新型三臂鑿巖臺車在特長山嶺隧道開挖中的應(yīng)用★

林廣東，何 軍，申小軍，王樹民

(中交一公局集團有限公司,北京 100102)

1 概述

公路及鐵路隧道施工地質(zhì)環(huán)境大多為巖層，巖體掘進技術(shù)至關(guān)重要。以鉆爆法為代表的掩體掘進技術(shù)在山嶺隧道開挖中得到了廣泛應(yīng)用。鉆爆法主要分為人工和鑿巖機施工兩種。目前為止我國仍有一部分隧道工程仍采用氣動鑿巖機鉆孔等人工法施工[1]，施工風(fēng)險性較大同時一定程度上延長了隧道的建設(shè)周期。對于特長山嶺隧道建設(shè)而言，鑿巖臺車已逐漸成為鉆爆法必備的工程裝備。我國在20世紀70年代開始引進國外鑿巖臺車用于隧道施工，自2000年由長沙山河智能公司首次報道研發(fā)出鑿巖臺車至今20年間，我國鑿巖臺車產(chǎn)品得到了快速的發(fā)展，初步統(tǒng)計國內(nèi)已有十余家企業(yè)具備生產(chǎn)鑿巖臺車的能力[2]。目前對鑿巖臺車施工工藝研究正在逐步深入，臧萬軍[3]依托雅瀘高速公路大相嶺隧道工程，研究了鑿巖臺車在Ⅲ級～Ⅴ級圍巖中的施工工藝及工程效果，同時從各方面與傳統(tǒng)風(fēng)動鑿巖機進行了對比分析，闡明了鑿巖臺車在特長山嶺隧道施工中的優(yōu)勢。吳連雄等[4]結(jié)合廣州蘿峰隧道工程對鑿巖臺車和手持風(fēng)動鑿巖機的優(yōu)缺點做了較系統(tǒng)的總結(jié)，并給出了兩種施工方法的使用范圍。金明等[5]結(jié)合鄭萬高鐵小三峽隧道工程指出施工數(shù)據(jù)顯示鑿巖臺車平均線性超挖較風(fēng)鉆鉆爆大，這一點與理論分析相反，可通過加強管理來優(yōu)化。

目前有關(guān)鑿巖臺車在軟巖和硬巖兩類地質(zhì)條件中的應(yīng)用研究正在逐步深入[6-9]，目的就是讓機械化施工裝備更充分地發(fā)揮其優(yōu)勢。本文依托實際工程從適用性、安全性、環(huán)保性和經(jīng)濟性等多角度全面分析鑿巖臺車在特長隧道施工中的優(yōu)勢。

2 新型三臂鑿巖臺車施工

2.1 工程概況

伏牛山特長公路隧道位于欒川縣廟子鎮(zhèn)附近，地屬伏牛山系，橫跨黃河長江分水嶺。海拔高程在850 m～1 500 m，山勢陡峭，河谷縱橫，進口交通條件較差，出口交通條件較好。伏牛山隧道左線起訖樁號ZK82+408～K91+569，全長9 161 m，右線起訖樁號K82+363～K91+546，全長9 183 m，圍巖主要以Ⅲ級微風(fēng)化花崗巖為主。該工程工期較緊，同時施工難度大，是整條公路的關(guān)鍵線路之一。

伏牛山隧道按照新奧法原理施工，對于Ⅳ級，Ⅴ級圍巖采用臺階法開挖，Ⅲ級圍巖采用全斷面開挖法施工。伏牛山隧道出口工區(qū)全長4 826 m，前期圍巖狀況較差為強風(fēng)化花崗巖，該部分采用人工開挖。中后期大部圍巖以Ⅲ級微風(fēng)化花崗巖為主，采用全斷面方法進行開挖，引入三臂鑿巖臺車施工。

2.2 TZ3A型臺車技術(shù)參數(shù)

伏牛山隧道項目出口段采用徐工集團自主研發(fā)的新型三臂鑿巖臺車TZ3A(見圖1)，共引入該型號臺車3臺，左右線隧道各一臺，備用一臺。表1給出了TZ3A型鑿巖臺車的詳細參數(shù)。

表1 TZ3A三臂臺車技術(shù)參數(shù)

