雙曲臂鑿巖臺車在鐵路隧道建設(shè)中的應(yīng)用

卞 恒

（中鐵十六局集團第一工程有限公司，北京 101300）

鐵道隧道建設(shè)過程中，圍巖分布不均勻，會增加施工難度。利用機械進行隧道掘進開挖，是提升施工效率的關(guān)鍵[1-2]。結(jié)合工程實例，論述雙曲臂鑿巖臺車WD200E 的結(jié)構(gòu)特點、關(guān)鍵施工程序和適應(yīng)性改進方法，有助于推廣該型臺車在工程中的應(yīng)用。

1 雙曲臂鑿巖臺車組成與功能

1.1 臺車組成

作為一種應(yīng)用廣泛的掘進鉆孔機械裝備，雙曲臂鑿巖臺車WD200E 主要由車體、鉆臂、鑿巖機、供氣系統(tǒng)、供水系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)等關(guān)鍵部分構(gòu)成。其中：作為主要承力基礎(chǔ)的車體自重28 t，有效保證了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性；鉆臂單桿鉆孔深度達(dá)4.5 m，適用于大縱深工況；鑿巖機額定沖擊功率為18 kW，適用鉆孔直徑60 mm±20 mm；供氣系統(tǒng)采用空壓機實現(xiàn)作業(yè)，供氣氣壓為800 kPa，流量為0.8 m3·min-1；供水系統(tǒng)發(fā)揮機械組件水冷作用，工作水壓保持在12 MPa，流量為12 m3·h-1。各套功能性組件之間基于以太網(wǎng)實現(xiàn)控制指令的傳輸與接收。此外，鑿巖臺車集成有中央處理器，用于實現(xiàn)邏輯命令的協(xié)同與分配[3]。

為了適應(yīng)復(fù)雜工況，雙曲臂鑿巖臺車WD200E的最大行駛速度為15 km·h-1，最大限坡度為15°，最大機動功率為96 kW。雙曲臂巖鑿臺車WD200E的基本結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 雙曲臂鑿巖臺車WD200E 結(jié)構(gòu)外觀

1.2 功能介紹

雙曲臂鑿巖臺車WD200E 適合在復(fù)雜工況下施工，國內(nèi)多個公路鐵路隧道挖掘、抽水蓄能電站及水庫灌溉洞建設(shè)等項目，都利用該型臺車進行巖洞的掘進施工。在應(yīng)用過程中，該型臺車可以實現(xiàn)地質(zhì)勘查分析、大動力鉆探、數(shù)據(jù)通信交互等功能，配合爆破、注漿、管棚施工等工序，還可以實現(xiàn)快速鉆孔[4]。雙曲臂鑿巖臺車WD200E 的功能性特點，如圖2 所示。

圖2 雙曲臂鑿巖臺車WD200E 功能特點

2 隧道工程概況

某隧道工程項目建設(shè)工期在招投標(biāo)階段已經(jīng)確定，需要在規(guī)定時間內(nèi)完工。該隧道工程作為重要分項工程，配合干線鐵路施工。該隧道主要為V 級圍巖，地質(zhì)以砂巖為主，由正洞和斜井兩部分組成，其中正洞斷面尺寸為8.085 m×8.069 m，斜井?dāng)嗝娉叽鐬?.550 m×8.279 m。綜合考慮建設(shè)工期、施工難度和建設(shè)成本，項目指揮部確定采用全工序機械化方式施工，其中雙曲臂鑿巖臺車WD200E 主要用于掌子面鉆爆施作、管棚施作及錨桿施工。

3 關(guān)鍵工序與施工方法

3.1 施工程序

在隧道工程項目建設(shè)過程中，由于工程量大、施工難度高，施工組織具有一定難度[5]。為了在規(guī)定工期內(nèi)高效完成施工任務(wù)，項目指揮部最終確定采用以雙曲臂鑿巖臺車WD200E 為主的施工方法，具體流程如圖3 所示。

圖3 隧道施工流程

3.2 關(guān)鍵施工措施

3.2.1 施工準(zhǔn)備

在施工開始之前，應(yīng)充分做好準(zhǔn)備工作，保證施工現(xiàn)場平整、壓實，確保臺車能夠平穩(wěn)行進。此外，應(yīng)做好施工現(xiàn)場的排水，避免因為雨季施工導(dǎo)致現(xiàn)場積水嚴(yán)重，進而造成不必要的損失。

3.2.2 臺車就位

施工現(xiàn)場準(zhǔn)備完畢后，由駕駛員將鑿巖臺車開至掌子面合適位置。就位后，臺車應(yīng)檢查工作狀態(tài)，重點關(guān)注液壓管路的狀態(tài)，必要時復(fù)測液壓油的性能指標(biāo)。臺車的工作狀態(tài)經(jīng)檢查確定無誤后，伸開支腿支撐好車身，利用車載水準(zhǔn)儀粗調(diào)臺車位置，實現(xiàn)平面定位。定位后的臺車車身應(yīng)能保持水平，有利于穩(wěn)定施工。然后連接水、電、油管路，檢查鉆頭、鉆桿等工具是否配齊與匹配，無誤后進入施工工序。

