三臂鑿巖臺(tái)車在實(shí)現(xiàn)隧道施工機(jī)械化減人及提升安全性上的運(yùn)用

熊明康　鄭宏　黃詩(shī)軍　劉府承　顏琳

摘 要：為有效防范隧道施工安全事故發(fā)生，保障重大項(xiàng)目高質(zhì)量建設(shè)，傳統(tǒng)的隧道施工方式正逐步向大型機(jī)械化轉(zhuǎn)型。而三臂鑿巖臺(tái)車以鉆孔速度快，操作人員少、安全風(fēng)險(xiǎn)低的優(yōu)勢(shì)應(yīng)用廣泛?；诖?，對(duì)三臂鑿巖臺(tái)車適用性進(jìn)行研究，分析設(shè)備在施工管理配合、技術(shù)、安全、職業(yè)健康等多方面的適用情況，為隧道施工設(shè)備的改進(jìn)、推廣及選型提供借鑒。

關(guān)鍵詞：隧道工程；三臂鑿巖臺(tái)車；機(jī)械化減人；提升安全性

中圖分類號(hào)：U455.3? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：2096-6903（2023）12-0038-03

1 工程設(shè)備應(yīng)用情況

1.1 工程概況

白鶴灘隧道為一座上下行分離的4車道高速公路特長(zhǎng)隧道，位于金沙江左岸，沿江穿越金沙江左岸山體，全長(zhǎng)6 714.565 m，凈空11.0 m×5.0 m。洞身段穿越二疊系中統(tǒng)峨眉山玄武巖。隧道縱坡依次為2.8%/45 m，1.7%/1 580 m，1.718/4 000 m，1.7%/1 089.565 m，出口端為逆坡施工。

1.2 應(yīng)用背景

當(dāng)前隧道施工采用全人打鉆需配置11～15名工人，掉碴掉塊易發(fā)生傷亡事故，一旦發(fā)生塌方，極易導(dǎo)致重大安全事故，其安全風(fēng)險(xiǎn)已成為施工企業(yè)不可承受之重。當(dāng)前安全形勢(shì)下，隧道施工掌子面減人已迫在眉睫，通過本項(xiàng)目機(jī)械化減人試點(diǎn)，為公司隧道施工進(jìn)行長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展謀劃。

1.3 設(shè)備應(yīng)用情況

公司于2022年5月引進(jìn)1臺(tái)ZYS113型全電腦三臂鑿巖臺(tái)車投入到沿江高速項(xiàng)目白鶴灘隧道出口使用。白鶴灘隧道洞身穿越玄武巖巖層，全隧道IV、V級(jí)圍巖占比77%，洞內(nèi)施工涌水量大，逆坡施工。設(shè)備投入使用以來，運(yùn)轉(zhuǎn)正常。目前IV級(jí)圍巖施工效率穩(wěn)定，月進(jìn)尺能達(dá)到125 m/月。

全電腦三臂鑿巖臺(tái)車自動(dòng)化程度高，功能完備，整機(jī)質(zhì)量52 t，整機(jī)尺寸（長(zhǎng)×寬×高）17.6 m×2.9 m×3.6 m，設(shè)備工作范圍為11.3 m×16 m，電裝機(jī)總功率325 kW，鉆頭直徑45 mm，最大鉆孔深度5.25 m，鑿巖機(jī)型號(hào)3×HC110，單臺(tái)沖擊功率31.9 kW。

2 隧道三臂鑿巖臺(tái)車使用施工組織

2.1 與傳統(tǒng)人工鉆爆的區(qū)別

2.1.1打鉆人員大幅減少

隧道施工采用全人工打鉆需配置開挖臺(tái)架一個(gè)，兩臺(tái)階法開挖時(shí)，開挖臺(tái)架為3層，頂層站3人下部?jī)蓪诱?人，共11人。采全斷面法開挖時(shí)，開挖臺(tái)架為4層，頂層站3人下部?jī)蓪诱?2人，共15人，全斷面時(shí)底部人員可增加2人，最多時(shí)需17人。采用設(shè)備打鉆時(shí)，只需要3名操作手在控制室操作設(shè)備，遠(yuǎn)離掌子面，消除了打鉆時(shí)人員暴露于圍巖下的安全隱患，大幅降低了打鉆時(shí)的安全風(fēng)險(xiǎn)。

