全電腦三臂鑿巖臺車在高速公路隧道施工中的應(yīng)用

郭 繼 懷

(中國水利水電第五工程局有限公司，四川 成都 610066)

1 概 述

建個(gè)元高速公路工程位于云南省紅河州境內(nèi)，是云南省“五縱五橫一邊兩環(huán)二十聯(lián)”交通規(guī)劃中曲靖至呈貢至通海至建水至元陽的重要組成部分，是云南省高網(wǎng)“十三五”新開工重點(diǎn)項(xiàng)目，線路全長124 km。該標(biāo)段承建范圍線路全長36 km，共有隧道9座，其中特長隧道2座。尼格隧道全長3 355 m，按雙向四車道設(shè)計(jì)，隧道地質(zhì)條件復(fù)雜，存在大斷層、地下溫泉、高地溫、高巖溫、巖爆、有毒有害氣體等不良地質(zhì)問題。經(jīng)多方比較論證后最終決定采用Boomer XL3D鑿巖臺車進(jìn)行施工。

鑿巖臺車可一機(jī)多用，加之其機(jī)械化、信息化、智能化程度高，可有效提高工作效率，使勞動(dòng)力需求量小，其勞動(dòng)強(qiáng)度低、安全系數(shù)高。由于該工程巖溫高達(dá)88.8℃，空氣溫度高達(dá)53℃，大量的人工作業(yè)可能導(dǎo)致施工人員中暑、休克等安全事故發(fā)生，而采用鑿巖臺車施工可減少作業(yè)人員數(shù)量，保證施工效率及安全。

借助智能化技術(shù)在施工中的應(yīng)用，在實(shí)現(xiàn)高效率施工的同時(shí)，可以有利地減少以往工程施工中存在的污染問題，同時(shí)亦能使工程施工實(shí)現(xiàn)對能耗的有效降低。目前，智能化機(jī)械施工已成為我國道路交通建設(shè)的一個(gè)發(fā)展趨勢，采用智能化機(jī)械施工，從以往的勞動(dòng)密集型施工向高新施工技術(shù)轉(zhuǎn)型與過渡，能夠提高企業(yè)的品牌形象和核心競爭力。闡述了全電腦三臂鑿巖臺車在尼格高速公路隧道施工中的應(yīng)用。

2 鑿巖臺車在尼格隧道施工中的應(yīng)用

尼格隧道最高巖體溫度為88.8 ℃、空氣溫度為53 ℃、最高水溫為64.3 ℃，高溫造成作業(yè)人員無法正常施工。從職業(yè)健康安全角度和施工效率等方面綜合考慮，該工程最終決定采用Boomer XL3D鑿巖臺車鉆孔、人工裝藥光面爆破技術(shù)。

Boomer XL3D三臂鑿巖臺車為全電腦自動(dòng)控制。施工時(shí)，將隧道參數(shù)導(dǎo)入機(jī)載設(shè)備控制系統(tǒng)(RCS)后選擇導(dǎo)航方式，用全站儀配合定向并向機(jī)載設(shè)備輸入導(dǎo)航參數(shù)，最后按照機(jī)載設(shè)備屏幕顯示的鉆孔設(shè)計(jì)圖及其他參數(shù)實(shí)施作業(yè)。鉆孔結(jié)束后，由車載系統(tǒng)將鉆孔的實(shí)際參數(shù)形成循環(huán)報(bào)告供技術(shù)人員分析改進(jìn)。Boomer XL3D鑿巖臺車的技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 Boomer XL3D鑿巖臺車技術(shù)指標(biāo)表

2.1 施工準(zhǔn)備

施工前，技術(shù)人員將確定好的爆破參數(shù)存入鑿巖臺車車載電腦系統(tǒng)。鉆機(jī)就位后，測量人員對鑿巖臺車的自帶定位系統(tǒng)進(jìn)行放線定位并將數(shù)據(jù)輸入鑿巖臺車電腦系統(tǒng)，車載系統(tǒng)自動(dòng)生成開挖輪廓數(shù)據(jù)，同時(shí)做好施工用的風(fēng)水電準(zhǔn)備工作，各項(xiàng)工作檢查無誤后即可施鉆。

2.2 鉆孔作業(yè)

針對該隧道Ⅲ級圍巖采用全斷面開挖工藝，開挖面積為86 m2。經(jīng)工藝試驗(yàn)確定的爆破參數(shù)為：孔深4.2 m、孔徑43 mm、孔數(shù)為166個(gè)。其中周邊孔46個(gè)、輔助孔37個(gè)、抵抗線60 cm；掏槽孔34個(gè)、崩落孔39個(gè)，底孔10個(gè)。掏槽形式為楔形掏槽，主掏孔角度為62°，最外層掏槽孔角度為85°。底板孔沿開挖輪廓鉆孔，間距70 cm，緊貼底板下傾3°。鉆孔作業(yè)時(shí)，操作人員根據(jù)車載顯示屏顯示的布孔圖將鉆頭對準(zhǔn)孔位，調(diào)整好角度后依次鉆孔，鉆孔至設(shè)計(jì)孔深后鉆桿自動(dòng)收回并自動(dòng)清孔。鑿巖臺車由兩名操作人員同時(shí)操作，周邊孔造孔完成后施鉆其余炮孔。Ⅲ級圍巖爆破布孔情況見圖1。

