全電腦三臂鑿巖臺(tái)車(chē)在長(zhǎng)大隧道中快速掘進(jìn)的應(yīng)用研究

楊海航，房玉中，邰 鶴

(中鐵隧道集團(tuán)一處有限公司，重慶 401121)

為適應(yīng)鐵路市場(chǎng)機(jī)械化配套需求，提升隧道施工效率、質(zhì)量及安全，采用什么施工設(shè)備是當(dāng)前隧道工程界關(guān)注的問(wèn)題。目前較為普遍的開(kāi)挖方法是人工鉆爆法，但該法投入人員多、勞動(dòng)強(qiáng)度高、作業(yè)環(huán)境差、能源消耗高、鉆進(jìn)速度慢[1-4]，在長(zhǎng)大鐵路隧道建設(shè)中的應(yīng)用受到限制，已無(wú)法滿足目前鐵路建設(shè)和隧道施工的技術(shù)需要。而全電腦三臂鑿巖臺(tái)車(chē)具有鉆孔速度快、機(jī)械化程度高、能耗低、施工安全、噪音空氣污染小、綜合成本低等優(yōu)點(diǎn)[5-8]，即可將人工鉆爆法的弊端問(wèn)題解決。本文立足于鑿巖臺(tái)車(chē)在成昆線小相嶺長(zhǎng)大隧道中的應(yīng)用，著重于探討鑿巖臺(tái)車(chē)應(yīng)用過(guò)程中對(duì)施工進(jìn)度造成干擾的因素及解決方法。

1 工程概況

小相嶺隧道主洞全長(zhǎng)21.775 km，設(shè)置貫通平導(dǎo)1座，長(zhǎng)21.6 km，斜井2座，分別長(zhǎng)2 425 m、3 100 m，橫洞1座，長(zhǎng)340 m，是成昆線第一長(zhǎng)隧，設(shè)計(jì)時(shí)速160 km，屬Ⅰ級(jí)高風(fēng)險(xiǎn)隧道，施工平面示意如圖1所示。其中小相嶺隧道2號(hào)斜井工區(qū)采用鑿巖臺(tái)車(chē)進(jìn)行斜井及正洞開(kāi)挖作業(yè)，斜井開(kāi)挖斷面寬8.18 m，高6.55 m；正洞開(kāi)挖斷面寬13.09 m，高11.53 m[6-9]。2號(hào)斜井圍巖開(kāi)挖主要為晉寧期花崗巖，弱風(fēng)化，巖質(zhì)較軟，節(jié)理裂隙弱發(fā)育，夾粘土，掌子面穩(wěn)定，局部滲水；正洞圍巖開(kāi)挖揭示主要為變質(zhì)砂巖夾千枚巖，花崗巖，大理巖夾變質(zhì)石英砂巖，大理巖夾千枚巖，圍巖不斷變化，掌子面普遍較干燥，無(wú)滲水，Ⅲ、Ⅳ級(jí)圍巖占90%。

圖1 小相嶺隧道施工平面示意

2 鑿巖臺(tái)車(chē)

2.1 概況

全電腦鑿巖臺(tái)車(chē)是近幾年地下工程行業(yè)力推的鑿巖臺(tái)車(chē)之一，目前，國(guó)內(nèi)常見(jiàn)的電腦臺(tái)車(chē)型號(hào)有Atlas XE3C全電腦鑿巖臺(tái)車(chē)、Sandvik DT1130i型全電腦臺(tái)車(chē)、中鐵裝備DJ3E智能型三臂鑿巖臺(tái)車(chē)。全電腦臺(tái)車(chē)的基本特征是通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)布孔圖，電腦鑿巖臺(tái)車(chē)定位后，鑿巖臺(tái)車(chē)自動(dòng)確定自身位置和計(jì)算鉆臂位置角度，根據(jù)設(shè)定的布孔圖實(shí)現(xiàn)多角度的自動(dòng)鉆孔施工。小相嶺隧道開(kāi)挖采用的是Atas XE3C全電腦三臂鑿巖臺(tái)車(chē)，主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 鑿巖臺(tái)車(chē)主要技術(shù)指標(biāo)

