全電腦三臂鑿巖臺(tái)車在高鐵軟弱圍巖隧道的開挖技術(shù)及主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)分析

郭國(guó)鋼

（中鐵一局集團(tuán)第四工程有限公司，陜西 咸陽(yáng) 712000）

1 工程概況及隧道圍巖地質(zhì)情況

鄭萬高速鐵路重慶段干溪溝隧道位于重慶市奉節(jié)縣白帝鎮(zhèn)和朱衣鎮(zhèn)轄區(qū)內(nèi)，全長(zhǎng)11883m，工期55 個(gè)月，單洞雙線布置。輔助坑道采用“1#橫洞+2#橫洞+3#橫洞”的方案，分1#橫洞、2#橫洞、3#橫洞小里程、3#橫洞大里程、出口五個(gè)作業(yè)面組織施工。

隧道穿越巴東組二段地層，巖性為泥巖夾砂巖，巖層產(chǎn)狀為N28°W ∠11°N（10°），地下水以基巖裂隙水為主，圍巖級(jí)別為Ⅳ級(jí)，節(jié)理較發(fā)育，圍巖較破碎。正洞開挖IV 級(jí)圍巖段采用臺(tái)階法，輔以拱部設(shè)置Φ42 小導(dǎo)管和全環(huán)型鋼鋼架加強(qiáng)支護(hù)。3#橫洞小里程正洞長(zhǎng)1800m，以Ⅳ級(jí)圍巖為主，為泥巖夾砂巖，相對(duì)其他四個(gè)口，圍巖整體性略好，少水。開挖斷面158.9m2，上臺(tái)階108.9m2，采用2 臺(tái)Epiroc 安百拓Boomer XE3C 全電腦三臂臺(tái)車，雙機(jī)并打進(jìn)行鉆爆法開挖，下臺(tái)階開挖斷面50m2，采用人工風(fēng)鉆開挖。其他四個(gè)工作面因圍巖較差，使用傳統(tǒng)的“人工風(fēng)鉆+開挖臺(tái)架”方式開挖。

2 全電腦臺(tái)車開挖鉆爆設(shè)計(jì)

（1）炮孔布置。隧道爆破施工屬動(dòng)態(tài)調(diào)整工序，鉆爆參數(shù)根據(jù)圍巖變化及時(shí)動(dòng)態(tài)修正和動(dòng)態(tài)管理。為減少爆破振動(dòng)對(duì)圍巖的擾動(dòng)，根據(jù)圍巖特點(diǎn)，合理選擇周邊眼間距及周邊眼的最小抵抗線，輔助炮眼交錯(cuò)均勻布置，周邊炮眼與輔助炮眼眼底在同一垂直面上，采用斜眼掏槽的方式，掏槽眼加深20cm，根據(jù)揭露圍巖情況，現(xiàn)場(chǎng)周邊眼間距取45cm，周邊眼最小抵抗線W=55 ～60cm，詳見爆破炮眼布置圖，見圖1。

圖1

（2）爆破參數(shù)（圖2）。

(3)爆破器材。主爆藥采用爆炸性能、抗水性能、安全性能較好及環(huán)境污染小的2 號(hào)巖石乳化炸藥，規(guī)格為Φ32mm×250mm。周邊眼采用直徑20mm 低爆速的光爆藥卷。裝藥結(jié)構(gòu)用竹片綁扎，導(dǎo)爆索傳爆，間隔裝藥，根據(jù)圍巖情況，對(duì)間隔距離和藥量進(jìn)行調(diào)整。

圖2

3 全電腦臺(tái)車開挖方式及設(shè)備、人員配置

干溪溝隧道3#橫洞小里程正洞Ⅳ圍巖采用大斷面開挖方法施工，上臺(tái)階高度9.00m，下臺(tái)階高度3.38m,上臺(tái)階長(zhǎng)度約35 ～45m，下臺(tái)階與上臺(tái)階同步施工。上臺(tái)階采用三臂鑿巖臺(tái)車鉆設(shè)炮孔，開挖延米量為108.9m3。下臺(tái)階采用人工風(fēng)鉆開挖。