2.1.2 總體規(guī)劃風(fēng)水電的不同

全人工打鉆需在洞口配置5～7臺(tái)22 m?/min的空壓機(jī)，配置DN200的風(fēng)管進(jìn)洞，DN100水管進(jìn)洞，3×240+2×70電纜進(jìn)洞；采用全電腦版三臂鑿巖臺(tái)車打鉆，進(jìn)洞需配置DN100水管、3×400+2×185電纜、DN200風(fēng)管。由于設(shè)備需水量大，洞口增加20 m?以上的大水箱，雖然設(shè)備自帶空壓機(jī)，打鉆時(shí)不需要高壓風(fēng)，但噴漿工序仍需要使用高壓風(fēng)，高壓風(fēng)管仍需進(jìn)洞。人工打鉆與設(shè)備打鉆在風(fēng)水電上最大的區(qū)別，在于電纜及洞口配置的空壓機(jī)、水箱?？傮w規(guī)劃配置對(duì)比如表1所示。

2.1.3 鉆孔孔徑、清孔方式不同

人工打鉆采用氣腿式鑿巖機(jī)，一字型鉆頭，鉆頭直徑40 mm。打眼時(shí)需給水適量，根據(jù)巖石軟硬度調(diào)整水量，以流出稀漿為宜，成孔后采用高壓風(fēng)進(jìn)行清孔。三臂鑿巖臺(tái)車鉆頭直徑45 mm，打鉆時(shí)采用高壓水同步排鉆渣，孔口流出大量漿液，達(dá)到自動(dòng)鉆孔與清孔的效果。

2.2 開挖工序施工組織

三臂鑿巖臺(tái)車主要完成鉆爆工藝中的鉆孔環(huán)節(jié)。人工鉆孔施工時(shí)工藝流程為：測(cè)量放線→開挖臺(tái)車就位→高壓風(fēng)水管連接→鉆孔→炸藥裝填→雷管連線→風(fēng)水管拆除→臺(tái)車退出→響炮→出渣。

三臂鑿巖臺(tái)車施工施工工藝流程為：炮孔圖設(shè)計(jì)→導(dǎo)入鑿巖臺(tái)車→鑿巖臺(tái)車就位→水電連接→測(cè)量定位→鉆孔→鑿巖臺(tái)車退出→裝藥臺(tái)車就位→炸藥裝填→雷管連線→裝藥臺(tái)車退出→響炮→出渣。

相同的開挖斷面下，鑿巖臺(tái)車三臂鉆孔時(shí)間與15名工人相當(dāng)，整個(gè)開挖爆破工序來看，三臂鑿巖臺(tái)車打鉆后裝藥配置9名工人，打鉆與裝藥工序間存在銜接，開挖爆破單循環(huán)時(shí)間相比于人工增加1 h，單班進(jìn)尺比人工多0.3～0.5 m。需保證裝藥工人在初支下操作，減少了大量工作暴露在危險(xiǎn)場(chǎng)所的時(shí)間，降低安全風(fēng)險(xiǎn)。

2.3 施工組織管理中存在的問題及管理難點(diǎn)、改進(jìn)方案

2.3.1 水、電要求高

三臂鑿巖臺(tái)車總裝機(jī)功率325 kW，本部敷設(shè)了3×400+2×185國(guó)標(biāo)鋁芯線專用電纜，進(jìn)洞400 m后，安裝了1 000 kVA升降壓器配套使用。由于電纜笨重，仰拱往掌子面段落安裝困難、上墻困難，降壓器需定期跟隨掌子面向前移動(dòng)。打鉆時(shí)需水量不低于20 m?/h，為此在洞口新增大水箱及大功率增壓泵。設(shè)備進(jìn)水濾網(wǎng)目數(shù)較大，對(duì)水質(zhì)要求極高，若濾網(wǎng)堵塞將造成鉆渣無(wú)法排出而卡鉆。對(duì)于水質(zhì)問題，需要積極與廠家聯(lián)系，考慮在濾芯內(nèi)加裝高壓噴頭，從內(nèi)向外沖洗，清除附著物，或者使用刷洗方式清洗濾芯。

2.3.2設(shè)備出故障耽擱大

高速公路隧道單洞全斷面開挖可配置兩臺(tái)三臂鑿巖臺(tái)車同步鉆孔，但由于隧道的地質(zhì)條件變化加快，全斷面開挖和臺(tái)階法開挖常是交替進(jìn)行的，且全斷面開挖地段較少，單洞配置了一臺(tái)三臂設(shè)備，雙洞掘進(jìn)配置了兩臺(tái)。當(dāng)單臺(tái)設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，還可以使用另一臺(tái)交替施工，當(dāng)兩臺(tái)設(shè)備均故障時(shí)，將面臨掌子面停工的風(fēng)險(xiǎn)。由于設(shè)備的普及率不高，維修及設(shè)備配件完全依靠廠家。

