中铁五局集团第四工程有限责任公司 广东省韶关市 410007
摘要：通过新八达岭隧道施工过程中全电脑三臂凿岩台车和传统人工群钻法的各方面对比分析，传统人工群钻法在小断面、围岩差等条件下依然具有成本低、灵活性高的优势。而在大断面、围岩完整性好的隧道中，全电脑三臂凿岩台车在加快开挖进度、减少超欠挖方面具有优势。
关键词：全电脑三臂凿岩台车；长大隧道；大型机械化配套
The Application and discussion of the whole computer three-arm Rock drilling bench car in the New Badaling Tunnel
ZHAI Xiaohui
（China Railway five Council Group fourth Engineering Co.，Ltd.，Shaoguan 512000，China）
Abstract：through the comparative analysis between the whole computer three-arm drilling rig and the traditional artificial group drilling method during the construction of the new Badaling tunnel，the traditional artificial group drilling method still has the advantages of low cost and high flexibility under the conditions of small cross-section and poor surrounding rock etc.In the tunnel with large cross-section and good surrounding rock integrity，the all-computer three-arm rock drilling platform car has advantages in excavation speed and reducing over-underexcavation.
Key words：all-computer three-arm rock drilling rig；long tunnel；large-scale mechanization set
引言
近年来，我国高铁建设事业蓬勃发展，由于高铁对线路平顺度的高要求，长大隧道越来越多，在隧道开挖过程中，传统的人工群钻法开挖已逐渐不能满足国家对环保、节能、经济性和安全的要求，不能适应建设方对工程安全、质量、工期的高度重视。并且随着经济发展，从事高强度体力劳动的工人的越来越少，在隧道施工中应用和发展大型机械化配套施工刻不容缓。而全电脑三臂凿岩台车作为隧道钻爆法施工中最先进的开挖设备，在降低人工开挖劳动强度、改善作业环境、充分发挥机械设备效率及促进隧道大型机械化配套施工等方面具有明显优势，顺应现代隧道施工潮流，符合新时代绿色发展理念，是隧道施工发展的必然趋势。
文献[1]对三臂凿岩台车的主要功能和效益进行了研究，文献[2]介绍了我国凿岩设备的发展历程，并对不同类型的凿岩机具进行了对比分析，文献[3～5]对三臂凿岩台车在不同工程中的实践应用进行了研究分析。本文在上述研究的基础上，以全电脑三臂凿岩台车在京张高铁新八达岭隧道的实践应用为基础，从施工组织、技术管理、与传统人工群钻法的对比等方面进行了探讨分析。
1.应用背景
1.1 工程概况
新八达岭隧道起迄桩号DK59+260～DK71+270，全长12.01km，隧道两次下穿八达岭长城，一次并行水关长城，一处下穿詹天佑主持建设的老京张铁路“人字型”爬坡处的青龙桥车站。洞内为双块式轨枕道床。隧道位于北京市昌平区南口镇至延庆区八达岭镇，隧道穿越军都山。隧道西侧为既有老京张铁路，沿线还分布居庸关长城、水关长城及八达岭长城等国家级旅游景点，区间隧道最大埋深432m，最浅埋深4m。线路最大坡度30‰，最小曲线半径7000米。