圖1 Ⅲ級圍巖爆破布孔圖

炸藥采用威力大、猛度高、抗水性能好的乳化炸藥，藥卷直徑為32 mm，掏槽孔采用間隔不耦合裝藥，其他孔采用連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)、定制耐高溫毫秒雷管引爆的光面爆破方式。其爆破參數(shù)見表2。

表2 爆破參數(shù)表

3 與人工鉆孔進(jìn)行對比分析

(1)進(jìn)度方面。鑿巖臺車三個(gè)鉆臂同時(shí)推進(jìn)施鉆，正常情況下鉆孔速度為3 m/min，每個(gè)孔鉆孔時(shí)間(含定位時(shí)間)約為2.5～3 min。按照全斷面166個(gè)炮孔計(jì)算，每循環(huán)凈鉆孔時(shí)間約為2.5 h，加之鉆孔前的準(zhǔn)備工作，每個(gè)循環(huán)可在3 h內(nèi)完成鉆孔作業(yè)。而傳統(tǒng)的人工手風(fēng)鉆造孔每循環(huán)時(shí)間約為5～5.5 h，因此，采用鑿巖臺車鉆孔能夠有效節(jié)約鉆孔時(shí)間，提高工作效率[1]。

(2)質(zhì)量方面。鑿巖臺車鉆孔的角度采用電腦控制，角度和孔位確定精確，避免了傳統(tǒng)手風(fēng)鉆由于支立不穩(wěn)、操作人員責(zé)任心不強(qiáng)等人為因素造成的孔位、角度偏差大而出現(xiàn)的超欠挖嚴(yán)重、光爆效果差等缺點(diǎn)。但是，由于多臂鉆性能限制，其不可避免地會(huì)出現(xiàn)超挖量大于手風(fēng)鉆超挖量[2]的情況。二者開挖質(zhì)量控制對比情況見表3(注：人工鉆孔數(shù)據(jù)參考多座同類型隧道的平均值)。

表3 質(zhì)量控制對比表

(3)安全方面。鑿巖臺車施工僅需2人操作，操作人員可在駕駛室內(nèi)完成操作且在距掌子面約8 m的區(qū)域工作，避免了傳統(tǒng)工藝的施工人員直接暴露在僅有初期支護(hù)的裸巖下作業(yè)，因巖爆、掉塊、片幫等對施工人員造成的傷害，安全系數(shù)明顯高于人工風(fēng)鉆施工。尤其是該隧道作業(yè)環(huán)境溫度高，鑿巖臺車的應(yīng)用降低了作業(yè)人員長期在高溫環(huán)境下作業(yè)的安全風(fēng)險(xiǎn)。鑿巖臺車自帶的照明設(shè)備能夠滿足其自身施工需求，掌子面前方視線良好，安全隱患小。鑿巖臺車采用的封閉油路系統(tǒng)避免了施工中產(chǎn)生的廢水廢氣對環(huán)境的污染，空氣質(zhì)量較好，洞內(nèi)文明施工形象佳[3]。

(4)人員投入方面。鑿巖臺車是一種智能自動(dòng)化鉆孔設(shè)備，所有數(shù)據(jù)均在施工前存入電腦，可輕松操作，每個(gè)班安排2名操作手即可滿足施工要求，對施工人員需求量小。而傳統(tǒng)的手風(fēng)鉆施工每班組人員的配置一般為19～22人，因此，鑿巖臺車的應(yīng)用大量地節(jié)約了勞動(dòng)力。

(5)機(jī)動(dòng)性。鑿巖臺車為輪式機(jī)械，全液壓傳動(dòng)，行動(dòng)靈活，機(jī)動(dòng)性能較好，作業(yè)覆蓋面積廣，無需其他輔助平臺，能夠獨(dú)立完成施工作業(yè)，可在隧道群多個(gè)掌子面隨時(shí)調(diào)配作業(yè)。

(6)作業(yè)環(huán)境。鑿巖臺車的開挖采用電動(dòng)力，所產(chǎn)生的粉塵較少，對洞內(nèi)的空氣環(huán)境影響不大，產(chǎn)生的噪音較少。作業(yè)人員在密閉的操作室內(nèi)工作佩戴防塵口罩及耳塞后可以減少對人體的傷害，相較傳統(tǒng)的人工手風(fēng)鉆施工作業(yè)環(huán)境優(yōu)越，可大大減少職業(yè)病危害。

(7)經(jīng)濟(jì)效益。鑿巖臺車的一次攤銷成本較高，加之鉆頭、鉆桿、液壓油管等易損件更換頻率高、費(fèi)用高，而且鑿巖臺車高電壓進(jìn)洞所需的高壓電纜費(fèi)用較高，但其他費(fèi)用均低于人工鉆孔費(fèi)用[4]。經(jīng)綜合比較后得知：鑿巖臺車的施工費(fèi)用略高于人工開挖的費(fèi)用。多臂鉆鉆爆作業(yè)經(jīng)濟(jì)費(fèi)用對比情況見表4。

