多臂鉆在高速公路特長隧道的應用分析

張小將 秦少帥 舒佳 董健

摘要 隨著高速公路隧道的長大化發(fā)展，高度的機械化配套施工已成為必然趨勢。多臂鉆具備一機多用、信息化、智能化等優(yōu)點，在隧道的施工安全、質量及職業(yè)健康等方面有良好的應用效果。通過多臂鉆在某高速公路特長隧道的實際應用分析，為類似工程提供技術參考。

關鍵詞 長隧道;多臂鉆;技術參考

中圖分類號 U455.41 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）05-0098-04

0 引言

目前高速公路隧道正在向長大化發(fā)展，而爆破開挖是施工關鍵工序[1]，傳統(tǒng)人工手風鉆雖然對施工環(huán)境、圍巖類型的應用范圍廣，但多臂鉆的一機多用、信息化、智能化等功能對長大隧道施工安全、質量和職業(yè)健康方面有突出應用優(yōu)勢[2-8]，結合某工程特長隧道對人工手風鉆和多臂鉆在適用范圍、施工用途、工作效力及經濟效益進行綜合對比分析。

1 工程概況

某特長隧道，設計采用分離式雙向四車道形式，全長3 948 m，最大埋深約488 m。隧址穿越地層為第四系殘坡積（Q4el+dl）粉質黏土、含碎石粉質黏土、碎石，下伏志留系中統(tǒng)墳頭組（S2fn）砂巖、粉砂巖夾石英砂巖，下統(tǒng)高家邊組（S1gb）頁巖、粉砂質頁巖夾砂巖。隧址區(qū)大地構造單元屬揚子準地臺，隧道軸線走向與背斜軸向呈大角度相交，地表出露巖石存在擠壓揉皺現象，隧道圍巖完整性受其影響較大。同時，隧址區(qū)地表水系較為發(fā)育，地表沖溝內有常年小股溪流，易下滲至隧道洞身，對圍巖穩(wěn)定不利，隧道圍巖情況如表1所示。為滿足施工需要，結合項目實際，采用兩臂鑿巖臺車進行隧道開挖。

2 施工過程

2.1 設備簡介

多臂鉆采用DW2-120雙臂（帶吊籃）掘進鑿巖臺車（見圖1），配備了先進的蒙特貝HC109/HC95鑿巖機、油缸-鋼絲繩式推進梁，最大化覆蓋作業(yè)面積120 m2，沖擊功率18.8 kW，接桿鉆進最大鉆孔深度25 m，擺動角度±45°，車身全長16.2 m，車寬2.5 m，高3.2 m，重達35 t，兩臂鉆主要設備參數見表2?？蛇M行全自動炮眼打孔、超前地質預報、錨桿插打、掌子面掃描、注漿施工、高空作業(yè)、洞口套拱和管棚施工、拉毛、配合裝藥等作業(yè)[9]。

2.2 多臂鉆的使用及特點

2.2.1 全自動高效智能化鉆孔

將鉆孔設計圖預先導入車載電腦，設備一鍵激活后自動智能布孔，操作鉆桿自動定位打眼和清孔，施工步驟如下：

（1）臺車定位：場地平整，臺車就位，通過3D掃描儀確定固定點、檢測點，獲得臺車位置數據，然后預先導入車載電腦，設置鉆孔參數。

（2）激活全自動鉆孔系統(tǒng)，智能布孔、自動找點，待打孔完畢后進行清孔。

2.2.2 超前地質勘探和地質分析

臺車可在20 min完成30 m的超前探孔，鉆孔數據可通過操作系統(tǒng)實時監(jiān)測，經地質分析軟件處理后進行地質復原，形成地質報告。

2.2.3 斷面掃描

通過3D掃描儀對臺車前后隧道輪廓進行地質掃描，經過軟件處理后獲得掃描數據，建立立體模型，三維顯示隧道斷面超欠情況，修正下一循環(huán)隧道鉆爆參數。同時，通過3D掃描儀直觀顯示濕噴前后隧道截面大小變化，準確計算出噴射混凝土厚度，動態(tài)記錄噴射混凝土的超耗和回彈情況。