上臺(tái)階配置2 臺(tái)Epiroc 安百拓Boomer XE3C 全電腦三臂臺(tái)車，鉆設(shè)掌子面炮孔、超前探孔和系統(tǒng)錨桿孔，裝藥仍然采用開挖臺(tái)架人工裝藥。配置了一輛皮卡車，用于運(yùn)送生活物資、維修配件、人員進(jìn)出洞等。配備臺(tái)車操作手6 人（其中2 名為學(xué)員），臺(tái)車電工1 名，維保人員2 名，炮工10 名（臺(tái)車裝藥兼下臺(tái)階風(fēng)鉆開挖）。

4 全電腦臺(tái)車供電、供水及移動(dòng)棧橋的改進(jìn)

（1）供電：2 臺(tái)全電腦臺(tái)車總用電功率為450kW，用70mm2的10kv 高壓電纜進(jìn)洞，洞內(nèi)配置630kvA 箱式移動(dòng)變壓器1 臺(tái)，距離掌子面始終保持在200 ～500m，確保末端電壓降不低于5%，即給電腦臺(tái)車供電電壓不低于360V；每個(gè)臺(tái)車供電采用獨(dú)立的回路，在移動(dòng)棧橋近端設(shè)兩臺(tái)移動(dòng)配電箱，從箱式變壓器以240mm2的三相五線制銅芯絕緣電纜引入電源，每個(gè)配電箱內(nèi)設(shè)1 個(gè)800A 的可見觸點(diǎn)漏電斷路器，設(shè)兩個(gè)630A 的漏電斷路器開關(guān)（一用一備）,并設(shè)電表一個(gè)，用于臺(tái)車耗電統(tǒng)計(jì)。配電箱至臺(tái)車?yán)门_(tái)車電纜卷筒自帶的100m 電纜線，沿移動(dòng)棧橋欄桿外側(cè)鋪設(shè)。

（2）供水：全電腦臺(tái)車鉆孔時(shí)的沖渣水壓不低于8bar，且要求供水充足，否則沖渣不暢臺(tái)車會(huì)報(bào)警并自動(dòng)停鉆。在洞內(nèi)距掌子面200 ～500m 處設(shè)30m3可移動(dòng)式水箱1 個(gè)，由洞外引入清潔水源蓄于水箱，用22kW 管道加壓泵向臺(tái)車水泵供水，供水壓水不小余2bar，管道直徑為100mm,在移動(dòng)棧橋附近分為兩路直徑50mm 水管,設(shè)水閥，裝水表，接入臺(tái)車自帶的供水軟管。水箱平時(shí)應(yīng)蓄滿水，水閥可改為聲控或遙控，以節(jié)約供水時(shí)間。

（3）移動(dòng)棧橋的改進(jìn)：全電腦三臂臺(tái)車自重48.5t，全長(zhǎng)17.36m，左右輪胎最寬處2.93m。原高鐵隧道通用的24m自行式液壓移動(dòng)棧橋，寬度一般為3.4m，兩端爬梯較陡。因?yàn)槿娔X臺(tái)車較長(zhǎng)也較重，在上棧橋和下棧橋時(shí)，當(dāng)臺(tái)車重心越過棧橋爬梯頂端，臺(tái)車會(huì)出現(xiàn)較大的左右晃動(dòng)，存在安全隱患，棧橋不做改進(jìn)則不利于臺(tái)車快速通過。改進(jìn)前每次過棧橋需耗時(shí)30 ～40min,非常影響鉆爆循環(huán)時(shí)間,且危險(xiǎn)性較大，若指揮、操作稍有不當(dāng)，則全電腦臺(tái)車有可能跌下棧橋，造成重大損失。經(jīng)多次觀察、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，聯(lián)系棧橋廠家，制定了移動(dòng)棧橋改進(jìn)方案，將棧橋由3.4m 加寬至4.0m,前后引橋（爬梯）也隨之加寬，兩側(cè)各寬出臺(tái)車輪胎約50cm，將后引橋長(zhǎng)度由5.8m 加長(zhǎng)至8.0m,使坡度由14°度降至9°；隨著加寬和加長(zhǎng)，棧橋重量隨之增加了3t 左右，液壓泵站、履帶行走裝置、主頂升油缸也隨之加大一級(jí)。經(jīng)以上改進(jìn)后，臺(tái)車過棧橋的時(shí)間縮短至10min 以內(nèi)，大大提高了通行效率和安全性，大幅縮短了鉆爆循環(huán)時(shí)間。