1.2 地质水文
隧址区地层岩性主要为第四系松散层（Q4）、白垩系下统流纹质熔结角砾凝灰岩（K1d）、长城系高于庄组燧石条带、白云岩和白云质灰岩（Chg）、燕山晚期（γ5）侵入岩，如花岗岩、细粒花岗岩、伟晶花岗岩、斑状二期花岗岩、石英二长岩以及流纹斑岩脉、花岗岩岩脉、石长玢岩脉、辉绿岩脉、辉长岩脉以及霏细岩脉，以上侵入岩因其发育于八达岭，统称为八达岭花岗杂岩。八达岭侵入岩岩石结构均匀，岩体岩脉极为发育，岩脉走向多为北北西，多数东倾，倾角一般为60°～70°，一般宽度为2～5m。地下水为基岩裂隙水，该段基岩主要为中元古界白云岩及燕山期侵入岩，基岩基本裸露，节理较发育。地下水埋深较深，基岩富水程度不均，局部可见泉水出露。沿线地震动峰值加速度值在0.15g～0.20g之间（地震基本烈度在Ⅶ～Ⅷ度间）。
1.3施工方法
新八达岭隧道正洞按新奥法原理施工，其中Ⅱ级围岩采用全断面法施工，Ⅲ级围岩采用全断面法或台阶法施工，Ⅳ级围岩采用三台阶法施工，Ⅴ级围岩采用三台阶临时仰拱法施工。
其中进口作业面承担的施工任务主要为2250米Ⅱ级围岩，采用大型机械化配套施工，为提高施工工效，保证安全质量，在钻孔爆破、出渣运输、初期支护、仰拱、防水板、二次衬砌和电缆沟槽等施工作业线进行机械化配套。重点配置了瑞典阿特拉斯（Boomer XE3C）全电脑三臂凿岩台车、三臂拱架安装台车、CYTJ45锚杆钻机、HT150锚索钻机、喷射混凝土机械手、自行式仰拱栈桥、全自动防水板铺挂台车、全液压衬砌台车、隧道衬砌智能养护台车及全液压水沟电缆槽台车等先进的隧道施工专业设备。
2.施工组织
2.1施工组织模式
采用项目部与架子队两级管理组织模式，由项目部和机械化分公司联合组建隧机一队，负责新八达岭隧道进口正洞大型机械化配套施工。
2.2机械设备配置
三臂凿岩台车钻爆开挖设备根据出碴运距、运输条件、出碴量、循环时间、进度等因素确定。主要配备瑞典阿特拉斯（Boomer XE3C）全电脑三臂凿岩台车2台、侧卸式装载机2台、三臂拱架安装台车1台、湿喷机械手1台、多级轴流通风机1台、挖机2台、自卸汽车5台、12m液压钢模全断面衬砌台车2台、智能养护台车1台、自行式仰拱移动栈桥1套、自行式水沟电缆槽台车1个。
2.3劳动力配备
全电脑三臂凿岩台车钻爆施工作业人员：全电脑三臂凿岩台车操作手2人、隧道工2人、爆破工9人、电工1人。
2.4掘进进尺计划
Ⅱ级围岩时每循环进尺3.5米，Ⅲ级/Ⅲ级加强围岩时每循环进尺3米。
3.施工工法
3.1钻爆设计
（1）采用三臂凿岩台车全断面开挖时，Ⅱ级围岩全断面开挖面积为126.12m2，布掏槽孔12个、扩槽孔12个、辅助孔109个、周边孔58个、底孔15个，共计布孔206个。
（2）按爆破设计进行钻孔，钻孔孔径为45mm，先钻掏槽孔，然后钻辅助孔及周边孔，掏槽孔中部钻5个Ф45的空眼，以提高掏槽效果和爆破减振。
（3）采用二级复式楔形掏槽，减弱爆破，周边光面爆破。使用直径Φ32mm2#岩石乳化炸药、MS1～MS15段非电导爆管毫秒延期雷管、导爆索进行爆破，8#电雷管和起爆器起爆。周边眼间距45～50cm，利用竹片间隔装药，全断面炮眼共221个，岩石单位耗药量1.14 kg/m3，炸药选择低爆速、低猛度、高爆力、钻爆好的炸药，雷管每段间隔大于50ms，避免地震波的叠加，减轻震动。
（4）每次爆破后根据掌子面实际地质情况、爆破效果和超前地质预报情况及时修正爆破参数、进行爆破设计动态优化，保证较好的开挖轮廓，减少处理超欠挖时间和节约喷砼数量。
3.2施工流程
（1）施工准备：清理掌子面，整平道路和台车停放面，检查电路和水路。
（2）台车就位：全电脑三臂凿岩台车就位，接通台车电路和水路。隧道断面尺寸满足双台车作业空间，定位后可保持两台车间隔3.1m左右，距离隧道边1.9m左右。
