隧道凿岩台车开挖应用施工技术研究

张秦英

(中铁十二局集团第一工程有限公司 陕西西安 710038)

1 引言

近年，随着工程建设安全、环保、人性化意识的不断增强，质量及技术标准的不断提高，以及劳动力成本的进一步攀升[1]，原有粗放型、劳动密集型施工已然无法适应当前施工建设，尤其是隧道及地下工程建设的要求。因此工程建设“机械化、工厂化、专业化、信息化”成为必然趋势。2018年，中国铁路总公司在铁路建设工作会议上提出“交通强国，铁路先行”，并对铁路隧道智能化建造提出了方向和要求，到2020年，铁路率先实现现代化。因此，高速铁路隧道建设必须实现机械化、数字化、信息化、智能化，从而成为铁路率先实现现代化的重要标志之一。

2 工程背景

郑万高铁七标位于湖北省保康县马桥镇，起讫里程DK516＋085～DK525＋478.38，线路总长9.393 km。管段主要工程有罗家山隧道，全长10.640 km，最大埋深约470 m。隧道Ⅲ级围岩4.240 km，占40.02%；Ⅳ级围岩5.155 km，占48.66%；Ⅴ级围岩1.200 km，占11.32%[2]。采用“三平导＋一斜井＋一横洞＋一泄水洞”辅助坑道进洞方案。隧址区岩溶发育，可溶岩段长6.905 km，占隧道总长的64.9%，雨季最大涌水量为116 910 m3/d。地质条件复杂，存在突水突泥、断层破碎带及岩溶、顺层、偏压、危岩落石、高地温等不良地质，为Ⅰ级风险隧道[3]。

罗家山隧道依托武九铁路客运专线湖北有限公司2018年度《高速铁路山岭隧道智能化建造技术研究》科技开发计划重大课题，采用全电脑三臂凿岩台车、多榀拱架预拼装安装台架、自行式带弧模液压栈桥、防水板二衬钢筋自动安装一体机、智能衬砌台车、自动喷淋养护台车、水沟电缆槽台车、检测台车等[4]加强型机械化配套施工，形成“一洞九线”流水作业施工工法。本文主要研究利用全电脑三臂凿岩台车钻孔开挖施工技术。图1为全电脑三臂凿岩台车钻孔开挖现场。

图1 全电脑三臂凿岩台车钻孔开挖

3 主要功能及技术参数、适用条件

3.1 主要功能

(1)全电脑三臂凿岩台车依托智能化数据采集与控制系统，可实现整机在隧道内自动精确定位、多臂同步自动姿态调整、钻臂全自动钻孔等功能[5]。在全电脑凿岩台车电脑中设计(或导入已经完成设计的)炮孔图(主要包含炮孔位置、大小、深度、角度等参数)，全电脑凿岩台车即可通过自动计算机目标路径，由控制系统完成自动找点和高精度自动钻孔作业[6]。

(2)全电脑凿岩台车具备分析超过25 m钻孔数据并生成地质云图功能，数据与灌浆设备共享，自动生成注浆参数，在隧道周边形成灌浆体(见图2)。利用凿岩台车自带MWD系统分析，可以显示隧道断面中薄弱部分的破碎带沿隧道走向的变化。

图2 全电脑三臂凿岩台车生成的地质云图

(3)钻爆设计图导入车载电脑，自动精准钻孔。

(4)3D轮廓扫描，扫描时间5 min，范围90 m×25 m，对隧道轮廓可精确得到隧道湿喷混凝土用量。

3.2 主要技术参数

主要技术参数见表1。

表1 设备技术参数

3.3 适用条件

(1)地质条件

采用三臂凿岩台车进行隧道开挖时，可在Ⅲ级围岩、Ⅳ级硬岩采用全断面带仰拱一次开挖；在Ⅳ级软岩、Ⅴ级围岩时采用微台阶同步推进施工。

(2)断面条件

单台全电脑三臂凿岩台车最大作业范围(宽×高)为16.6×12.65 m；最小作业范围(宽×高)为5.5×6.5 m，能够满足国内单洞双线铁路、单洞单线铁路以及公路隧道断面开挖要求。但在选用过程中，还应综合考虑作业效率、循环时间等要求，一般开挖断面大于100 m2且宽度满足要求时，可采用双机并打。