目前采取的改進(jìn)措施有3種：一是加強(qiáng)對(duì)臺(tái)車的養(yǎng)護(hù)工作的監(jiān)督，要求廠家配置專業(yè)維護(hù)人員入住現(xiàn)場(chǎng)并指導(dǎo)、參與臺(tái)車的養(yǎng)護(hù)工作，定期對(duì)臺(tái)車做好大型保養(yǎng)工作，減少臺(tái)車的故障率。二是根據(jù)實(shí)際需要，設(shè)置配件倉(cāng)庫(kù)，配置富有余量的易損件、易壞件，并保證型號(hào)和規(guī)格與臺(tái)車匹配，做到易損件、易壞件機(jī)手自行更換，不耽誤施工。三是加強(qiáng)與廠家片區(qū)服務(wù)站聯(lián)系，確保設(shè)備故障時(shí)，能及時(shí)聯(lián)系廠家第一時(shí)間趕至現(xiàn)場(chǎng)維修[1]。

2.3.3 售價(jià)高、性價(jià)比低

全電腦三臂鑿巖臺(tái)車全款置辦下來費(fèi)用接近1 000萬(wàn)元，投入到現(xiàn)場(chǎng)施工一年以后，項(xiàng)目初步核算洞身開挖每方增加約32元（包含增加的炸材費(fèi)用）。由于機(jī)械臂粗大且長(zhǎng)，巖面變化多端，外插角較大，每延米增加噴混凝土超耗費(fèi)用約800元。

2.3.4 設(shè)備中途進(jìn)場(chǎng)難協(xié)調(diào)

為積極響應(yīng)機(jī)械化減人的目標(biāo)，全電腦三臂鑿巖臺(tái)車由公司購(gòu)買，由公司租賃站負(fù)責(zé)管理調(diào)配，出租給項(xiàng)目部使用，機(jī)手由公司租賃站統(tǒng)一招聘培訓(xùn)并調(diào)配，項(xiàng)目部按月繳納租金。項(xiàng)目部與協(xié)作隊(duì)伍合作模式為純勞務(wù)模式，由于施工幾百米后中途增加設(shè)備，人工打鉆退出，設(shè)備進(jìn)場(chǎng)后增加的費(fèi)用及相應(yīng)的開挖單價(jià)調(diào)整事宜仍在與協(xié)作隊(duì)伍磋商中，留下很大的合同、成本隱患。

目前采取的改進(jìn)措施是由雙方派人對(duì)實(shí)際發(fā)生的成本數(shù)據(jù)進(jìn)行見證收集，根據(jù)不同的圍巖等級(jí)，對(duì)開挖工序建立成本分析模型進(jìn)行造價(jià)分析，為合同談判提供真實(shí)可靠的數(shù)據(jù)支撐。

2.3.5 預(yù)留鉆桿操作空間

人工打鉆時(shí)，已支護(hù)段落與掌子面的距離約0.5～1 m，由于設(shè)備臂架及鑿巖機(jī)體型較大，為更好控制超挖，設(shè)備打鉆時(shí)已支護(hù)段落與掌子面的距離需預(yù)留至少3 m，才能保證超挖可控。距離0.5～1 m時(shí)，炮孔終孔端將超挖0.5～1.2 m，超挖完全不可控。

目前改進(jìn)方案主要有兩種：一是周邊眼采用長(zhǎng)短孔。二是工序調(diào)整為打鉆→立架→噴漿→爆破→出渣→打鉆，以此來保證超挖可控及裝藥人員的安全。由此帶來的噴混凝土養(yǎng)護(hù)時(shí)間短，起爆時(shí)強(qiáng)度不足，擬通過與設(shè)計(jì)院及高校聯(lián)系研究早強(qiáng)噴射混凝土提高支護(hù)強(qiáng)度來解決[2]。

2.4 提質(zhì)增效

2.4.1 運(yùn)用全電腦三臂臺(tái)車配合光面爆破

鑿巖臺(tái)車是鉆爆法隧道開挖機(jī)械化施工的主要設(shè)備。ZYS113型全電腦三臂鑿巖臺(tái)車可實(shí)現(xiàn)智能精確定位，快速鉆孔。鑿巖臺(tái)車的主機(jī)將推進(jìn)梁、液壓鑿巖機(jī)安裝在鉆臂上，并在一定范圍內(nèi)移動(dòng)，進(jìn)行隧道開挖工作，其中液壓鑿巖機(jī)是其主要工作裝置。液壓鑿巖機(jī)工作分為沖擊、旋轉(zhuǎn)、推進(jìn)、沖洗4個(gè)作業(yè)過程。