表4 多臂鉆鉆爆作業(yè)經(jīng)濟(jì)費(fèi)用對比表

4 鑿巖臺車施工中存在的問題

(1)底板超欠挖。在進(jìn)行底板孔鉆孔作業(yè)時(shí)，其鉆臂與底板角度的調(diào)整不易控制。炮眼角度向下傾斜較大時(shí)，因孔底深處與上層炮眼的間距過大，孔底段的爆破不能充分抬起上層巖體而造成底板部分欠挖。

研究分析后，嚴(yán)格控制了底孔炮眼向下的角度，鉆孔深度不超過4 m，相鄰炮眼鉆孔斜度與底部炮眼斜度保持一致并保證鉆孔間距為50 cm，誤差不大于10 cm；裝藥前，將孔內(nèi)的水、泥漿、石屑清理干凈，按照設(shè)計(jì)的藥量和裝藥結(jié)構(gòu)裝藥、堵塞炮眼；適當(dāng)增加開挖斷面底部角隅處輔助眼的藥量以消除爆破死角，減少角隅處的欠挖[5]。

(2)單循環(huán)進(jìn)尺短。采用鑿巖臺車鉆孔時(shí)，按照既定的爆破設(shè)計(jì)參數(shù)組織施鉆，鉆孔深度按4.5 m控制，但實(shí)際的循環(huán)進(jìn)尺約為2.2 m。經(jīng)技術(shù)人員對循環(huán)報(bào)告中生成的3D圖形及相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析查找出進(jìn)尺短的主要原因?yàn)椋孩匍_孔時(shí)未對準(zhǔn)孔口，偏差較大，鉆桿外插角度過大而造成鉆孔深淺不一，孔底不在同一平面位置導(dǎo)致超欠挖嚴(yán)重；②由于鑿巖臺車是由電腦控制鉆孔深度的，但因掌子面凹凸不平導(dǎo)致鉆孔深度不一致或?qū)嶋H鉆孔深度不夠；③周邊眼鉆孔向外側(cè)探出角度較大，爆破深度較淺；掏槽孔角度因受洞內(nèi)空間尺寸影響，對鉆孔間距和角度調(diào)整過小，導(dǎo)致爆破時(shí)無法形成較好的臨空面，掌子面成反“C”型(中心鼓包)；④由于該隧道地質(zhì)條件的不穩(wěn)定性，未能及時(shí)調(diào)整爆破參數(shù)。經(jīng)過優(yōu)化調(diào)整后，根據(jù)不同的圍巖強(qiáng)度確定了不同的爆破參數(shù)；根據(jù)鑿巖臺車在洞內(nèi)的運(yùn)轉(zhuǎn)空間，將主掏槽孔深度調(diào)整至5 m，角度調(diào)整為62°，在嚴(yán)格按照爆破設(shè)計(jì)的孔位和孔深組織鉆孔、及時(shí)修正了掌子面的平整度，加強(qiáng)對操作人員的操作技能培訓(xùn)后，該問題得到了較大程度的改觀。

(3)鉆具損壞率高。由于花崗巖強(qiáng)度高，導(dǎo)致鉆孔用的鉆頭、鉆桿等極易損壞。經(jīng)綜合考慮，將原φ41 mm的鉆頭更換為φ43 mm的鉆頭(孔徑過大對爆破質(zhì)量影響較大)，并采用磨修設(shè)備打磨舊鉆頭，保持其鋒利度，提高舊鉆頭的利用率以節(jié)約設(shè)備零部件的成本[6]。

(4)鑿巖臺車高電壓進(jìn)洞。由于受鑿巖臺車性能的特殊要求，需要擁有穩(wěn)定的供電電源且變壓器距離鑿巖臺車的最大距離不得大于500 m，因此，對于特長隧道，需要將變壓器安裝在掌子面附近，并需隨掌子面的掘進(jìn)長度移動(dòng)變壓器，高電壓進(jìn)洞后其施工用電成為安全管控的重點(diǎn)且其成本較高。

5 結(jié) 語

鑿巖臺車是一種先進(jìn)的鉆孔設(shè)備，其在施工進(jìn)度、質(zhì)量、安全、環(huán)保、節(jié)約人力、職業(yè)健康安全方面均優(yōu)于傳統(tǒng)的人工鉆孔工藝，另外，其還可以進(jìn)行超前支護(hù)和系統(tǒng)錨桿施工的鉆孔作業(yè)。隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的不斷發(fā)展和人工費(fèi)的上漲，鑿巖臺車已成為未來工程施工中最為主要的隧道鉆孔設(shè)備。但因其采購或租賃費(fèi)用較高，一次性投入機(jī)械費(fèi)用較高，故在其使用時(shí)，可綜合經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、工期目標(biāo)、成本管控等多方面因素綜合考慮其是否能達(dá)到利潤最大化。