西康高铁秦岭太兴山隧道凿岩台车钻爆试验研究

冯海潮 黄智勇 程宏生 陶永宝 傅洪贤 许华威 管晓明

1.中铁三局集团桥隧工程有限公司， 成都 610083； 2.西成铁路客运专线陕西有限责任公司， 西安 710043；3.北京交通大学 土木建筑工程学院， 北京100044； 4.青岛理工大学 土木工程学院， 山东 青岛 266033

1 凿岩台车应用现状

1.1 应用历程

1979年修建衡阳—广州复线大瑶山隧道时进口了一批大型施工机械。首次采用进口的四臂全液压凿岩台车进行直眼掏槽钻孔，实现了全断面一次成型爆破［1］。随后在大同—秦皇岛铁路军都山隧道推广。90年代末进口设备逐渐老化，维修保养成本较大［2］。由于国内劳动力充足，又开始使用手风钻钻孔，研制了简易台架。采用手风钻和简易台架进行隧道钻孔爆破，施工效率大大提高［3］。2000年国产凿岩台车问世，2015年后进入快速发展阶段。隧道凿岩台车一般配置3个钻臂，也有配置2个或4个的，配置5个的罕见。

1.2 存在的问题

1）凿岩台车专业司钻人员缺乏。司钻人员均需专门培训并具有一定的实践经验才能胜任，但目前此类培训甚少。主要原因是没有大规模应用凿岩台车。

2）技术水平一般的司钻人员采用凿岩台车钻孔爆破时平均线性超挖量大，一般在35 ～ 45 cm。即便技术水平高的司钻人员钻孔，平均线性超挖量也在13 ～ 18 cm，基本上是手风钻的2倍。超挖部分须要采用喷射混凝土补充，开挖成本高。

3）现场使用的炸药药卷直径与凿岩台车钻孔直径不匹配，每立方米岩石消耗的炸药量比手风钻钻孔爆破时高很多。如隧道同等围岩条件下，采用凿岩台车和采用手风钻钻孔爆破时消耗的炸药量分别为1.02、0.64 kg/m3［4］。

针对以上问题，选取西康高速铁路秦岭太兴山隧道左洞进口Ⅲ级围岩段（DK23 + 075—DK23 + 155）进行凿岩台车钻爆法试验，提出凿岩台车的超挖控制技术措施，明确合理的炸药药卷直径。

2 现场试验

2.1 工程概况

秦岭太兴山隧道为单线双洞隧道，左洞、右洞长度分别为16.906 、16.923 km，左右洞间距最大71 m，洞口段线间距18 m。隧道Ⅱ级、Ⅲ级、Ⅳ级、Ⅴ级围岩总长度分别为15.120、16.430、3.268、0.905 km，所占比例分别为42%、46%、9%、3%［5］。隧道围岩主要为混合花岗岩、混合片麻岩等。矿物成分以石英、长石、角闪石和云母为主。

2.2 凿岩台车改造

凿岩台车采用JTH3200三臂凿岩台车，整个台车的外形尺寸为17.1 m（长） × 3.1 m（宽） × 4.2 m（高），推进梁长度为7.1 m。由于单线隧道跨度为10.8 m，钻周边孔时外插角大，并且钻掏槽孔时空间受到限制，钻孔最深3.5 m，不能满足快速施工要求。因此，把两侧的机械臂长度缩短至6.1 m。改造后凿岩台车钻周边孔时外插角较小，钻孔深度可达4.0 m。

