全電腦三臂鑿巖臺車在高速公路隧道施工中的應用

郭 繼 懷

(中國水利水電第五工程局有限公司，四川 成都 610066)

1 概 述

建個元高速公路工程位于云南省紅河州境內，是云南省“五縱五橫一邊兩環二十聯”交通規劃中曲靖至呈貢至通海至建水至元陽的重要組成部分，是云南省高網“十三五”新開工重點項目，線路全長124 km。該標段承建范圍線路全長36 km，共有隧道9座，其中特長隧道2座。尼格隧道全長3 355 m，按雙向四車道設計，隧道地質條件復雜，存在大斷層、地下溫泉、高地溫、高巖溫、巖爆、有毒有害氣體等不良地質問題。經多方比較論證后最終決定采用Boomer XL3D鑿巖臺車進行施工。

鑿巖臺車可一機多用，加之其機械化、信息化、智能化程度高，可有效提高工作效率，使勞動力需求量小，其勞動強度低、安全系數高。由于該工程巖溫高達88.8℃，空氣溫度高達53℃，大量的人工作業可能導致施工人員中暑、休克等安全事故發生，而采用鑿巖臺車施工可減少作業人員數量，保證施工效率及安全。

借助智能化技術在施工中的應用，在實現高效率施工的同時，可以有利地減少以往工程施工中存在的污染問題，同時亦能使工程施工實現對能耗的有效降低。目前，智能化機械施工已成為我國道路交通建設的一個發展趨勢，采用智能化機械施工，從以往的勞動密集型施工向高新施工技術轉型與過渡，能夠提高企業的品牌形象和核心競爭力。闡述了全電腦三臂鑿巖臺車在尼格高速公路隧道施工中的應用。

2 鑿巖臺車在尼格隧道施工中的應用

尼格隧道最高巖體溫度為88.8 ℃、空氣溫度為53 ℃、最高水溫為64.3 ℃，高溫造成作業人員無法正常施工。從職業健康安全角度和施工效率等方面綜合考慮，該工程最終決定采用Boomer XL3D鑿巖臺車鉆孔、人工裝藥光面爆破技術。

Boomer XL3D三臂鑿巖臺車為全電腦自動控制。施工時，將隧道參數導入機載設備控制系統(RCS)后選擇導航方式，用全站儀配合定向并向機載設備輸入導航參數，最后按照機載設備屏幕顯示的鉆孔設計圖及其他參數實施作業。鉆孔結束后，由車載系統將鉆孔的實際參數形成循環報告供技術人員分析改進。Boomer XL3D鑿巖臺車的技術指標見表1。

表1 Boomer XL3D鑿巖臺車技術指標表

2.1 施工準備

施工前，技術人員將確定好的爆破參數存入鑿巖臺車車載電腦系統。鉆機就位后，測量人員對鑿巖臺車的自帶定位系統進行放線定位并將數據輸入鑿巖臺車電腦系統，車載系統自動生成開挖輪廓數據，同時做好施工用的風水電準備工作，各項工作檢查無誤后即可施鉆。

2.2 鉆孔作業

針對該隧道Ⅲ級圍巖采用全斷面開挖工藝，開挖面積為86 m2。經工藝試驗確定的爆破參數為：孔深4.2 m、孔徑43 mm、孔數為166個。其中周邊孔46個、輔助孔37個、抵抗線60 cm；掏槽孔34個、崩落孔39個，底孔10個。掏槽形式為楔形掏槽，主掏孔角度為62°，最外層掏槽孔角度為85°。底板孔沿開挖輪廓鉆孔，間距70 cm，緊貼底板下傾3°。鉆孔作業時，操作人員根據車載顯示屏顯示的布孔圖將鉆頭對準孔位，調整好角度后依次鉆孔，鉆孔至設計孔深后鉆桿自動收回并自動清孔。鑿巖臺車由兩名操作人員同時操作，周邊孔造孔完成后施鉆其余炮孔。Ⅲ級圍巖爆破布孔情況見圖1。

圖1 Ⅲ級圍巖爆破布孔圖

炸藥采用威力大、猛度高、抗水性能好的乳化炸藥，藥卷直徑為32 mm，掏槽孔采用間隔不耦合裝藥，其他孔采用連續裝藥結構、定制耐高溫毫秒雷管引爆的光面爆破方式。其爆破參數見表2。

表2 爆破參數表

3 與人工鉆孔進行對比分析

(1)進度方面。鑿巖臺車三個鉆臂同時推進施鉆，正常情況下鉆孔速度為3 m/min，每個孔鉆孔時間(含定位時間)約為2.5～3 min。按照全斷面166個炮孔計算，每循環凈鉆孔時間約為2.5 h，加之鉆孔前的準備工作，每個循環可在3 h內完成鉆孔作業。而傳統的人工手風鉆造孔每循環時間約為5～5.5 h，因此，采用鑿巖臺車鉆孔能夠有效節約鉆孔時間，提高工作效率[1]。

(2)質量方面。鑿巖臺車鉆孔的角度采用電腦控制，角度和孔位確定精確，避免了傳統手風鉆由于支立不穩、操作人員責任心不強等人為因素造成的孔位、角度偏差大而出現的超欠挖嚴重、光爆效果差等缺點。但是，由于多臂鉆性能限制，其不可避免地會出現超挖量大于手風鉆超挖量[2]的情況。二者開挖質量控制對比情況見表3(注：人工鉆孔數據參考多座同類型隧道的平均值)。

