全智能三臂凿岩台车全面推动隧道施工机械化分析

摘要：随着我国社会经济不断发展，近年来我国陆地交通运输体系变得愈加完善，新建高速公路工程数量增多，很多高速公路施工需要穿越山体，其中，隧道施工成为了重点和难点。在过去隧道施工主要依靠人工操作机械设备并配合纯人工方式展开，作业效率低、人为影响因素多。在智能技术支撑下，全智能三臂凿岩台车应运而生，可根据系统设计实现智能化施工，极大地减少了人工劳动力投入量，并提高了隧道施工质量。基于此，分析了全智能三臂凿岩台车的系统组成与工作范围，分析设备运行过程控制，结合某案例探究隧道施工方法，旨在保障隧道施工质量、效率、安全。

关键词：全智能三臂凿岩台车隧道机械爆破

MechanizationAnalysisofComprehensivelyPromotionofTunnelConstructionbyFullyIntelligentThree-ArmRockDrillingRigs

WUKai

NO.5EngineeringCo.，Ltd.，ChinaRailway11thBureauGroupCorporationLimited，ChongqingCity，400037China

Abstract：WiththecontinuousdevelopmentofChina'ssocialeconomy，thelandtransportationsystemhasbecomeincreasinglyperfectinrecentyears，andthenumberofnewhighwayprojectshasincreased.Manyhighwayconstructionneedstocrossmountains，amongwhichtunnelconstructionhasbecomeakeyanddifficultpoint.Inthepast，tunnelconstructionmainlyreliedonmanualoperationofmechanicalequipuaZell+hJI6gMaXZnKv4Zw==mentandcooperationwithpuremanualmethods，resultinginlowworkefficiencyandmultiplehumanfactors.Withthesupportofintelligenttechnologies，fullyintelligentthree-armrockdrillingrigshaveemerged，whichcanachieveintelligentconstructionaccordingtosystemdesign，greatlyreducingtheamountofmanuallaborinputandimprovingthequalityoftunnelconstruction.Basedonthis，thisarticleanalyzesthesystemcompositionandworkingscopeofthefullyintelligentthree-armrockdrillingrig，analyzestheequipmentoperationprocesscontrol，andexplorestunnelconstructionmethodswithacasestudy，aimingtoensurethequality，efficiency，andsafetyoftunnelconstruction.

KeyWords：Fullyintelligent;Three-armrockdrillingrig;Tunnel;Mechanical;Blast

近年来，我国全面发展高速公路运输产业，新建高速公路工程数量不断增多。其中，不可避免地要穿越山体开展隧道施工。过去隧道开凿由人工操作风钻凿岩机进行，隧道轮廓测量、设置爆破孔均要由人工开展，不仅增加了劳动强度和施工风险，同时也降低了施工效率和施工质量。特别是在如川藏线路开通隧道，由于当地多爆岩、自然灾害多、地质条件恶劣，如果采用传统的人工挖掘手段，会极大地提升施工安全风险。为了解决此类问题，全智能三臂凿岩台车应运而生，可借助智能化终端和全自动化机械进行隧道挖掘工作，有效提升了隧道挖掘效率和施工安全。

1全智能三臂凿岩台车相关阐述

全智能三臂凿岩台车主要由计算机控制系统、轮式底盘、电气系统、液压钻进系统组成。计算机控制系统包括车载系统和办公室系统构成，是实现智能化生产的重要模块，办公室系统可为车载系统下达凿岩指令，三臂凿岩台车的车载系统接收到指令后，即可按照智能逻辑开展施工作业。通常情况下，当前主流的全智能三臂凿岩台车可一次完成高10m以上、宽15m以上、最大断面150㎡的作业需求[1]。

2全智能三臂凿岩台车高精度钻孔的实现方法

2.1炮孔间距控制

借助计算机软件系统，将爆破参数标准以及参考坐标等系数输入智能软件中，计算机平台将钻孔深度、炮孔间距与排距、外差值等存储到记忆卡内。在三臂凿岩台车作业中，工作人员只需要将设备运输到指定位置，并开启作业模式，系统则会凭借记忆卡信息下达操控指令，对作业面进行参数对比、仿真模拟分析，确认无误后系统即可按照参考坐标自动施工，确保炮孔参数一一对应，提高炮孔间距的精度。

2.2外差值控制

外差值也就是角度，向办公室系统软件输入爆破设计方案，预先设定好炮孔倾斜角度、钻进方向等参数，在爆破图上可以采用偏向、短线长短代表钻进方向和角度值。在实际运行中，智能控制系统可根据设定参数与实际作业面进行匹配，让实际倾斜角、钻孔方向与设计偏向、短线重合，这样即可保证外差值的精准度[2]。

2.3炮孔开孔位置控制

通过设置软件，标定钻孔位置，可根据围岩类别的不同，设置相对应的开孔速度、时间等参数，特别是对于一些不稳定围岩，要减少冲击、降低钻进速率，以保安全。全能控制系统开孔设计到实际开孔作业，均可以由智能系统自动掌控。

2.4炮孔深度控制

在钻孔作业中，系统可自动探测钻进深度，达到设定深度后停止继续钻进，并自动开启清孔模式。由于整个钻机过程均由智能系统自动控制，可保证炮孔底部落在同一铅垂面内，提升了炮孔利用率，同时保障了爆破后工作面的平整度。

2.5炮孔轴线控制

在三臂凿岩台车就位后，台车上安装的激光定位系统可以实现自动定位，且车载终端自动计算施工参数，自动建立台车位置、隧道轴线坐标空间几何，有效控制开挖面与炮孔、隧道轴线关系。