2.2.4 錨桿及管棚施工

鑿巖臺車鉆臂可適應各種類型的錨桿、管棚鉆孔位置及角度需求，且可用錨桿替換鑿巖鉆桿進行幫錨、頂錨作業(yè)。

2.2.5 高空作業(yè)

臺車吊籃（規(guī)格1.2 m*2 m）安全工作負荷達400 kg，控制靈活、定位準確，具備自動調平功能，留有水和高壓空氣接口，滿足掌子面排險、安裝錨桿、水泥注漿、掛設風帶、輔助檢測等各種高空作業(yè)需求。

2.3 工藝流程

工藝流程見圖2。

3 多臂鉆在隧道施工過程的應用分析

3.1 機械化、信息化及智能化程度對比

與傳統(tǒng)人工手風鉆相比，多臂鉆在機械化、信息化、智能化性方面有突出優(yōu)勢，主要表現在以下幾個方面：

（1）通過工作日寫實法測算，120 m2的開挖斷面，人工手風鉆需作業(yè)人員9～12人，需配置空壓機、風水管等配套設施，機動性較差。多臂鉆僅需鉆車與操作人員1～2人，僅需配置水管設備。

（2）人工鉆孔、臺車定位須采用全站儀測放，耗時長且對作業(yè)人員的經驗和操作能力要求高。多臂鉆臺車就位后，通過3D掃描儀可確定臺車位置，自動找點打眼、清孔。

（3）人工鉆孔的無法自動孔序優(yōu)化，鉆孔時間受人為因素影響大。多臂鉆根據施工環(huán)境動態(tài)調整鉆孔孔序，節(jié)省鉆孔工序時間。

（4）人工手風鉆鉆孔過程數據收集和應用分析能力差，無法根據圍巖和超欠挖情況進行實時動態(tài)調整。多臂鉆可適應性處理傳感器反饋的鉆孔信息，建立立體模型，三維顯示隧道斷面超欠情況，動態(tài)調整鉆爆參數。

3.2 適用范圍對比

人工手風鉆適用于所有開挖工法及圍巖類型。多臂鉆開挖方式存在一定局限性，適合Ⅲ、Ⅳ級圍巖全斷面或兩臺階法開挖，因臺階斷面太小、空間受限，Ⅴ級圍巖單側壁開挖、雙側壁開挖、三臺階預留核心土等開挖方式無法使用，但對于長隧道或12 m以上的特大斷面，多臂鉆具備鉆孔、裝藥、錨桿安裝等一機多能、安全高效的開挖優(yōu)勢。

3.3 施工用途對比

與傳統(tǒng)人工手風鉆相比，多臂鉆在安全、質量和職業(yè)健康方面有突出優(yōu)勢，主要表現在以下幾個方面：

（1）人工鉆孔掌子面若需作業(yè)人員多，作業(yè)人員離掌子面1～2.5 m，在復雜地質條件下開挖時易出現群體傷害。多臂鉆掌子面開挖可大幅減少作業(yè)人員，操作人員可在離掌子面12～15.5 m的固定操作臺上進行操作，一旦發(fā)生頂拱和掌子面塌方，可避免造成人員傷害，且排險比較容易。

（2）人工手風鉆的鉆桿定位和控制方向精確程度低，不易控制掌子面超欠挖，光面爆破效果不佳，容易增加噴射混凝土用量。多臂鉆利用WMD地質分析軟件和3D掃描儀可將隧道斷面超欠情況建筑三維模型，動態(tài)調整鉆爆參數，超欠挖控制效果較好。