2.3 施工工藝及控制要點

根據(jù)新奧法施工的基本原理，本工程引進了徐工研制的TZ3A(200 kW)三臂鑿巖臺車進行隧道開挖作業(yè)。采用全斷面開挖法施工，基于光面爆破技術(shù)將隧道斷面一次成型。根據(jù)施工過程中地質(zhì)條件的變化，及時調(diào)整爆破參數(shù)，使得三臂鑿巖臺車發(fā)揮最大工效，提高光面爆破的作業(yè)質(zhì)量和作業(yè)效率。

三臂鑿巖臺車施工工藝流程如圖2所示。

1)臺車就位。

Ⅲ級圍巖中隧道采用全斷面開挖，斷面面積為100 m2，臺車在隧道中線位置即可。

2)測量放線。

圖3給出了全斷面開挖的炮眼布置情況。采用全站儀進行測量放線，測量前視人員利用鑿巖臺車中間的云梯臺架，用紅油漆畫出周邊眼孔位。測量按照輪廓線程序?qū)㈤_挖的周邊眼孔位畫出，整體孔位應(yīng)呈一條圓滑的弧線，同時將邊墻2 m高的拱部和邊墻分界點(曲墻應(yīng)畫出起拱點、邊墻弧度分界點)畫出。輔助眼施工時需在放樣周邊眼過程中利用固尺畫出周邊眼輪廓線，炮眼間距45 cm。為控制周邊眼鉆進角度和坡度兩個重點方面，應(yīng)由掌子面向后方畫出5條坡度控制線中心線1條、拱肩和邊墻的坡度線4條(拱肩2條——起拱線標(biāo)高/坑底標(biāo)高+2 m、邊墻2條/邊墻高度2 m)，同時在下方放出中心位置。掌子面的掏槽眼、擴大眼、抬炮眼等由現(xiàn)場技術(shù)員在臺車定位后，根據(jù)測量放置的中心線和高度嚴格布孔，布孔必須標(biāo)準(zhǔn)，嚴禁未布孔開鉆施工。超欠挖應(yīng)在每一循環(huán)進行測量，并在巖面標(biāo)出超欠挖值。由測量人員在掌子面后方1 m處放置里程線，并在開挖巖面環(huán)向畫出一條里程線，以便鑿巖臺車操作手參照控制鉆孔鉆進的深度。

3)臺車鉆眼。

臺車就位后，按照底板眼、周邊眼、輔助眼、掏槽眼的順序施工。

a.底板眼施工。為了防止鉆眼時頂部圍巖掉落至底板，因此首先進行底板眼施工，底板眼施工結(jié)束后用橡膠管堵塞，防止碎石掉入。

b.周邊眼施工。根據(jù)測量放線位置設(shè)置施工周邊眼，調(diào)整機械臂靠近隧道側(cè)壁巖層，調(diào)節(jié)推進器使之與隧道中線平行以避免鉆桿外插角度過大產(chǎn)生的超挖現(xiàn)象。對于圍巖狀況較差的地層，鉆桿鉆眼過程中極易偏離原有方向造成較嚴重的超挖現(xiàn)象，因此要嚴格控制鉆孔速率。為控制周邊眼的鉆進角度和坡度，現(xiàn)場采用的具體做法是由掌子面向后方畫出5條坡度控制線中心線1條、拱肩和邊墻的坡度線4條(拱肩2條——起拱線標(biāo)高/坑底標(biāo)高+2 m、邊墻2條/邊墻高度2 m)，同時在下方放出中心位置。

c.輔助眼施工。輔助眼以隧道中線為軸對稱布置，圍繞掏槽眼向四周均勻擴散，傳遞并擴大爆破效果。

d.掏槽眼施工。掏槽眼間距為45 cm，采用楔形水平鉆孔，操作手根據(jù)炮眼布置圖進行掏槽眼定位。兩個臂同時開鉆，相互配合，控制好鉆眼角度和深度，鉆眼位置基本對稱，符合爆破設(shè)計。

3 新型三臂鑿巖臺車開挖過程中優(yōu)勢分析

3.1 適用范圍對比

三臂鑿巖臺車適用于特大公路及鐵路隧道的Ⅲ級、Ⅳ級及部分Ⅴ級圍巖地層，開挖斷面不宜過小，適用于90 m2～130 m2的隧道斷面開挖。人工風(fēng)鉆開挖由于不受設(shè)備體積的制約，幾乎適用于任何可進行鉆爆法施工的圍巖。