2.6钻进顺序控制

在办公室软件中可设置三臂凿岩台车大臂钻进顺序，从而避免大臂之间产生干扰问题，提升掘进效率。

2.7钻孔精度控制

结合以往全智能三臂凿岩台车使用经验表明，该设备钻进偏差可控制在3cm/m以内；深度偏差不超过1%；开孔深度在2～12m时的误差不超过12～20cm；开孔偏差在3cm以内。钻孔精度非常高，普通台车几乎无法达到该精度标准。

3工程实例

3.1 工程概况

CZSCZQ-7标段一工区：起讫里程为D2K396+200-DK412+311（东俄洛3号大桥拉萨台台尾～高尔寺山隧道4号斜井工区），正线长16.111km。主要包括桥梁144.32m/座，占线路长度0.89%；隧道15.396km/0.5座，占线路长度95.56%；路基568.84m/段，占线路长度3.53%。高尔寺山隧道地质构造非常复杂、地质条件差。隧道穿越4条断层，4条褶皱。全隧以软质的含碳板岩夹砂板岩为主，主要不良地质有软岩大变形、高地温、顺层偏压、危岩落石、有害气体、涌突水等，施工安全风险高。最大独头掘进长度5029m[3-4]。

3.2施工方法

CZSCZQ-7标段为做好大机配套施工作业，积极从全公司抽调经验丰富的大机施工管理人员与操作人员。起于高尔寺山隧道进口右线和帕姆岭进口正式开始使用三臂凿岩台车进行开挖作业，经多个循环磨合，大机施工各项指标已趋于正常。大机施工的开挖钻孔工序较传统人工开挖有较大区别，其机械配置如表1所示。

3.3施工效果

3.3.1作业循环时间

在三臂凿岩台车就位、上水、人工拖电缆、参数输入等准备阶段，共需要15～20min，钻孔时间在120～150min之间、装药时间在100～150min之间、通风时间为30min、三臂凿岩台车及其相关装置撤离需30min左右、出渣时间在240～300min之间，总计用时约10h，考虑锚杆施工需要多增加一些时间，因此一个循环时间在11h以内。

3.3.2爆破效果

通过直眼掏槽，炮孔利用率可达97%以上，具备良好的块度，可用作路基填料，轮廓炮痕保存率在85%以上，拱部更是高达93%以上，让边墙光面爆破效果得到进一步提升，这也是应用全智能三臂凿岩台车的优势之一[5]。

3.3.3欠挖与中心贯通

通过观察隧道开挖面可知，其平均线性超为14.5cm，未发现欠挖状况，整体开挖轮廓圆滑平顺。中线横向贯通误差平均小于6.5cm，完全满足规定标准。

3.3.4开挖进度

平均每天2茬炮，进尺量为7～8m，月进尺平均达到200m以上，进尺最高月份达到240m。

3.3.5初期支护

支护采用φ90长管棚，长度为12～15m，同样采用自动化跟踪技术，喷射混凝土强化表面，最终检测回弹率在16%左右，可满足施工要求[6]。

3.4施工优势

（1）施工效率高：尤其在III级以上围岩，三臂凿岩台车钻孔速度优势明显，2min内可完成5m左右的钻孔；隧道内进行超前小导管施工、管棚施工优势也比较明显。（2）安全性高：掌子面作业人数少，且远离掌子面，操作人员在密闭驾驶楼里，相比人工钻孔，安全性大大增加。（3）环保：掌子面空气质量保持较好，噪音也较小；操作人员在密闭驾驶楼里，可减少噪音伤害，且夏天有空调，冬天有暖气，可为操作手提供较为舒适的环境。（4）施工工法灵活：特别是仰拱开挖方面比较有优势，可实现下台阶带仰拱开挖，全断面带仰拱开挖，且仰拱开挖质量较人工开挖高。（5）施工质量高：特别是锚杆施工，长度和与岩面角度可以得到保证（锁脚锚杆要求角度斜向下，系统锚杆要求垂直岩面，人工施工非常困难甚至做不到）。（6）人员需求少，适应高原环境和目前劳动力匮乏的现状。（7）节省体力：机械化施工可大幅度减少工人劳动强度。

4结语

综上所述，人工手持风钻施工模式投入人员多，劳动强度大，作业环境条件差，能源消耗高，掘进速度慢。从目前国内政策，人力资源以及现代企业发展，科技进步等方面来看，隧道大型机械化施工是一个必然趋势。全智能三臂凿岩台车在大断面、大进尺开挖中优势巨大，进尺越大，开挖工序时间越短，人工、设备折合成本越低，虽然可能在加强支护方面需增加一定的材料成本，但是机械化施工在减轻工人施工强度，改善洞内作业环境，提高施工安全系数方面起到的作用十分明显。

参考文献

[1]富凡芮，李曼.全智能三臂凿岩台车全面推动隧道施工机械化[J].科技创新与品牌，2020（5）：320-321.

[2]施龙.全电脑三臂凿岩台车在高速公路长大隧道应用中的研究[J].中文科技期刊数据库（全文版）工程技术，2022（9）：499-502.

[3]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，2020，33（4）：433-435.

[4]杨瑞.三臂凿岩台车自调节气雾排渣技术在长大深埋隧道中的应用研究[J].价值工程，2023，42（23）：104-106.

[5]燕波.基于大型机械施工的双线高铁隧道围岩稳定性分析及支护优化研究[D].成都：西南交通大学，2021.

[6]李佳旺.郑万高铁大断面隧道机械化施工力学特性及支护参数优化研究[D].成都：西南交通大学，2021.