全電腦三臂鑿巖臺車在長大隧道中快速掘進的應用研究

楊海航，房玉中，邰 鶴

(中鐵隧道集團一處有限公司，重慶 401121)

為適應鐵路市場機械化配套需求，提升隧道施工效率、質量及安全，采用什么施工設備是當前隧道工程界關注的問題。目前較為普遍的開挖方法是人工鉆爆法，但該法投入人員多、勞動強度高、作業環境差、能源消耗高、鉆進速度慢[1-4]，在長大鐵路隧道建設中的應用受到限制，已無法滿足目前鐵路建設和隧道施工的技術需要。而全電腦三臂鑿巖臺車具有鉆孔速度快、機械化程度高、能耗低、施工安全、噪音空氣污染小、綜合成本低等優點[5-8]，即可將人工鉆爆法的弊端問題解決。本文立足于鑿巖臺車在成昆線小相嶺長大隧道中的應用，著重于探討鑿巖臺車應用過程中對施工進度造成干擾的因素及解決方法。

1 工程概況

小相嶺隧道主洞全長21.775 km，設置貫通平導1座，長21.6 km，斜井2座，分別長2 425 m、3 100 m，橫洞1座，長340 m，是成昆線第一長隧，設計時速160 km，屬Ⅰ級高風險隧道，施工平面示意如圖1所示。其中小相嶺隧道2號斜井工區采用鑿巖臺車進行斜井及正洞開挖作業，斜井開挖斷面寬8.18 m，高6.55 m；正洞開挖斷面寬13.09 m，高11.53 m[6-9]。2號斜井圍巖開挖主要為晉寧期花崗巖，弱風化，巖質較軟，節理裂隙弱發育，夾粘土，掌子面穩定，局部滲水；正洞圍巖開挖揭示主要為變質砂巖夾千枚巖，花崗巖，大理巖夾變質石英砂巖，大理巖夾千枚巖，圍巖不斷變化，掌子面普遍較干燥，無滲水，Ⅲ、Ⅳ級圍巖占90%。

圖1 小相嶺隧道施工平面示意

2 鑿巖臺車

2.1 概況

全電腦鑿巖臺車是近幾年地下工程行業力推的鑿巖臺車之一，目前，國內常見的電腦臺車型號有Atlas XE3C全電腦鑿巖臺車、Sandvik DT1130i型全電腦臺車、中鐵裝備DJ3E智能型三臂鑿巖臺車。全電腦臺車的基本特征是通過計算機進行設計布孔圖，電腦鑿巖臺車定位后，鑿巖臺車自動確定自身位置和計算鉆臂位置角度，根據設定的布孔圖實現多角度的自動鉆孔施工。小相嶺隧道開挖采用的是Atas XE3C全電腦三臂鑿巖臺車，主要技術指標如表1所示。

表1 鑿巖臺車主要技術指標

BoomerXE3C型電腦臺車為4輪驅動輪式行走，并配備有一個帶防護頂篷的標準服務平臺。鉆臂斷面面積可達206 m2，鉆孔直徑自33 mm至115 mm。鑿巖臺車整體采用模塊化設計理念，采用成熟的CAN-BUS總線分布系統技術，配備鷹式高臂座，RCS電腦控制鉆進系統，BUT45重型液壓鉆臂、ABC控制系統和大功率鑿巖機(現有配備COP2238HD+鉆機)，最大程度地確保了超高的生產力。

2.2 施工組織

1)流程：施工組織流程如圖2所示。

圖2 鑿巖臺車施工組織流程

2)開挖：采用鑿巖臺車，兩班制作業。人員配置如表2所示。

表2 鑿巖臺車開挖人員配置

鑿巖臺車鉆孔按照電腦系統中輸入爆破設計參數進行。以2號斜井開挖為例，掌子面爆破設計如圖3、表3所示。

表3 斜井Ⅲ級圍巖爆破設計參數

(a)掌子面正面

3)出渣(斜井)：配1臺柳工50CN型裝載機，5輛出渣自卸車，一般每車裝載為20 m3。

2.3 循環時間

1)開挖循環時間

鑿巖臺車開挖循環時間與臺車操作、故障率、現場組織、管理、協調以及隧道洞內作業環境密切相關，同時受通風、裝渣及運輸等客觀條件制約。2017年4月，現場人員經過定期跟蹤、記錄斜井的循環誤時統計結果如表4所示，開挖用時影響排列因素如圖4所示。