(3)其它条件

全电脑三臂凿岩台车配备推进梁总长为7.465 m，最大可配置5.5 m钻杆，所以最大孔深(含掏槽孔)不应超过5.5 m。另外斜井进入正洞或有其它转角时，还应满足全电脑三臂凿岩台车的最小转弯半径(一般为12.4 m)。

4 三臂凿岩台车作业过程

4.1 辅助要素配备

(1)施工用水:罗家山隧道横洞口靠近既有河流，该河流常年流水，经化验该河水满足施工要求。施工用水在河边挖一水井采用泵送方式供水，在隧道口左侧修建水池。由于凿岩台车钻孔时用水量大，水压要求高，洞内设置水箱采用高压泵给凿岩台车供水，水压要达到2～10 Bar。要保证水量，主管直径不低于80 mm，凿岩台车分支管直径不低于35 mm。

(2)施工用电:施工用电采用永临结合电网高压电为主、自发电为辅。洞口配置630 kVA变压器三台，供应空压机房、风机、生活区及其他洞外用电；洞内配置1台800 kVA变压器，供应洞内凿岩台车施工用电。由于三臂凿岩台车对用电要求高，当开挖超过500 m时，必须采用高压跟进以满足台车用电需要。

(3)劳力、机械设备配置:一台全电脑三臂凿岩台车作业工班配置见表2。

表2 工班开挖作业线人员配置

4.2 工艺步骤

根据现场围岩情况罗家山隧道采用全断面开挖法，通过超前加固后采用全电脑凿岩台车同时向上和向下全断面一次性开挖(包括隧底开挖)。其总体施工步骤如下:

(1)修建施工操作平台:隧道Ⅲ～Ⅳ级围岩开挖总高度12～12.7 m，而全电脑凿岩台车的最大开挖高度不能满足要求，只能分成向上(约11.2 m)和向下(0.8～1.5 m)同时开挖。凿岩台车的推进梁长7.46 m，为避免产生较大的超欠挖现象，台车推进梁尽量与隧道开挖轮廓线平行进行钻孔作业。凿岩台车的作业面高出隧道底约0.8～1.5 m，在台车支撑位置至掌子面间不小于8 m(推进梁长7.46 m)段，隧渣需全部清走作为隧底开挖时台车推进梁的操作空间，而台车支撑段需用隧渣回填约0.8～1.5 m高作为凿岩台车操作平台。

(2)进行超前支护施工:采用全电脑凿岩台车按预设角度钻孔，利用台车挂篮配以人工安装超前预支护及注浆。

(3)全电脑凿岩台车自动定位钻孔，利用台车吊篮配以人工装药，退出台车至安全位置，起爆，通风、机械找顶、出渣。

(4)初喷完成后采用全电脑凿岩台车打设锚杆孔、锁脚锚管孔，安装拱架及锚杆，复喷混凝土至设计断面。

(5)爆破后隧底不进行出渣，回填至原位置，进行下一循环开挖施工。钻爆工序时间见表3。

表3 钻爆工序时间表

5 现场案例及分析

5.1 测量放样及定位

每台全电脑三臂凿岩台车自带定位系统，测量班每5 m在左、右侧边墙上放出坐标点[7]。凿岩台车每次开挖前通过扫描指定坐标点，进行系统定位与事先导入系统的爆破孔形成坐标系，即可实现钻孔时自动定位(见图3)。

图3 全电脑三臂凿岩台车自动定位

5.2 钻孔

(1)钻爆设计:按Ⅲ级围岩为例，周边眼间距45 cm，中间两排掏槽眼开孔距离4.8 m。由于凿岩台车理论钻孔深度为5.0 m[8]，按掏槽眼打满计算，理论进尺约4.0 m，周边眼暂按4.2 m进行设置。全断面共计209个炮眼，其中周边眼68个、掏槽眼58个、辅助眼72个、底板眼11个，见表4。全电脑三臂凿岩台车钻孔现场见图4。