5 開挖作業(yè)流程及時(shí)間控制

Ⅳ級(jí)圍巖立型鋼拱架，臺(tái)車采用T38 鉆桿，?45 鉆頭。

為了對(duì)全電腦臺(tái)車的使用情況進(jìn)行跟蹤分析，從挖掘機(jī)清完斷面開始，每個(gè)鉆爆循環(huán)都進(jìn)行了完整的工作寫實(shí)記錄，進(jìn)行連續(xù)的分析，鉆爆作業(yè)流程及平均用時(shí)如表1。

表1 干溪溝隧道3 號(hào)小里程臺(tái)車鉆爆作業(yè)流程及平均用時(shí)

6 主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)分析

干溪溝隧道3 號(hào)橫洞小里程正洞，從2018 年6 月1 日開始，截至2019 年12 月20 日，兩臺(tái)XE3C 全電腦三臂臺(tái)車開挖一個(gè)掌子面，IV 級(jí)圍巖（有拱架）分上下臺(tái)階開挖，共完成開挖402 次，19 個(gè)月累計(jì)進(jìn)尺1407m，平均月進(jìn)尺74.05m,平均每循環(huán)鉆孔用時(shí)2.09 小時(shí)（含錨桿孔），每循環(huán)進(jìn)尺3.5m,平均線性超挖22cm，火工品單耗為0.5kg/m3，平均開挖成本115.5 元/m3。其中人工費(fèi)31.22 元/m3、臺(tái)車內(nèi)租費(fèi)62.19 元/m3、鉆具消耗2.51 元/m3、配件及潤(rùn)滑油2.29 元/m3、電 費(fèi)1.58 元/m3、柴油1.81 元/m3、水費(fèi)0.39 元/m3、人員生活費(fèi)及交通車輛費(fèi)2.29 元/m3，小計(jì)104.28 元/m3；火工品消耗11.22 元/m3。實(shí)際單耗為：炸藥0.5kg/m3，水78kg/m3,電2.11kwh/m3,柴油0.29kg/m3。

干溪溝隧道3 號(hào)橫洞大里程正洞開挖，仍采用人工風(fēng)鉆的方式，開挖成本為50 元/m3左右。從上表計(jì)算中可以看出，臺(tái)車設(shè)備和人員具備兩個(gè)掌子面的開挖能力，但只開挖了小里程的一個(gè)掌子面，所以人工費(fèi)和臺(tái)車內(nèi)部租費(fèi)居高不下，導(dǎo)致開挖成本較高。比人工風(fēng)鉆開挖成本高約65.5 元/m3，高131%。

（1）全電腦臺(tái)車如果能兼顧兩個(gè)掌子面施工，則內(nèi)租費(fèi)和人工費(fèi)減半，分別下降到31.1 元/m3和15.61 元/m3，核算后成本能降低到68.8 元/m3左右。比人工風(fēng)鉆開挖略高，約18.8 元/m3，高37.6%。