表4 鑿巖臺車開挖誤時統計

由圖4可知，影響鑿巖臺車使用效率的主要因素：一是機械故障率高，維保工作不到位；二是工序銜接不到位，現場施工斷檔。

圖4 開挖用時影響因素排列

2)循環進尺及月進度

鑿巖臺車在工作時，操作人員通過計算機控制鉆臂和推進梁進行鉆孔。鉆臂用以支承推進梁，可在一定的角度內上下左右擺動，并可伸長一定距離；推進梁用以安裝和推進鉆桿，其型號決定了鉆孔深度和直徑，同一臺車可配不同型號的推進梁。鉆臂和推進梁的技術參數決定了臺車的作業范圍。Atlas XE3C全電腦鑿巖臺車覆蓋面積178 m2，掌子面配置一臺基本覆蓋隧道施工范圍。

自2017年4月跟蹤、分析臺車開挖影響因素后，項目制定措施進行現場改進。2017年5月至10月隧道開挖完成1 958 m，平均達326.4 m/月，最高月開挖進尺347.6 m。單循環開挖時間可達3 h 13 min，日循環可達3.89循環，臺車工作范圍如圖5所示，開挖后效果如圖6所示。

單位：mm

圖6 開挖效果

3 影響鑿巖臺車效率的原因

3.1 機械故障率高

臺車開挖不同于人工開挖，一旦臺車出現故障，就造成現場無法施工。目前鑿巖臺車司鉆工對臺車的工作原理還在摸索中，操作技術水平較低，不能準確地進行臺車操作，根據現場實際情況，不斷摸索，調整參數，造成鑿巖臺車故障率較高，臺車優越性能發揮效果不明顯。

3.2 工序銜接不到位

爆破過后無出渣車，支護完成后又沒有及時噴混凝土等。工序銜接是隧道施工的關鍵，一個工序耽誤一點，日積月累對工效造成的影響很大[10-12]。

4 臺車使用管理的2點措施

4.1 做好維保工作，降低臺車故障率

臺車維保工作分為洞內和洞外。洞內維保主要是跟班作業，在鑿巖臺車施工過程中，對臺車關鍵部件進行跟蹤巡查，一旦發現異常及時采取措施，避免問題擴大，造成臺車出現故障；洞外維保主要是對鑿巖臺車進行日常保養及運行檢查，對使用極限值配件進行修理或更換，如圖7所示。臺車的維保對人員業務水平及責任心要求較高，只有熟悉臺車工作原理及熟練操作的人員才能勝任。

圖7 臺車日常維保

4.2 制定管理制度，加強工序銜接

施工管理以人為本，考核是項目管理的主要手段之一。項目部會同各級管理人員商討，針對鑿巖臺車的使用制定了《施工月進度考核管理辦法》《開挖工序時間考核管理辦法》《超欠挖考核管理辦法》等一系列考核文件，以過程控制為中心，以高效推進為核心，以強基達標為基點，以剛性獎懲為手段，照章辦事，不講情面，注重效率，突出實效，保證各項指令落實到位。考核結果以占比分配，人人都有獎懲，月月都有獎罰，充分發揮臺車優勢，達到“既有量，又有型”的效果。

5 結論

通過全電腦三臂鑿巖臺車在小相嶺隧道2號斜井中的成功應用，取得連續6個月的持續高產，掘進1 958 m，平均每月掘進326.4 m，實現了長大隧道利用臺車達到快速掘進施工的目的，并取得長大隧道快速施工技術的如下經驗：

1)由于鑿巖臺車結構自身功能，臺車開挖適用于大斷面硬巖開挖，當單循環進尺控制在3.5 m左右時，可最大發揮臺車優勢，施工效率高，開挖成型好。

2)鑿巖臺車在大斷面特長隧道中，較手持風鉆具有鉆孔速度快、機械化程度高、能耗低、施工安全、噪音空氣污染少和綜合成本低等優點，而提高操作人員的專業水平和素質減少超欠挖、加強設備保養是實現上述鑿巖臺車優勢的關鍵。

3)在小相嶺隧道采用全電腦鑿巖臺車共掘進 2 000 m，提高了隧道掘進機械化施工程度，找到了進尺與時間的黃金分割點或拋物線的頂點，實現了高效生產。