长大隧道三臂凿岩台车快速施工方案

王文利

摘 要：在京沈高速铁路客运专线三棱山隧道施工中，针对围岩较破碎、开挖断面较大的Ⅳ级围岩采用钻爆法进行开挖，上下台阶法分部平行开挖，采用上台阶三臂凿岩台车与下台阶人工钻爆相结合的方式，充分利用三臂凿岩台车快速、定位精确、安全的特点，各台阶进行平行交叉作业，通过优化钻爆参数，有效缩短循环作业时间、加快作业效率、提高钻爆精度减少超欠挖，减少对围岩的损伤，同时也节约初期支护成本，较好地实现了洞室的快速开挖。

关键词：京沈客专 IV级围岩 台阶法 三臂凿岩台车

中图分类号：TV53 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）06（a）-0097-02

随着我国高速铁路建设的迅猛发展，在地形复杂的地区会兴建越来越多的长大隧道，长大隧道施工工期长、投资大，合理的机械化施工方案通过减少劳动力的投入，降低能源和资源的消耗，提高施工效率，能够保证经济效益提高和安全质量可靠。铁路隧道施工常用钻爆法开挖，当前钻爆法发展的一个方向为：利用多臂钻（常用三臂凿岩台车）加快开挖成洞的速度，对于缩短循环作业时间、加快作业效率、提高钻爆精度减少超欠挖、节约初期支护成本有着非常积极的作用，因此研究多臂凿岩台车在长大隧道中的施工方法显得极为迫切和必要。

1 工程概况

中国路桥承建京沈客专辽宁段TJ-1标三棱山隧道位于辽宁省朝阳市、阜新市境内，隧道全长8 888 m。隧道进口位于北票市马友营乡东台子村，与101国道相邻。隧道进口起始里程为DK493+415，设计纵坡为4.8‰的单面下坡，共承担2 930 m的施工任务。其中开挖里程为DK493+880-918，围岩等级为IV级，衬砌类型为IVa-2、IVa-1。该地段工程地质情况为：凝灰岩，局部夹凝灰质砂页岩，强至弱风化，灰色，凝灰质结构，块状构造，节理裂隙较发育，岩体较破碎，块石碎石状镶嵌结构。隧道开挖断面面积为147.03 m2，其中三臂凿岩台车开挖上台阶断面面积为86 m2，台阶高度7.53 m，开挖宽度15.06 m。

2 施工准备

2.1 超前探孔

为及时掌握施工掌子面前方的地质情况，对不良地质地段要做好超前地质预报工作，超前地质预报采用了地质调查法和地震波反射法，分析围岩的稳定情况，据此预报掌子面前方围岩的工程地质条件、水文地质条件。

2.2 用水用电

施工用电直接从临近电网中接入施工现场。凿岩台车开挖所用的高压电缆线架设在隧道右側拱墙以上，进洞500 m处放置50 kW的变压器，进洞500 m后，采用（3×240+1×120）mm2铝芯电缆给三臂供电，用电电压为380 V。

在洞内550 m处安装一个5×2.5×2.5=31.25 m3的储水罐，在水罐上安装一台功率为22 kW的水泵向洞内供水，洞内水罐前采用Φ100mm供水管，水罐后采用Φ80mm供水管，洞内台车施工前从水井向储水罐注水，直至洞内用水结束。

2.3 测量放线

测量人员应严格按设计放线，放线利用全站仪精确放出上、下台阶开挖轮廓线、隧道中线，用红色油漆画开挖轮廓与布置炮眼，测量组应在钻眼前及时对上一循环轮廓线进行复核并做标记，便于三臂凿岩台车操作手钻孔作业。

3 三臂凿岩台车的施工要点

3.1 钻爆设计

3.1.1 爆破材料

炸药种类及药卷直径。三棱山隧道爆破采用二号岩石乳化炸药，光面爆破周边孔采用φ32mm直径普通药卷，掏槽孔及辅助孔均采用φ32mm直径药卷。

3.1.2 掏槽形式及装药结构

掏槽眼采用4排对称斜眼掏槽的形式，周边孔与辅助孔的孔底在同一垂直面上。为更好地达到爆破效果，周边孔采用纵向间隔绑扎在竹片+导爆索上进行空气间隔不耦合装药结构，其他炮孔采用连续装药结构。炮孔堵塞采用炮泥堵塞，长度不小于20～25 cm，松紧适度。

3.1.3 炮眼数量

上台阶掏槽眼采用4排对称的斜眼掏槽的形式，孔口距50～80 cm，孔深为2.2 m，炮眼数量为16个。辅助眼间距第一排为50 cm，后排眼间距为60 cm，炮眼数量为98个。周边眼炮眼的数量为54个，炮眼间距为40 cm，炮眼深度为2 m。底眼设置一排，垂直于开挖面打眼，炮眼间距为80 cm，炮眼数量为19个。下台阶辅助眼横向间距为80 cm，纵向间距为100 cm，孔深为2 m，炮眼数量为25个。周边眼间距为40 cm，数量为25个，底板眼间距为70 cm，数量为25个。钻爆设计图见图1。

