多臂钻在高速公路特长隧道的应用分析

张小将 秦少帅 舒佳 董健

摘要 随着高速公路隧道的长大化发展，高度的机械化配套施工已成为必然趋势。多臂钻具备一机多用、信息化、智能化等优点，在隧道的施工安全、质量及职业健康等方面有良好的应用效果。通过多臂钻在某高速公路特长隧道的实际应用分析，为类似工程提供技术参考。

关键词 长隧道;多臂钻;技术参考

中图分类号 U455.41 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2022）05-0098-04

0 引言

目前高速公路隧道正在向长大化发展，而爆破开挖是施工关键工序[1]，传统人工手风钻虽然对施工环境、围岩类型的应用范围广，但多臂钻的一机多用、信息化、智能化等功能对长大隧道施工安全、质量和职业健康方面有突出应用优势[2-8]，结合某工程特长隧道对人工手风钻和多臂钻在适用范围、施工用途、工作效力及经济效益进行综合对比分析。

1 工程概况

某特长隧道，设计采用分离式双向四车道形式，全长3 948 m，最大埋深约488 m。隧址穿越地层为第四系残坡积（Q4el+dl）粉质黏土、含碎石粉质黏土、碎石，下伏志留系中统坟头组（S2fn）砂岩、粉砂岩夹石英砂岩，下统高家边组（S1gb）页岩、粉砂质页岩夹砂岩。隧址区大地构造单元属扬子准地台，隧道轴线走向与背斜轴向呈大角度相交，地表出露岩石存在挤压揉皱现象，隧道围岩完整性受其影响较大。同时，隧址区地表水系较为发育，地表冲沟内有常年小股溪流，易下渗至隧道洞身，对围岩稳定不利，隧道围岩情况如表1所示。为满足施工需要，结合项目实际，采用两臂凿岩台车进行隧道开挖。

2 施工过程

2.1 设备简介

多臂钻采用DW2-120双臂（带吊篮）掘进凿岩台车（见图1），配备了先进的蒙特贝HC109/HC95凿岩机、油缸-钢丝绳式推进梁，最大化覆盖作业面积120 m2，冲击功率18.8 kW，接杆钻进最大钻孔深度25 m，摆动角度±45°，车身全长16.2 m，车宽2.5 m，高3.2 m，重达35 t，两臂钻主要设备参数见表2。可进行全自动炮眼打孔、超前地质预报、锚杆插打、掌子面扫描、注浆施工、高空作业、洞口套拱和管棚施工、拉毛、配合装药等作业[9]。

2.2 多臂钻的使用及特点

2.2.1 全自动高效智能化钻孔

将钻孔设计图预先导入车载电脑，设备一键激活后自动智能布孔，操作钻杆自动定位打眼和清孔，施工步骤如下：

（1）台车定位：场地平整，台车就位，通过3D扫描仪确定固定点、检测点，获得台车位置数据，然后预先导入车载电脑，设置钻孔参数。

（2）激活全自动钻孔系统，智能布孔、自动找点，待打孔完毕后进行清孔。

2.2.2 超前地质勘探和地质分析

台车可在20 min完成30 m的超前探孔，钻孔数据可通过操作系统实时监测，经地质分析软件处理后进行地质复原，形成地质报告。

2.2.3 断面扫描

通过3D扫描仪对台车前后隧道轮廓进行地质扫描，经过软件处理后获得扫描数据，建立立体模型，三维显示隧道断面超欠情况，修正下一循环隧道钻爆参数。同时，通过3D扫描仪直观显示湿喷前后隧道截面大小变化，准确计算出喷射混凝土厚度，动态记录喷射混凝土的超耗和回弹情况。

2.2.4 锚杆及管棚施工

凿岩台车钻臂可适应各种类型的锚杆、管棚钻孔位置及角度需求，且可用锚杆替换凿岩钻杆进行帮锚、顶锚作业。

2.2.5 高空作业

台车吊篮（规格1.2 m*2 m）安全工作负荷达400 kg，控制灵活、定位准确，具备自动调平功能，留有水和高压空气接口，满足掌子面排险、安装锚杆、水泥注浆、挂设风带、辅助检测等各种高空作业需求。

2.3 工艺流程

工艺流程见图2。

3 多臂鉆在隧道施工过程的应用分析

3.1 机械化、信息化及智能化程度对比

与传统人工手风钻相比，多臂钻在机械化、信息化、智能化性方面有突出优势，主要表现在以下几个方面：

（1）通过工作日写实法测算，120 m2的开挖断面，人工手风钻需作业人员9～12人，需配置空压机、风水管等配套设施，机动性较差。多臂钻仅需钻车与操作人员1～2人，仅需配置水管设备。

（2）人工钻孔、台车定位须采用全站仪测放，耗时长且对作业人员的经验和操作能力要求高。多臂钻台车就位后，通过3D扫描仪可确定台车位置，自动找点打眼、清孔。

（3）人工钻孔的无法自动孔序优化，钻孔时间受人为因素影响大。多臂钻根据施工环境动态调整钻孔孔序，节省钻孔工序时间。

（4）人工手风钻钻孔过程数据收集和应用分析能力差，无法根据围岩和超欠挖情况进行实时动态调整。多臂钻可适应性处理传感器反馈的钻孔信息，建立立体模型，三维显示隧道断面超欠情况，动态调整钻爆参数。

3.2 适用范围对比

人工手风钻适用于所有开挖工法及围岩类型。多臂钻开挖方式存在一定局限性，适合Ⅲ、Ⅳ级围岩全断面或两台阶法开挖，因台阶断面太小、空间受限，Ⅴ级围岩单侧壁开挖、双侧壁开挖、三台阶预留核心土等开挖方式无法使用，但对于长隧道或12 m以上的特大断面，多臂钻具备钻孔、装药、锚杆安装等一机多能、安全高效的开挖优势。