3.2 施工質(zhì)量對比

鑿巖臺車的鉆桿一旦定位后，鉆桿即可按照固定的角度推進，這與人工控制鉆桿推進相比，可明顯提高鉆孔質(zhì)量從而減少超挖量。圖4為三臂鑿巖臺車的光面爆破效果，表2給出了臺車施工及人工開挖的超挖量數(shù)據(jù)，可以看出三臂鑿巖臺車開挖成型明顯優(yōu)于人工開挖。

表2 臺車與人工開挖超挖對比 mm

3.3 施工工效對比

伏牛山隧道出口以Ⅲ級微風(fēng)化花崗巖為主，鑿巖臺車平均每循環(huán)進尺為4 m，平均每月掘進188 m。人工鉆爆法平均每循環(huán)掘進159 m。

圖5對比了鑿巖臺車與人工開挖在各工序環(huán)節(jié)所需時間，可以看出Ⅲ級圍巖鑿巖臺車鉆爆工序的平均時間為14.9 h，單月循環(huán)次數(shù)為47次；人工鉆爆法工序的平均時間為15.3 h，單月循環(huán)次數(shù)為53次。鑿巖臺車鉆爆的優(yōu)勢在于前期開挖鉆爆的時間較短，較人工鉆爆法縮短了1 h；出渣、錨網(wǎng)和噴漿工序時間比人工鉆爆法略長，主要原因是臺車開挖的進尺比人工法開挖進尺多1 m。

3.4 班組人員配置對比

表3為臺車和人工鉆爆人員配置對比情況。可以看出使用鑿巖臺車及風(fēng)鉆鉆爆施工，均按2班工作制。鑿巖臺車除配置操作機手外，還需配置專職維修保養(yǎng)人員。風(fēng)鉆鉆爆法施工時無需配置專職維修人員。鑿巖臺車施工相較人工鉆爆，人員減少了75%。另外從兩種施工作業(yè)人員的年齡結(jié)構(gòu)來看，臺車作業(yè)人員更加年輕化，且文化程度較高，一般為高職中專以上。

表3 臺車和人工鉆爆人員配置對比 人

3.5 安全性對比

傳統(tǒng)人工鉆爆法開挖過程中人員較多，且距離掌子面較近，風(fēng)動鑿巖機噪聲較大，施工過程中產(chǎn)生的灰塵較多導(dǎo)致工作空間的能見度底，施工風(fēng)險較大，且發(fā)生事故時人員基本沒有反應(yīng)時間。三臂鑿巖臺車作業(yè)時工作人員可在距掌子面10 m之外的位置操控大臂，且臺車的駕駛室頂部具備防墜物墜落沖擊的防護作用，極大提高了作業(yè)的安全性。

3.6 環(huán)保性對比

鑿巖臺車在作業(yè)過程中不會像風(fēng)動鑿巖機那樣帶來水霧、油霧和灰塵，另外鑿巖臺車的噪聲較低，可極大改善工作面的空氣質(zhì)量。

3.7 綜合成本對比

表4給出了鑿巖臺車與人工開挖的綜合成本對比，可以看出折算為每立方米成本，鑿巖臺車開挖比人工開挖總成本每立方米減少0.82元。鑿巖臺車在人工成本控制上優(yōu)勢明顯，比人工開挖減少8.61元，且臺車開挖單循環(huán)進尺比人工開挖多1 m，極大提高了施工效率。另外臺車開挖電耗成本比人工開挖每立方米減少4.26元，這也說明臺車開挖的節(jié)能優(yōu)勢明顯。而在耗材成本上臺車開挖則要比人工開挖高3.5元。

表4 臺車與人工開挖綜合成本分析表

4 結(jié)論與建議

三臂鑿巖臺車在伏牛山隧道工程的分析表明，三臂鑿巖臺車在全斷面開挖工法中，其安全性、環(huán)保性和高進尺方面較傳統(tǒng)人工開挖優(yōu)勢明顯。在經(jīng)濟性方面，由于單位成本優(yōu)勢不明顯，因此只有在特長隧道工程中才會有較可觀的成本節(jié)約。鑿巖臺車的前期準(zhǔn)備保障工作較復(fù)雜，對操控、維修和管理人員的要求較高，直接影響到臺車是否能夠保持高效率運轉(zhuǎn)。綜合分析各因素，鑿巖臺車在特長隧道全斷面開挖中優(yōu)勢較明顯，隨著工程經(jīng)驗的積累，鑿巖臺車施工技術(shù)必將是以后隧道工程施工的方向之一。