3.2.3 炮孔施工

雙曲臂鑿巖臺車WD200E 具有自動識圖并按照圖紙進行鉆孔的功能。開始施工后，按照施工平面圖和爆破設(shè)計圖，在臺車控制端輸入施工工位的詳細(xì)信息，引導(dǎo)臺車對施工工序進行程序化處理。然后，對臺車的鉆孔位置和開孔方向進行匹配和誤差測量，確保初始位置和角度誤差均在允許范圍內(nèi)。誤差監(jiān)測合格后，啟動鉆孔程序。鉆孔過程中，需要注意推進梁的方向與位置，保持梁底盤與巖面始終貼合，不得隨意改變推進梁方向，避免出現(xiàn)鉆孔彎折事故。鉆孔施工完成后，撤回鉆頭，清理鉆孔內(nèi)粉塵。

3.2.4 裝藥連線

在鉆孔過程中，為了保證臺車的穩(wěn)定，減少安全事故的發(fā)生，需要配合使用臺車的雙曲臂。為了確保鉆孔過程順利，減少曲臂的工作壓力，各個曲臂的功能實行輪換，盡量做到協(xié)同一致。炮孔施鉆完成后，可以利用鑿巖臺車進行裝藥、連線。裝藥時，用炮棍將乳巖石化炸藥卷按照由底角到拱部、由周邊到中間的順序推送至爆破區(qū)域，然后輕輕壓實。壓實后，在炮孔周邊采用分段式不耦合方式連接導(dǎo)爆索，預(yù)留合理的引爆長度。這樣就完成了裝藥和連線的工序，具備隨時爆破的能力。

3.2.5 臺車退出保養(yǎng)

完成炮孔施鉆和裝藥連線后，雙曲臂鑿巖臺車WD200E 切斷電源和液壓系統(tǒng)，拆除水管，做好退出施工準(zhǔn)備。退出后，需要按照操作規(guī)程對鑿巖臺車進行維護保養(yǎng)。維護保養(yǎng)時，需要重點檢查發(fā)動機機油油位是否在規(guī)定刻度線以上，如果低于刻度線應(yīng)及時補充機油。檢查柴油箱油位，一旦發(fā)現(xiàn)油位低于標(biāo)準(zhǔn)值及時補充。檢查液壓油箱油位及油箱是否進水，若進水則在油箱底部放水。檢查輪胎壓力和磨損情況，以及輪轂螺栓、螺母的緊固情況。檢查柴油機空氣濾清器，及時清潔附著的污染物。通過維護保養(yǎng)，使鑿巖臺車始終處于良好的工作狀態(tài)，確保隨時可以投入工作。

3.3 適應(yīng)性施工改進

根據(jù)該隧道所在區(qū)域的地質(zhì)特點，在圖3 所示常規(guī)施工程序的基礎(chǔ)上，對施工方法進行適應(yīng)性改進，以最大限度發(fā)揮雙曲臂鑿巖臺車WD200E 的工程性能。

一方面，采用微臺階工法開挖地質(zhì)復(fù)雜工段。在施工過程中，部分施工地段地質(zhì)情況復(fù)雜，主要表現(xiàn)在圍巖硬度和體積較大，容易發(fā)生塌陷事故。為此，在這些工段采用微臺階工法進行施工。在微臺階工法施工中，臺階的高度應(yīng)控制在6 ～7 m，分為上下兩級，其中上臺階高度為6.9 m，下臺階高度為2.1 m。此外，設(shè)置仰拱以利于逐步開挖和支護，仰拱的高度為1.58 m。

另一方面，改進推進梁以增加臨空面。在部分工段施工時，為了滿足裝藥量的要求，對推進梁的長度進行適應(yīng)性改進。根據(jù)爆破空間的大小，將推進梁的長度范圍控制在6.3 ～7.2 m。合適的推進梁長度有助于控制掏槽角度，從而增加槽眼裝藥量，保證臨空面滿足爆破要求。

4 施工效果評估

通常情況下，隧道施工采用人工開挖的方式實現(xiàn)。為了判斷雙曲臂鑿巖臺車WD200E 的工作效能，選擇本隧道工程項目中某時段內(nèi)雙曲臂鑿巖臺車掘進3.6 m 與人工開挖3.6 m 的施工數(shù)據(jù)進行對比分析，結(jié)果如表1 所示。在實際施工過程中，由于不存在人工結(jié)合機械的施工方式，表1 中的數(shù)據(jù)為不同掌子面采用不同施工方式的實施結(jié)果，經(jīng)過統(tǒng)計后作為評價雙曲臂鑿巖臺車與人工作業(yè)施工效果差異的支撐。

表1 某工段施工情況統(tǒng)計分析

由表1 可以看出，采用雙曲臂鑿巖臺車開挖的方式，有效加快了工程進度。雙曲臂的使用優(yōu)勢在于適用性強、智能化、省人工及安全風(fēng)險低等，但是現(xiàn)階段其在控制超挖方面的效果不是特別明顯，仍然需要不斷優(yōu)化方案，提高操作人員的熟練度，進一步減少人員投入和耗時，減少混凝土消耗量。此外，表1 中的數(shù)據(jù)為單日進度，超欠挖數(shù)據(jù)符合施工組織安排。

5 結(jié)語

雙曲臂鑿巖臺車WD200E 在隧道工程施工中具有操作簡單、工作效率高、安全穩(wěn)定的特點，在保證工程質(zhì)量的同時能夠減少人力資源的投入。經(jīng)過工程項目實例驗證，進一步闡釋了該型臺車的工作特點。在后續(xù)研究中，可以結(jié)合該型臺車的結(jié)構(gòu)和項目地質(zhì)特點進行適應(yīng)性改進，從而減少施工安全隱患，促進工程項目順利實施。