3.3 施工用途对比

与传统人工手风钻相比，多臂钻在安全、质量和职业健康方面有突出优势，主要表现在以下几个方面：

（1）人工钻孔掌子面若需作业人员多，作业人员离掌子面1～2.5 m，在复杂地质条件下开挖时易出现群体伤害。多臂钻掌子面开挖可大幅减少作业人员，操作人员可在离掌子面12～15.5 m的固定操作台上进行操作，一旦发生顶拱和掌子面塌方，可避免造成人员伤害，且排险比较容易。

（2）人工手风钻的钻杆定位和控制方向精确程度低，不易控制掌子面超欠挖，光面爆破效果不佳，容易增加喷射混凝土用量。多臂钻利用WMD地质分析软件和3D扫描仪可将隧道断面超欠情况建筑三维模型，动态调整钻爆参数，超欠挖控制效果较好。

（3）人工手风钻风动设备产生噪声及粉尘大，施工环境恶劣，职业健康危害大，但造孔过程不产生废水和冷却水，抽排水工作量小。多臂钻自有的封闭式油路系统，可消除手风钻排气噪声，且通过配备的水系统进行抑尘，空气较清新，职业健康危害小，但造孔过程中会产生废水及冷却水，抽排水工作量较大。

3.4 工效对比

选择测时法[10]适宜隧道钻孔施工工时测定。选取ZK46+156～ZK46+206和YK46+164～ZYK46+214围岩（Ⅳ类）情况相似的两段为研究对象，上、下台阶炮孔设计数量分别为194、126，爆破孔布置见图3，分别采用人工手风钻和多臂钻进行钻孔施工，现场采集的有效数据见表3。

（1）数据结果表明，多臂钻在施工过程中钻孔时间较人工手风钻缩短0.67 h，钻孔速率可增加17%，人工节省9人，多臂钻在爆破孔放样、钻孔定位、钻孔及换孔方面速度明显快于传统人工手风钻，但在进场准备和退场整理时间相对较长，建议根据多臂钻特点，优化施工工法，尽量减少凿岩台车进出场次数，充分发挥其工作效率。

（2）测定过程中多臂钻因推进梁发生故障1次，设备维修造成掌子面停工22 h，表明多臂钻的维修或者配件的更换时间长，对施工进度影响较大，加强设备保养和维护是充分发挥多臂钻功能的关键因素，建议成立专业的维修保养队伍、定期对设备进行保养。

3.5 效益对比

通过6个月的数据收集，对多臂钻和传统人工手风钻的综合成本进行对比分析（见表4）。结果表明，多臂钻与传统人工手风钻相比综合成本相差不大，仅增加1.3元/m3，多臂钻可大幅减低人工费和电费，但一次性投入大，保养、折旧及维修费用高。

4 结论与建议

（1）与传统的人工手风钻机相比，多臂钻的应用范围相对局限，保养和维护是影响多臂钻功能发挥的关键因素，但对于长大隧道多臂钻的一机多用、信息化、智能化功能优势明显，且在施工安全、质量及职业健康等方面有良好的使用效果。建议加强操作手的专业知识培训，成立专业的凿岩台车维修保养队伍，每日对设备进行强制保养，减小机械故障率。

（2）通过选择测时法测定，类似围岩条件下，多臂钻在爆破孔放样、钻孔定位、钻孔及换孔方面速度明显快于传统人工手风钻，钻孔速率提升17%，但在进场准备和退场整理时间相对较长。建议根据多臂钻特点，合理调配人员、设备、机械，优化施工工法，尽量减少凿岩台车进出场次数，充分发挥其工效。

（3）多臂钻与传统人工手风钻相比综合成本相差不大，仅增加1.3元/m3，多臂钻，一次性投入大，保养、折旧及维修费用高，但可大幅减低人工费和电费，符合国家以人为本和低碳经济的发展理念，类似工程条件下建议推广。为节省钻爆台车费用，建议在钻臂上增加自动装药装置，形成从钻眼到装药一体化作业施工。

参考文献

[1]楊希文. 公路隧道钻爆法机械化配套施工的发展趋势[J]. 交通世界， 2020（24）： 63-64.

[2]田海龙. 三臂凿岩台车在高速公路山岭隧道的经济效益分析[J]. 广东土木与建筑， 2021（4）： 81-84.

[3]王阅章， 李鸣， 宿成智， 等. 软弱围岩隧道三臂凿岩台车的应用[J]. 中国科技信息， 2020（24）： 58-59.

[4]彭仁军， 李三华， 刘爱兵， 等. 全电脑三臂凿岩台车在铁路隧道开挖施工中的应用[J]. 建设机械技术与管理， 2020（4）： 48-51.

[5]赵宏博， 卢伟. 三臂凿岩台车在郑万高铁隧道软弱围岩施工中的应用[J]. 隧道建设（中英文）， 2018（8）： 1342-1349.

[6]李东华. 高速铁路隧道三臂凿岩台车实用性研究[J]. 工程技术研究， 2020（18）： 127-128.

[7]杨海航， 房玉中， 邰鹤. 全电脑三臂凿岩台车在长大隧道中快速掘进的应用研究[J]. 公路交通技术， 2021（3）： 120-124+131.

[8]王玮. 三臂凿岩台车在长大隧道施工中的应用[J].  建筑机械， 2019（3）： 24-27.

[9]中国葛洲坝集团有限公司. DW2-120双臂（带吊篮）掘进凿岩台车使用说明书.

[10]公路工程机械台班费用定额： JTG/T B06—03—2007[S]. 北京：人民交通出版社， 2007.