表2

（2）如果臺(tái)車按折舊費(fèi)計(jì)算，還是只開挖一個(gè)掌子面，則臺(tái)車折舊費(fèi)為24.72 元/m3，核算后開挖成本為78.03 元/m3，比人工風(fēng)鉆開挖成本高28 元/m3，高56%。

（3）如果全電腦臺(tái)車按折舊費(fèi)計(jì)算，同時(shí)又兼顧兩個(gè)掌子施工，則核算后開挖成本會(huì)下降到50.06 元/m3。與人工開挖成本基本持平。對(duì)于Ⅳ級(jí)軟弱圍巖，這是在不考慮全電腦臺(tái)車投資回率或設(shè)備創(chuàng)利及大修理能提的情況下，最好的成本情況。

（4）每循環(huán)比人工風(fēng)鉆開挖節(jié)約0.5 小時(shí)，19 個(gè)月402 個(gè)循環(huán)，累計(jì)節(jié)約201 小時(shí)，即8 天左右。

（5）從計(jì)算表中可以看出，因圍巖較軟，臺(tái)車鉆具消耗和炸藥單耗相比硬巖較小。一般硬巖條件下，鉆具消耗在6 ～8 元/m3左右，炸藥單耗在1.1 ～1.4kg/m3左右。

7 全電腦三臂鑿巖臺(tái)車在高鐵軟弱圍巖隧道的使用分析

（1）技術(shù)經(jīng)濟(jì)性及適應(yīng)性分析：通過以上統(tǒng)計(jì)分析得知，全電腦三臂臺(tái)車應(yīng)用于高鐵軟弱圍巖隧道，Ⅳ級(jí)大斷面開挖作業(yè)，超挖比人工風(fēng)鉆略大，人工風(fēng)鉆平均線性超挖為15cm 左右，臺(tái)車為22cm 左右；鉆爆循環(huán)速度比人工風(fēng)鉆略快，含錨桿孔時(shí)間，每循環(huán)快30min 左右；開挖成本較人工風(fēng)鉆高，如果組織得當(dāng)，且不考慮設(shè)備創(chuàng)利及大修理能提，則與人工風(fēng)鉆開挖成本持平；安全、環(huán)保、勞動(dòng)強(qiáng)度、社會(huì)效益等方面的優(yōu)勢(shì)是人工風(fēng)鉆無法比擬的。綜合來看，全電腦三臂臺(tái)車應(yīng)用于高鐵軟弱圍巖大斷面開挖作業(yè)，是可行的。

（2）存在的問題分析：全電腦三臂臺(tái)車雙機(jī)并打，應(yīng)用于高鐵隧道Ⅳ級(jí)軟弱圍巖開挖，相比III 級(jí)及以上硬巖隧道開挖，其速度優(yōu)勢(shì)、人員減少優(yōu)勢(shì)不明顯，且超挖量較大，開挖和噴砼成本高。問題主要表現(xiàn)在以下方面：一是工作面少，兩臺(tái)全電腦臺(tái)車只有一個(gè)工作面，臺(tái)車?yán)寐实驮斐少Y源浪費(fèi)，折舊攤銷等費(fèi)用較高，成本增加；二是單工序作業(yè)，開挖班組獨(dú)立于出碴、立架、噴砼、襯砌等班組之外，開挖之外的其他工序有延誤，則循環(huán)時(shí)間延長(zhǎng)，不利于全電腦臺(tái)車整體效能的發(fā)揮；三是有拱架區(qū)段，臺(tái)車推進(jìn)梁固有尺寸沒法改變，拱架輪廓限制了鉆臂外插角的調(diào)整，加之臺(tái)車鑿巖機(jī)的固有超挖，造成臺(tái)車超挖較人工開挖大；四是隧道圍巖較差，設(shè)計(jì)沒有預(yù)加固，仍然分上下臺(tái)階開挖，未全斷面開挖，受安全步距影響，大機(jī)配套難以施展，設(shè)備及工序之間干擾大，有時(shí)掌子面開挖要停下來等二襯或仰拱施工，臺(tái)車快速開挖的優(yōu)勢(shì)得不到發(fā)揮，人員也沒有明顯減少；五是人工費(fèi)尚未出現(xiàn)拐點(diǎn)，國(guó)家大機(jī)配套開挖定額未修改提高，現(xiàn)階段臺(tái)車開挖成本相對(duì)人工風(fēng)鉆開挖較高；六是全電腦臺(tái)車購(gòu)買一次性投入大，臺(tái)車配件及鉆具價(jià)格高昂，進(jìn)一步加大了臺(tái)車的使用成本；七是由于乳膠炸藥的使用受到限制，鑿巖臺(tái)車雖實(shí)現(xiàn)了快速打眼，但是，專業(yè)的裝藥臺(tái)車在我國(guó)應(yīng)用的較少，目前，現(xiàn)場(chǎng)仍使用開挖臺(tái)架或拱架安裝臺(tái)車來輔助人工裝藥，人員減少受限，且裝藥時(shí)間節(jié)約不多。