（3）人工手風鉆風動設備產生噪聲及粉塵大，施工環(huán)境惡劣，職業(yè)健康危害大，但造孔過程不產生廢水和冷卻水，抽排水工作量小。多臂鉆自有的封閉式油路系統(tǒng)，可消除手風鉆排氣噪聲，且通過配備的水系統(tǒng)進行抑塵，空氣較清新，職業(yè)健康危害小，但造孔過程中會產生廢水及冷卻水，抽排水工作量較大。

3.4 工效對比

選擇測時法[10]適宜隧道鉆孔施工工時測定。選取ZK46+156～ZK46+206和YK46+164～ZYK46+214圍巖（Ⅳ類）情況相似的兩段為研究對象，上、下臺階炮孔設計數量分別為194、126，爆破孔布置見圖3，分別采用人工手風鉆和多臂鉆進行鉆孔施工，現場采集的有效數據見表3。

（1）數據結果表明，多臂鉆在施工過程中鉆孔時間較人工手風鉆縮短0.67 h，鉆孔速率可增加17%，人工節(jié)省9人，多臂鉆在爆破孔放樣、鉆孔定位、鉆孔及換孔方面速度明顯快于傳統(tǒng)人工手風鉆，但在進場準備和退場整理時間相對較長，建議根據多臂鉆特點，優(yōu)化施工工法，盡量減少鑿巖臺車進出場次數，充分發(fā)揮其工作效率。

（2）測定過程中多臂鉆因推進梁發(fā)生故障1次，設備維修造成掌子面停工22 h，表明多臂鉆的維修或者配件的更換時間長，對施工進度影響較大，加強設備保養(yǎng)和維護是充分發(fā)揮多臂鉆功能的關鍵因素，建議成立專業(yè)的維修保養(yǎng)隊伍、定期對設備進行保養(yǎng)。

3.5 效益對比

通過6個月的數據收集，對多臂鉆和傳統(tǒng)人工手風鉆的綜合成本進行對比分析（見表4）。結果表明，多臂鉆與傳統(tǒng)人工手風鉆相比綜合成本相差不大，僅增加1.3元/m3，多臂鉆可大幅減低人工費和電費，但一次性投入大，保養(yǎng)、折舊及維修費用高。

4 結論與建議

（1）與傳統(tǒng)的人工手風鉆機相比，多臂鉆的應用范圍相對局限，保養(yǎng)和維護是影響多臂鉆功能發(fā)揮的關鍵因素，但對于長大隧道多臂鉆的一機多用、信息化、智能化功能優(yōu)勢明顯，且在施工安全、質量及職業(yè)健康等方面有良好的使用效果。建議加強操作手的專業(yè)知識培訓，成立專業(yè)的鑿巖臺車維修保養(yǎng)隊伍，每日對設備進行強制保養(yǎng)，減小機械故障率。

（2）通過選擇測時法測定，類似圍巖條件下，多臂鉆在爆破孔放樣、鉆孔定位、鉆孔及換孔方面速度明顯快于傳統(tǒng)人工手風鉆，鉆孔速率提升17%，但在進場準備和退場整理時間相對較長。建議根據多臂鉆特點，合理調配人員、設備、機械，優(yōu)化施工工法，盡量減少鑿巖臺車進出場次數，充分發(fā)揮其工效。

（3）多臂鉆與傳統(tǒng)人工手風鉆相比綜合成本相差不大，僅增加1.3元/m3，多臂鉆，一次性投入大，保養(yǎng)、折舊及維修費用高，但可大幅減低人工費和電費，符合國家以人為本和低碳經濟的發(fā)展理念，類似工程條件下建議推廣。為節(jié)省鉆爆臺車費用，建議在鉆臂上增加自動裝藥裝置，形成從鉆眼到裝藥一體化作業(yè)施工。

參考文獻

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[10]公路工程機械臺班費用定額： JTG/T B06—03—2007[S]. 北京：人民交通出版社， 2007.