3.2 台车作业

该隧道采用钻爆法施工，Ⅳ级围岩采用正台阶光面爆破施工，上台阶施工采用自制简易台车配合1台三臂凿岩台车施钻，下台阶采用4台风动凿岩机钻眼。由于掌子面存在不平整的情况，尽量保证眼底在同一平面上，每个孔完成钻凿后，钻臂自动进行水雾吹渣清孔。为防止后期钻眼过程中危石掉落使掌子面底部堆满影响底眼钻进先进行底板眼施工，然后再同时施工周边眼及其他炮眼。在右半面底板眼钻完后，1号、3号臂分别钻上部周边眼、下部周边眼，2号臂钻掏槽眼。周边眼钻完之后1号臂钻上部辅助眼、3号臂钻下部辅助眼。钻孔时应避免两作业臂在一个垂直面上下作业，以免在作业过程中因上方施钻扰动可能的掉落岩块将下方作业臂砸损。在钻进过程中需要注意的事项如下：（1）在上台阶对掌子面及周边轮廓进行钻孔的过程中，上循环的爆破导致存在开挖面不平整的情况，这就加大了钻头钻进的难度，在施工时应先沿弧面低冲击低推进开一个浅孔，在卡好位之后控制好钻头方向进行钻进。（2）钻头钻进过程中钻进方向发生变化或者发生坍孔导致卡钻现象，应立即停止钻进，进行清钻工作并重新选取眼位。钻眼过程中应根据掌子面围岩的具体情况来选择开眼位置以及调整辅助眼间距。（3）钻进方向易偏移的位置，要低冲击、低推进慢慢钻进并随钻进随时检查钻进方向；开孔或围岩较差时，要低冲击、低推进钻进；围岩较好，钻进一定深度后，采用高冲击、高推进钻进。

3.3 通风出渣

隧道施工通风采用AD-三速木林森压入式风机，直径为1.5 m，来实现尽快的出渣作业。爆破后及时进行通风排烟，达到规范要求后，随着循环进尺的推进，增加自卸卡车的数量以满足施工的进度，满足生产需要。上台阶采用2台装载机配合自卸汽车，下台阶采用1台挖掘机配合自卸汽车进行出渣作业。

4 与人工钻爆法施工对比分析

（1）进度方面。对于中、硬岩每分钟1.5 m，三臂凿岩台车钻进单孔时间约为2 min，而人工成孔约为10 min/孔，三臂凿岩台车开挖Ⅲ级围岩最高纪录为171 m/月。

（2）安全方面。人工开挖时，操作工人距离掌子面较近，直接暴露在初支后的岩体下，掌子面围岩及以開挖的岩体受到震动容易发生掉块、塌方等现象，作业工人安全性差。操作人员在操作平台上进行作业，距掌子面较远，极大地增加了操作人员安全系数，另一方面三臂凿岩台车钻进过程中，掌子面工作人员为1名观察员+3名司钻工，而人工开挖掌子面需要至少14把风枪，配备不少于16名作业人员，总的受风险人数上大大降低。

（3）质量方面。人工开挖受工人技术水平及劳动强度限制，周边眼间距经常出现超出爆破设计，外插角度也会由于作业工人责任心问题出现外插角过大，影响爆破效果。三臂凿岩台车打孔作业时，采用机械臂定位，开孔位置准确，钻孔间距全部在爆破设计要求范围内，外插角用机械臂控制，标准统一，相同进尺情况下，三臂凿岩台车开挖效果好于人工开挖。

（4）作业环境方面。人工开挖采用空压机风动提供动力，作业时排出的是湿雾状废气，空气质量差。通常采用的YT-28风枪重量28 kg，作业工人劳动强度大，风枪噪音大，虽没有实测，感觉从事开挖作业人员几乎无法承受，初步估计超过90 Hz，作业环境也较脏。三臂凿岩台车采用封闭式油路系统，空气较清新，污染少，为施工人员提供了一个良好的作业环境。

5 结语

在隧道机械化施工技术不断进步的今天，三臂凿岩台车应用于Ⅳ级围岩台阶法光面爆破中，钻眼单循环速度快、安全性能高、超挖量少，通过钻爆参数的不断优化，很好地实现了隧道洞身开挖钻孔作业，实现隧道洞身开挖支护的快速施工，改善作业环境，节约工程成本，为相关隧道机械化开挖施工提供工程经验借鉴。

参考文献

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