2.3 精准钻孔措施

掏槽孔的爆破效果对后续孔影响非常大，进而影响到爆破进尺。隧道超挖和欠挖量主要取决于周边孔的爆破效果。因此，掏槽孔和周边孔的钻孔精度至关重要。

为了确保钻孔精度，主要采取如下措施：

1）钻孔前在掌子面用红油漆准确勾画出隧道中心线、拱脚线和周边轮廓线，标出掏槽孔、周边孔、辅助孔等炮孔的位置和间距。

2）按照掏槽孔、周边孔、辅助孔的顺序钻孔。为了确保掏槽孔爆破效果和周边孔爆破时超挖量在设计范围内，钻孔时严格按照爆破设计间距、深度和角度进行。其中，掏槽孔、辅助孔开孔位置误差分别为不大于5 cm、不大于10 cm，周边孔开孔位置从轮廓线向内移5 cm，孔底不超出开挖轮廓线15 cm。

3）由于凿岩台车操作室距掌子面较远，为确保钻孔精度，掌子面配置1名人员引导钻掏槽孔和周边孔。

2.4 爆破参数的确定

在确保钻孔精度条件下，凿岩台车钻爆效果主要取决于各类炮孔起爆顺序、起爆时间和掏槽形式。

采用凿岩台车进行光面爆破时，按照掏槽孔、辅助孔、内圈孔、周边孔和底板孔的顺序依次起爆。

电子雷管出厂时没有设置起爆时间，需要根据现场围岩情况确定。为了装药方便，把电子雷管的起爆时间设置为导爆管雷管奇数段位（MS1、MS3、…、MS17）的起爆时间。

由于直孔掏槽对钻孔精度要求较高，不易达到设计要求，采用凿岩台车进行隧道爆破时，大部分采用斜孔掏槽。因此，试验段采用凿岩台车进行斜孔掏槽。基于该隧道同等围岩级别地段手风钻钻孔爆破施工经验，经过现场3个循环的凿岩台车钻爆试验，最终确定掏槽形式为两级斜孔掏槽。

炮孔布置和起爆顺序见图1。隧道各类炮孔爆破参数见表1。一共钻149个炮孔，装药总量为257 kg。

表1 隧道各类炮孔爆破参数

图1 炮孔布置和起爆顺序（单位：cm）

2.5 试验结果

Ⅲ级围岩整体性较好，在3个循环爆破试验后，周边孔炮痕保留率在90%以上。其中一个循环爆破后断面线性超挖量在3.3 ～ 46.2 cm，平均线性超挖量仅19.9 cm。

由于现场药卷直径一般为32 ～ 35 mm，该直径与手风钻钻孔直径40 mm匹配，与凿岩台车炮孔直径50 mm不匹配，掏槽孔爆破效果不理想。根据手风钻钻孔直径与药卷直径的匹配关系，与凿岩台车配套的药卷直径宜在40 ～ 45 mm取值。

由于所使用的凿岩台车有两个工作平台，每个平台最多能允许2人装药，装药爆破时间在150 min左右。为了缩短施工时间，采用简易台车配合凿岩台车进行爆破掘进作业，装药和连线一般需要8人。按照试验方案和参数完成了剩余的试验段。试验段爆破施工进尺在3.4 ～ 3.6 m，钻孔平均用时224 min，装药、爆破平均用时90 min，钻爆施工用时314 min。

3 结语

1）针对周边孔外插角大和掏槽孔深度受限问题，将凿岩台车两侧机械臂长度由7.1 m缩短至6.1 m。改造后凿岩台车钻周边孔时外插角较小，钻孔深度可达4.0 m。

2）掏槽孔和周边孔的钻孔精度对于凿岩台车爆破施工质量至关重要。钻孔前勾画出隧道中心线、拱脚线和周边轮廓线；按照掏槽孔、辅助孔、内圈孔、周边孔和底板孔的顺序钻孔；掌子面配置1名技术人员引导钻掏槽孔和周边孔。爆破后平均线性超挖量仅19.9 cm。

3）单线隧道采用凿岩台车钻爆时可以采用两级斜孔掏槽，爆破施工进尺可达3.4 ～ 3.6 m。

4）采用简易台车配合凿岩台车进行爆破掘进作业，可以缩短钻爆施工时间。与凿岩台车配套的药卷直径宜在40 ～ 45 mm取值。