图4 全电脑三臂凿岩台车钻孔现场

表4 钻爆参数

(2)三臂凿岩台车钻孔任务划分:全断面法施工时，采用两台凿岩台车同时作业，根据作业面空间的大小，合理分配每个大臂的作业范围及钻孔顺序。各大臂钻孔数量具体分配见表5。

表5 各大臂钻孔数量分配表

(3)钻孔记录:全电脑凿岩台车能生成钻孔报告，记录各臂工作情况，即钻孔数量、正常钻进及移动时间、钻进时各种压力等。

5.3 使用效果评价

(1)凿岩台车施工相比于人工作业速度有明显优势[9]。三臂凿岩台车的钻孔速度为2.0～3.0 m/min，钻单个3.5 m深孔循环时间为3 min左右。

(2)凿岩台车施工超欠挖能够精准控制。超欠挖控制的关键在于周边孔的设计、周边孔钻孔精度的控制及相邻两排炮的错台大小。隧道的超欠挖主要跟钻孔时的外偏角有关，而全电脑凿岩台车受机械自身限制，周边眼外偏角相对人工较大，施工过程中主要根据台车外偏角的边界条件来调整施工爆破参数(增加辅助短眼、适当回收周边眼等来与机械性能相匹配)。同时隧道围岩在施工过程中是不断变化且不均匀的，采用全电脑台车施工时提前将爆破参数录入电脑后，机械和人工配合来进行钻孔，操作手需要根据地质变化情况及时进行调整，现场根据支护与掌子面的距离和进尺的深度调整周边眼外偏角和短眼的深度及角度(三角函数)。台车开挖超欠情况与人工基本相当(Ⅲ级围岩平均线性超挖8～12 cm；Ⅳ级围岩平均线性超挖12～18 cm)，满足《高速铁路隧道工程施工技术规程》要求[10]。

(3)施工安全风险大幅降低。由于隧道埋深大及高地应力、高地温等不良地质情况，施工风险高、安全隐患多。人工钻爆开挖掌子面人员较多，每班需要约17人；单台三臂凿岩台车钻孔时，只需要3人即可。在使用三臂凿岩台车进行开挖时，台车操作人员在有安全防护的操作室内操作，距离掌子面较远，安全风险较低。

(4)施工环境大幅改善。使用三臂凿岩台车作业时，不用高压风，从而减小对隧道内空气的污染；另外由于一台三臂凿岩台车只有3个凿岩机，而人工钻爆要多达15～16台风钻，所以在施工过程中三臂凿岩机产生的噪声要比人工钻爆施工时低得多，从而减小对施工人员的听力影响；三臂凿岩台车开挖时由于钻机比人工钻爆少，从而产生的施工废水也相应减少，且凿岩台车作业环境能见度较好，给施工人员创造了良好的施工环境，减小施工人员可能得矽肺病、听力下降等疾病的机率，有利于施工人员的身体健康。

(5)凿岩台车施工机械设备投入相对较大。全电脑三臂凿岩台车一次性投入大，摊销折旧费用较高；维护保养成本及凿岩台车操作人员工资水平较高，致使机械使用费相对较高。经实际统计分析，采用凿岩台车钻孔(每循环进尺3.4 m)和人工钻孔(每循环进尺2.7 m)双线铁路隧道Ⅲ级围岩(单工作面)作业统计分析，凿岩台车三项费用(人工＋材料＋机械动力为23 706元)，人工三项费用为14 649元，每延米凿岩台车比人工费用高1 547元。当然，由于围岩情况不一样，施工方式不同，核算过程不同，会存在差别，但整体情况仍然是在现阶段使用凿岩台车费用略比人工费用高。

6 结束语

综上分析，凿岩台车功能强大，信息化传递效率快、机械化配套作业程度高、施工安全保障性能高[11]、施工环境改善效果好，有较大优势，加之人工劳动力年龄结构偏大趋势明显，成本不断上涨，隧道全机械化开挖将会成一种必然，但也存在大型机械施工定额不能与新技术、新装备配套[12]，造成施工企业负担较大、配套管理方式落后、大型机械操作和管理人员短缺的情况。