8 全電腦臺(tái)車的使用改進(jìn)措施

（1）改變分包模式，為全電腦臺(tái)車等大機(jī)配套設(shè)備創(chuàng)造全工序施工的條件，應(yīng)至少將開挖、支護(hù)、噴砼、出渣、找頂?shù)裙ば蛴梢患宜淼罊C(jī)械化隊(duì)伍來施作，更有利于臺(tái)車效能的發(fā)揮；隧道全工序由一個(gè)專業(yè)的機(jī)械化隊(duì)伍來完成，更有利于工序銜接的緊密，減少內(nèi)耗，發(fā)揮大機(jī)配套的優(yōu)勢(shì)，以實(shí)現(xiàn)全電腦臺(tái)車的快速開挖。

（2）優(yōu)化施組，一套大機(jī)應(yīng)兼顧兩個(gè)掌子面的開挖，大機(jī)的折舊、內(nèi)租費(fèi)等費(fèi)用就會(huì)攤薄，成本也會(huì)隨之降低。

（3）建設(shè)單位和施工單位應(yīng)正視鑿巖臺(tái)車對(duì)圍巖的適應(yīng)性問題，在軟弱圍巖沒有采取預(yù)加固，形不成全斷面或大斷面開挖的情況下，應(yīng)正視鑿巖臺(tái)車真實(shí)的開挖速度和真實(shí)的成本，有限度地使用鑿巖臺(tái)車開挖。

（4）施工單位要持之以恒地推進(jìn)光面爆破或控制爆破措施，引入獎(jiǎng)懲機(jī)制，以減少超挖量，從而降低開挖和噴砼成本。

（5）定額問題、安全步距問題、超挖的認(rèn)定等問題，施工單位應(yīng)共同呼吁，促進(jìn)國(guó)家對(duì)大機(jī)配套定額的修改提高，對(duì)軟弱圍巖開挖工藝工法的改進(jìn)，對(duì)超挖有合理的界定。

（6）為節(jié)約工序時(shí)間，Ⅳ級(jí)圍巖區(qū)段可合并炮孔與錨桿孔兩個(gè)工序同時(shí)進(jìn)行。

（7）應(yīng)鼓勵(lì)改革創(chuàng)新，以降低成本或縮短鉆爆時(shí)間。比如，創(chuàng)造性地使用遠(yuǎn)程遙控增壓水泵啟停裝置、臺(tái)車?yán)忡R頭遮擋遙控裝置，每個(gè)單循環(huán)時(shí)間可節(jié)約15 分鐘左右；臺(tái)車進(jìn)場(chǎng)水電同步到位，在臺(tái)車定位時(shí)底板眼、輔助眼可提前開鉆，循環(huán)時(shí)間可節(jié)約8 分鐘左右。