計計算，鑿巖臺車平均鉆孔速度為2～2.5 min/孔·4m，比人工風動鑿巖速度快58%。同時不需要工作輔助平臺，可節(jié)約非鉆孔時間。

（7）工效：經(jīng)統(tǒng)計分析，臺車開挖最高月達204.2 m，平均185.8 m，比風動開挖進度快、電量消耗低，工期有保證。

（8）多功能用途：三臂鑿巖臺車作業(yè)面積大，操作靈活，隧道作業(yè)環(huán)境適應性強，具有鉆裝錨桿孔、超前小導管與管棚孔，及特殊地質(zhì)條件下鉆注漿孔、超前地質(zhì)預報鉆探孔的多用途功能。但鑿巖臺車比人工風動開挖操作專業(yè)性要求高，設備費用一次性投入大，消耗的鉆桿、鉆頭及設備配件昂貴，對短小隧道來說不如人工風動鉆爆經(jīng)濟。

6 三臂鑿巖臺車設備先進性探索

根據(jù)有關網(wǎng)絡媒體披露，目前國內(nèi)首臺全電腦三臂鑿巖臺車已研制成功，該三臂鑿巖臺車采用人機互聯(lián)，實現(xiàn)了數(shù)字化鑿巖臺車，所有工作狀態(tài)都可以在電腦屏幕上實時顯示，并進行調(diào)整和計算，開挖過程由電腦按預先優(yōu)化的方案自動運行，所有鉆孔的定位開孔和鉆進循環(huán)、超欠挖控制完全由電腦自動完成，并可利用臺車智能系統(tǒng)自動分析地質(zhì)和安全報警，實時監(jiān)控記錄鉆進過程的信息。

此設備比現(xiàn)有三臂鑿巖臺車更具優(yōu)越性，技術性先進，實現(xiàn)了鉆孔作業(yè)智能化，能更好的提高功效和鉆爆效果，是隧道鑿巖臺車鉆爆開挖先進性的新起點，值得推廣應用。

7 結語

鑿巖臺車是鉆爆法開挖最先進的設備，與傳統(tǒng)的人工手持風鉆開挖有顯著的優(yōu)勢，它是今后隧道建設施工機械化、專業(yè)化、設備智能化發(fā)展的必然趨勢，通過應用，達到了快速、優(yōu)質(zhì)、安全、高效施工預期目的，為今后長大隧道施工積累了經(jīng)驗。

參考文獻

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