BoomerXE3C型電腦臺(tái)車(chē)為4輪驅(qū)動(dòng)輪式行走，并配備有一個(gè)帶防護(hù)頂篷的標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)平臺(tái)。鉆臂斷面面積可達(dá)206 m2，鉆孔直徑自33 mm至115 mm。鑿巖臺(tái)車(chē)整體采用模塊化設(shè)計(jì)理念，采用成熟的CAN-BUS總線分布系統(tǒng)技術(shù)，配備鷹式高臂座，RCS電腦控制鉆進(jìn)系統(tǒng)，BUT45重型液壓鉆臂、ABC控制系統(tǒng)和大功率鑿巖機(jī)(現(xiàn)有配備COP2238HD+鉆機(jī))，最大程度地確保了超高的生產(chǎn)力。

2.2 施工組織

1)流程：施工組織流程如圖2所示。

圖2 鑿巖臺(tái)車(chē)施工組織流程

2)開(kāi)挖：采用鑿巖臺(tái)車(chē)，兩班制作業(yè)。人員配置如表2所示。

表2 鑿巖臺(tái)車(chē)開(kāi)挖人員配置

鑿巖臺(tái)車(chē)鉆孔按照電腦系統(tǒng)中輸入爆破設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行。以2號(hào)斜井開(kāi)挖為例，掌子面爆破設(shè)計(jì)如圖3、表3所示。

表3 斜井Ⅲ級(jí)圍巖爆破設(shè)計(jì)參數(shù)

(a)掌子面正面

3)出渣(斜井)：配1臺(tái)柳工50CN型裝載機(jī)，5輛出渣自卸車(chē)，一般每車(chē)裝載為20 m3。

2.3 循環(huán)時(shí)間

1)開(kāi)挖循環(huán)時(shí)間

鑿巖臺(tái)車(chē)開(kāi)挖循環(huán)時(shí)間與臺(tái)車(chē)操作、故障率、現(xiàn)場(chǎng)組織、管理、協(xié)調(diào)以及隧道洞內(nèi)作業(yè)環(huán)境密切相關(guān)，同時(shí)受通風(fēng)、裝渣及運(yùn)輸?shù)瓤陀^條件制約。2017年4月，現(xiàn)場(chǎng)人員經(jīng)過(guò)定期跟蹤、記錄斜井的循環(huán)誤時(shí)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表4所示，開(kāi)挖用時(shí)影響排列因素如圖4所示。

表4 鑿巖臺(tái)車(chē)開(kāi)挖誤時(shí)統(tǒng)計(jì)

由圖4可知，影響鑿巖臺(tái)車(chē)使用效率的主要因素：一是機(jī)械故障率高，維保工作不到位；二是工序銜接不到位，現(xiàn)場(chǎng)施工斷檔。

圖4 開(kāi)挖用時(shí)影響因素排列

2)循環(huán)進(jìn)尺及月進(jìn)度

鑿巖臺(tái)車(chē)在工作時(shí)，操作人員通過(guò)計(jì)算機(jī)控制鉆臂和推進(jìn)梁進(jìn)行鉆孔。鉆臂用以支承推進(jìn)梁，可在一定的角度內(nèi)上下左右擺動(dòng)，并可伸長(zhǎng)一定距離；推進(jìn)梁用以安裝和推進(jìn)鉆桿，其型號(hào)決定了鉆孔深度和直徑，同一臺(tái)車(chē)可配不同型號(hào)的推進(jìn)梁。鉆臂和推進(jìn)梁的技術(shù)參數(shù)決定了臺(tái)車(chē)的作業(yè)范圍。Atlas XE3C全電腦鑿巖臺(tái)車(chē)覆蓋面積178 m2，掌子面配置一臺(tái)基本覆蓋隧道施工范圍。

自2017年4月跟蹤、分析臺(tái)車(chē)開(kāi)挖影響因素后，項(xiàng)目制定措施進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)改進(jìn)。2017年5月至10月隧道開(kāi)挖完成1 958 m，平均達(dá)326.4 m/月，最高月開(kāi)挖進(jìn)尺347.6 m。單循環(huán)開(kāi)挖時(shí)間可達(dá)3 h 13 min，日循環(huán)可達(dá)3.89循環(huán)，臺(tái)車(chē)工作范圍如圖5所示，開(kāi)挖后效果如圖6所示。

單位：mm

圖6 開(kāi)挖效果

3 影響鑿巖臺(tái)車(chē)效率的原因

3.1 機(jī)械故障率高

臺(tái)車(chē)開(kāi)挖不同于人工開(kāi)挖，一旦臺(tái)車(chē)出現(xiàn)故障，就造成現(xiàn)場(chǎng)無(wú)法施工。目前鑿巖臺(tái)車(chē)司鉆工對(duì)臺(tái)車(chē)的工作原理還在摸索中，操作技術(shù)水平較低，不能準(zhǔn)確地進(jìn)行臺(tái)車(chē)操作，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，不斷摸索，調(diào)整參數(shù)，造成鑿巖臺(tái)車(chē)故障率較高，臺(tái)車(chē)優(yōu)越性能發(fā)揮效果不明顯。