全電腦三臂鑿巖臺(tái)車凸出點(diǎn)在于能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)定位及自動(dòng)打孔。先把隧道平曲線及豎曲線設(shè)計(jì)參數(shù)導(dǎo)入軟件，在此基礎(chǔ)上建立隧道輪廓斷面并設(shè)計(jì)炮孔圖，將其導(dǎo)入車載電腦內(nèi)，通過臺(tái)車定位后，設(shè)計(jì)炮孔的點(diǎn)位、深度及角度等在電腦上完全顯示。

臺(tái)車定位基于3D掃描儀測(cè)量已知坐標(biāo)的靶向點(diǎn)1與靶向點(diǎn)2兩點(diǎn)，獲得臺(tái)車的基準(zhǔn)點(diǎn)坐標(biāo)，原理類似于后方交會(huì)。施工時(shí)車載電腦軟件通過傳感器數(shù)據(jù)及自身幾何關(guān)系進(jìn)行臂架端頭定位，確定鉆頭部位的{X、Y、Z}坐標(biāo)，計(jì)算隧道掌子面的里程樁號(hào)，與臺(tái)車電腦顯示屏結(jié)合，操作人員能準(zhǔn)確知道鉆頭與炮孔的位置關(guān)系。操作人員移動(dòng)臂架時(shí)，鉆頭的位置會(huì)在顯示屏上同步移動(dòng)，靠近設(shè)計(jì)炮孔位置時(shí)，會(huì)有放大圖樣顯示與設(shè)計(jì)炮孔的相對(duì)位置關(guān)系指導(dǎo)精確定位。鉆頭定位完成后，根據(jù)設(shè)定的推進(jìn)壓力、推進(jìn)速度及鉆孔角度，及計(jì)算的鉆孔深度，設(shè)備可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)鉆孔、清孔并退出鉆頭。

為控制三臂鑿巖臺(tái)車隧道施工中的超欠挖，結(jié)合設(shè)備精確定位炮孔的優(yōu)勢(shì)，總結(jié)出目前應(yīng)用的“周邊眼長(zhǎng)短孔”鉆孔方法。

2.4.2 超欠挖掃描

全電腦三臂鑿巖臺(tái)車配置3D掃描儀1臺(tái)，該掃描儀安裝在鑿巖臺(tái)車控制臺(tái)上，在司機(jī)室正前部。通過掃描儀完成鑿巖臺(tái)車隧道內(nèi)的精確定位后，進(jìn)行開挖斷面（或初期支護(hù)斷面）掃描，自動(dòng)記錄、存儲(chǔ)3D掃描日志，可用于檢查超挖、欠挖情況，并可以計(jì)算出超挖及欠挖的土石方量。通過及時(shí)掃描超欠挖情況，調(diào)整鉆爆方案，優(yōu)化鉆爆設(shè)計(jì)，加強(qiáng)超欠挖控制。在3D掃描日志內(nèi)可以提取任一里程的斷面情況與設(shè)計(jì)斷面進(jìn)行對(duì)比，作為開挖方量核算及噴射混凝土方量計(jì)算的依據(jù)，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量建設(shè)、精確核算的目的[3]。

3 運(yùn)用成效及展望

3.1 實(shí)現(xiàn)了掌子面減人

采用設(shè)備完成鉆爆法開挖的鉆孔工序，只需3名操作手，相比于人工開挖的15人，人員減少80%。在滿足掌子面人員不超9人的情況下，人工打鉆效率將降低約55%。設(shè)備打鉆不僅實(shí)現(xiàn)了鉆孔工序掌子面減人的目標(biāo)，還保證了鉆孔效率，保證了施工進(jìn)度目標(biāo)，保證了進(jìn)洞人員數(shù)量和洞內(nèi)高危點(diǎn)位人員數(shù)量可控，有效遏制人員聚集增加事故風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 實(shí)現(xiàn)作業(yè)人員年青化