表3 質量控制對比表

(3)安全方面。鑿巖臺車施工僅需2人操作，操作人員可在駕駛室內完成操作且在距掌子面約8 m的區域工作，避免了傳統工藝的施工人員直接暴露在僅有初期支護的裸巖下作業，因巖爆、掉塊、片幫等對施工人員造成的傷害，安全系數明顯高于人工風鉆施工。尤其是該隧道作業環境溫度高，鑿巖臺車的應用降低了作業人員長期在高溫環境下作業的安全風險。鑿巖臺車自帶的照明設備能夠滿足其自身施工需求，掌子面前方視線良好，安全隱患小。鑿巖臺車采用的封閉油路系統避免了施工中產生的廢水廢氣對環境的污染，空氣質量較好，洞內文明施工形象佳[3]。

(4)人員投入方面。鑿巖臺車是一種智能自動化鉆孔設備，所有數據均在施工前存入電腦，可輕松操作，每個班安排2名操作手即可滿足施工要求，對施工人員需求量小。而傳統的手風鉆施工每班組人員的配置一般為19～22人，因此，鑿巖臺車的應用大量地節約了勞動力。

(5)機動性。鑿巖臺車為輪式機械，全液壓傳動，行動靈活，機動性能較好，作業覆蓋面積廣，無需其他輔助平臺，能夠獨立完成施工作業，可在隧道群多個掌子面隨時調配作業。

(6)作業環境。鑿巖臺車的開挖采用電動力，所產生的粉塵較少，對洞內的空氣環境影響不大，產生的噪音較少。作業人員在密閉的操作室內工作佩戴防塵口罩及耳塞后可以減少對人體的傷害，相較傳統的人工手風鉆施工作業環境優越，可大大減少職業病危害。

(7)經濟效益。鑿巖臺車的一次攤銷成本較高，加之鉆頭、鉆桿、液壓油管等易損件更換頻率高、費用高，而且鑿巖臺車高電壓進洞所需的高壓電纜費用較高，但其他費用均低于人工鉆孔費用[4]。經綜合比較后得知：鑿巖臺車的施工費用略高于人工開挖的費用。多臂鉆鉆爆作業經濟費用對比情況見表4。

表4 多臂鉆鉆爆作業經濟費用對比表

4 鑿巖臺車施工中存在的問題

(1)底板超欠挖。在進行底板孔鉆孔作業時，其鉆臂與底板角度的調整不易控制。炮眼角度向下傾斜較大時，因孔底深處與上層炮眼的間距過大，孔底段的爆破不能充分抬起上層巖體而造成底板部分欠挖。

研究分析后，嚴格控制了底孔炮眼向下的角度，鉆孔深度不超過4 m，相鄰炮眼鉆孔斜度與底部炮眼斜度保持一致并保證鉆孔間距為50 cm，誤差不大于10 cm；裝藥前，將孔內的水、泥漿、石屑清理干凈，按照設計的藥量和裝藥結構裝藥、堵塞炮眼；適當增加開挖斷面底部角隅處輔助眼的藥量以消除爆破死角，減少角隅處的欠挖[5]。

(2)單循環進尺短。采用鑿巖臺車鉆孔時，按照既定的爆破設計參數組織施鉆，鉆孔深度按4.5 m控制，但實際的循環進尺約為2.2 m。經技術人員對循環報告中生成的3D圖形及相關數據進行分析查找出進尺短的主要原因為：①開孔時未對準孔口，偏差較大，鉆桿外插角度過大而造成鉆孔深淺不一，孔底不在同一平面位置導致超欠挖嚴重；②由于鑿巖臺車是由電腦控制鉆孔深度的，但因掌子面凹凸不平導致鉆孔深度不一致或實際鉆孔深度不夠；③周邊眼鉆孔向外側探出角度較大，爆破深度較淺；掏槽孔角度因受洞內空間尺寸影響，對鉆孔間距和角度調整過小，導致爆破時無法形成較好的臨空面，掌子面成反“C”型(中心鼓包)；④由于該隧道地質條件的不穩定性，未能及時調整爆破參數。經過優化調整后，根據不同的圍巖強度確定了不同的爆破參數；根據鑿巖臺車在洞內的運轉空間，將主掏槽孔深度調整至5 m，角度調整為62°，在嚴格按照爆破設計的孔位和孔深組織鉆孔、及時修正了掌子面的平整度，加強對操作人員的操作技能培訓后，該問題得到了較大程度的改觀。

(3)鉆具損壞率高。由于花崗巖強度高，導致鉆孔用的鉆頭、鉆桿等極易損壞。經綜合考慮，將原φ41 mm的鉆頭更換為φ43 mm的鉆頭(孔徑過大對爆破質量影響較大)，并采用磨修設備打磨舊鉆頭，保持其鋒利度，提高舊鉆頭的利用率以節約設備零部件的成本[6]。

(4)鑿巖臺車高電壓進洞。由于受鑿巖臺車性能的特殊要求，需要擁有穩定的供電電源且變壓器距離鑿巖臺車的最大距離不得大于500 m，因此，對于特長隧道，需要將變壓器安裝在掌子面附近，并需隨掌子面的掘進長度移動變壓器，高電壓進洞后其施工用電成為安全管控的重點且其成本較高。

5 結 語

鑿巖臺車是一種先進的鉆孔設備，其在施工進度、質量、安全、環保、節約人力、職業健康安全方面均優于傳統的人工鉆孔工藝，另外，其還可以進行超前支護和系統錨桿施工的鉆孔作業。隨著我國經濟建設的不斷發展和人工費的上漲，鑿巖臺車已成為未來工程施工中最為主要的隧道鉆孔設備。但因其采購或租賃費用較高，一次性投入機械費用較高，故在其使用時，可綜合經濟指標、工期目標、成本管控等多方面因素綜合考慮其是否能達到利潤最大化。