3.2 工序銜接不到位

爆破過(guò)后無(wú)出渣車(chē)，支護(hù)完成后又沒(méi)有及時(shí)噴混凝土等。工序銜接是隧道施工的關(guān)鍵，一個(gè)工序耽誤一點(diǎn)，日積月累對(duì)工效造成的影響很大[10-12]。

4 臺(tái)車(chē)使用管理的2點(diǎn)措施

4.1 做好維保工作，降低臺(tái)車(chē)故障率

臺(tái)車(chē)維保工作分為洞內(nèi)和洞外。洞內(nèi)維保主要是跟班作業(yè)，在鑿巖臺(tái)車(chē)施工過(guò)程中，對(duì)臺(tái)車(chē)關(guān)鍵部件進(jìn)行跟蹤巡查，一旦發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)采取措施，避免問(wèn)題擴(kuò)大，造成臺(tái)車(chē)出現(xiàn)故障；洞外維保主要是對(duì)鑿巖臺(tái)車(chē)進(jìn)行日常保養(yǎng)及運(yùn)行檢查，對(duì)使用極限值配件進(jìn)行修理或更換，如圖7所示。臺(tái)車(chē)的維保對(duì)人員業(yè)務(wù)水平及責(zé)任心要求較高，只有熟悉臺(tái)車(chē)工作原理及熟練操作的人員才能勝任。

圖7 臺(tái)車(chē)日常維保

4.2 制定管理制度，加強(qiáng)工序銜接

施工管理以人為本，考核是項(xiàng)目管理的主要手段之一。項(xiàng)目部會(huì)同各級(jí)管理人員商討，針對(duì)鑿巖臺(tái)車(chē)的使用制定了《施工月進(jìn)度考核管理辦法》《開(kāi)挖工序時(shí)間考核管理辦法》《超欠挖考核管理辦法》等一系列考核文件，以過(guò)程控制為中心，以高效推進(jìn)為核心，以強(qiáng)基達(dá)標(biāo)為基點(diǎn)，以剛性獎(jiǎng)懲為手段，照章辦事，不講情面，注重效率，突出實(shí)效，保證各項(xiàng)指令落實(shí)到位?？己私Y(jié)果以占比分配，人人都有獎(jiǎng)懲，月月都有獎(jiǎng)罰，充分發(fā)揮臺(tái)車(chē)優(yōu)勢(shì)，達(dá)到“既有量，又有型”的效果。

5 結(jié)論

通過(guò)全電腦三臂鑿巖臺(tái)車(chē)在小相嶺隧道2號(hào)斜井中的成功應(yīng)用，取得連續(xù)6個(gè)月的持續(xù)高產(chǎn)，掘進(jìn)1 958 m，平均每月掘進(jìn)326.4 m，實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)大隧道利用臺(tái)車(chē)達(dá)到快速掘進(jìn)施工的目的，并取得長(zhǎng)大隧道快速施工技術(shù)的如下經(jīng)驗(yàn)：

1)由于鑿巖臺(tái)車(chē)結(jié)構(gòu)自身功能，臺(tái)車(chē)開(kāi)挖適用于大斷面硬巖開(kāi)挖，當(dāng)單循環(huán)進(jìn)尺控制在3.5 m左右時(shí)，可最大發(fā)揮臺(tái)車(chē)優(yōu)勢(shì)，施工效率高，開(kāi)挖成型好。

2)鑿巖臺(tái)車(chē)在大斷面特長(zhǎng)隧道中，較手持風(fēng)鉆具有鉆孔速度快、機(jī)械化程度高、能耗低、施工安全、噪音空氣污染少和綜合成本低等優(yōu)點(diǎn)，而提高操作人員的專(zhuān)業(yè)水平和素質(zhì)減少超欠挖、加強(qiáng)設(shè)備保養(yǎng)是實(shí)現(xiàn)上述鑿巖臺(tái)車(chē)優(yōu)勢(shì)的關(guān)鍵。

3)在小相嶺隧道采用全電腦鑿巖臺(tái)車(chē)共掘進(jìn) 2 000 m，提高了隧道掘進(jìn)機(jī)械化施工程度，找到了進(jìn)尺與時(shí)間的黃金分割點(diǎn)或拋物線的頂點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了高效生產(chǎn)。