全電腦三臂鑿巖臺(tái)車智能化、自動(dòng)化、信息化程度高，對(duì)從業(yè)人員的專業(yè)性、能動(dòng)性、靈活性、協(xié)作性等通用技能提出更高的要求，且市場(chǎng)上設(shè)備操作手幾乎無(wú)儲(chǔ)備。青年人員正好滿足此類需求，適應(yīng)環(huán)境快，學(xué)習(xí)能力強(qiáng)，上手速度快，培養(yǎng)起來相對(duì)容易。人工風(fēng)鉆成孔施工勞動(dòng)強(qiáng)度大，作業(yè)環(huán)境差，少有工人愿意涉足。而三臂鑿巖臺(tái)車操作環(huán)境舒適、噪聲小、揚(yáng)塵少的操作環(huán)境也能吸引青年一代。企業(yè)培養(yǎng)青年員工，建立相對(duì)穩(wěn)定的核心技術(shù)工人隊(duì)伍，解決了打鉆人員老齡化的同時(shí)，給青年人提供了大量的工作崗位[4]。

3.3 各工序施工組織配合良好

鉆爆法開挖的鉆孔工序改為設(shè)備開挖后，技術(shù)人員和現(xiàn)場(chǎng)負(fù)責(zé)人員加強(qiáng)對(duì)各個(gè)工序之間銜接性的監(jiān)督，保證所有工序都能夠緊湊進(jìn)行，目前施工效率穩(wěn)定，IV級(jí)圍巖月進(jìn)尺平均約120 m/月，略高于人工開挖。本試點(diǎn)項(xiàng)目不但可以培養(yǎng)一批青年操作人員、設(shè)備管理以及維護(hù)團(tuán)隊(duì)，有效應(yīng)對(duì)打鉆人員老齡化問題，同時(shí)為公司大規(guī)模使用設(shè)備積累管理經(jīng)驗(yàn)，建立相對(duì)穩(wěn)定的核心技術(shù)工人隊(duì)伍。

3.4 降低設(shè)備使用成本

目前全電腦三臂鑿巖臺(tái)車市場(chǎng)保有量較小，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)商為數(shù)不多，設(shè)備價(jià)格高昂，使用成本太高。根據(jù)大量市場(chǎng)調(diào)研，結(jié)合試點(diǎn)項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際使用情況，現(xiàn)有的ZYS113型全電腦三臂鑿巖臺(tái)車鉆機(jī)功率改配為1個(gè)30 kW+2個(gè)18 kW，中臂增加超前探孔需要的加桿裝置、鉆桿鉆頭，30 kW鉆機(jī)可滿足超前探孔鉆探需要，18 kW滿足日常開挖鉆孔需要。改配后整體電總功率可減少至265 kW，設(shè)備整體售價(jià)降低約200萬(wàn)，洞內(nèi)同步配套的電力系統(tǒng)費(fèi)用降低，達(dá)到了整機(jī)成本及降低水電配置難度的目的，設(shè)備經(jīng)濟(jì)性更高，顧客接受度更高，更有利于大面積推廣。

4 結(jié)束語(yǔ)

在隧道建設(shè)中，掌子面安全生產(chǎn)形勢(shì)嚴(yán)峻，隧道掌子面施工機(jī)械化減人勢(shì)在必行。通過鑿巖臺(tái)車在試點(diǎn)項(xiàng)目隧道施工中的應(yīng)用研究，充分地發(fā)揮三臂鑿巖臺(tái)車作業(yè)范圍大、靈活性強(qiáng)、空氣污染小、安全文明、沖擊鉆高效的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了快速、優(yōu)質(zhì)、安全、高效施工，達(dá)到了掌子面“減人提效”目的，有效防控重大安全風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)了作業(yè)人員年青化，有效地應(yīng)對(duì)作業(yè)人員老齡化的問題。

參考文獻(xiàn)

[1] 郭鵬飛，郭釗，梁策，等.施工機(jī)械數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)下的鐵路隧道工程智能建造數(shù)據(jù)共享方案[J].鐵路計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2023，32（8）：32-37.

[2] 李成臣，吳文軍.大斷面隧道智能化機(jī)械配套微臺(tái)階施工工法應(yīng)用研究[J].價(jià)值工程，2023，42（21）：52-54.

[3] 尹江，劉佳明，王耀東.三臂鑿巖臺(tái)車在鐵路單線隧道施工中功效提升與超耗量控制的應(yīng)用[J].鐵路工程技術(shù)與經(jīng)濟(jì)，2023，38（4）：30-34.

[4] 夏勇.全電腦三臂鑿巖臺(tái)車、智能拱錨一體化臺(tái)車在特長(zhǎng)公路隧道中的應(yīng)用[J].低碳世界，2023，13（6）：160-162.

收稿日期：2023-09-05

作者簡(jiǎn)介：熊明康（1977—），男，重慶人，本科，正高級(jí)工程師、一級(jí)建造師，研究方向：工程管理。