.png)
图2 新八达岭隧道全电脑三臂凿岩台车钻孔作业
Fig.2 all-computer three-arm drilling rig drilling operation for new Badaling tunnel
（3）测量布孔：三臂凿岩台车定位采用全站仪测量台车后面两个点位坐标就位。炮眼布设采用在办公电脑上用钻孔布置图软件进行炮眼布置，输入台车操作室电脑后，激光自动定位，操作手移动钻杆定位钻孔位置。
（4）钻孔：根据钻孔位置，由三臂凿岩台车采用单臂、两臂或三臂同时进行钻孔。
（5）装药爆破：清孔后利用台车挂篮装药，检查毫秒雷管的连线和接上电雷管，确认各班组操作人员及设备撤离到安全区后方可爆破，并由专人负责指挥和安全警戒。
（6）出渣：2台侧卸式装载机装碴，自卸汽车运输，挖机辅助清理掌子面。
（7）初期支护：Ⅱ级围岩的地质条件较好，为减少循环时间，先对围岩面进行初喷，三臂台车在打完下一循环爆破孔后，接着将上一循环炮开挖段的系统锚杆打设，然后2～3 个循环（8～10 m）利用台车挂网，湿喷机械手复喷混凝土至设计厚度。围岩较差时则每循环喷砼完成在进行下一循环钻孔。
.png)
图1 全电脑三臂凿岩台车开挖流程图
Fig.1 whole computer three-arm drilling rig excavation flowchart
4.管理要点总结
4.1施工管理要点
（1）开工前对三臂凿岩台车操作手进行专业技术培训，增强操作手掌握钻眼技巧，提高责任意识。
（2）各作业班组要紧密配合，下一道工序人员应提前15分钟到场交接，由每班领工员负责协调现场各工序施工，调配设备和人员，确保环环相扣。
（3）由机械租赁分公司专门负责日常维修与保养，每班作业后对台车进行日常保养，每月大保养一次，形成规范的保养制度，确保设备正常运转，保证生产。
（4）爆破后要特别注意采用挖机和人工进行充分找顶，清理残留危石，保障施工人员和机械设备安全。
（5）三臂凿岩台车在作业时掌子面附近配备专人值守，观察围岩稳定情况，发现围岩有失稳迹象时及时收回台车钻进大臂，待处理后再继续作业。
（6）对钻杆、钻头、液压油管等，提前选购备用，避免耽误施工。
4.2技术管理要点
（1）技术人员跟班作业，指导钻孔并对成孔进行验收，确保钻孔位置、深度、角度和设计基本一致。
（2）每循环对爆破效果评价、分析，查找不足，及时纠正。
（3）根据掌子面素描和超前地质预报结果，动态修正爆破参数。
5.应用效果对比分析
5.1施工效果
（1）钻孔准确性：与人工群钻法相比，全电脑三臂凿岩台车采用激光定位，钻孔位置和角度准确性高，提高了爆破成型效果，减少了处理超欠挖时间，节约喷射混凝土数量。
.png)
图3 全电脑三臂凿岩台车设计钻眼与实际钻孔位置图
Fig.3 whole computer three-arm drilling rig drilling design and actual drilling position diagram
（2）钻眼效率：凿岩台车钻孔有强大的推进力，可以实现多孔同时推进，一次成多孔，减少钻孔时间。经统计计算，凿岩台车钻孔速度为2.1～2.5m/min，比人工风动凿岩速度快60%。
（3）开挖效果：由于三臂凿岩台车在孔位、钻孔角度控制、钻孔深度方面均能够准确控制，爆破成型效果优于人工群钻法。经统计，三臂凿岩台车平均线性超挖为7cm、人工群钻法为13 cm。三臂凿岩台车炮眼残留率平均为91%，人工群钻法为81%，与人工群钻法相比，较大程度上减少了超欠挖数量。
（4）施工效率：全断面法采用三臂凿岩台车时需要两台台车，每循环进尺4.2m，需要约2h；采用群钻法需要钻工22人，18把风钻，一般时间约在4～5h；对比群钻法采用三臂凿岩台车每循环节约时间大约2h。采用台阶法施工时需要一台三臂凿岩台车，每循环进尺4.2m，需要约2.5～3h；采用群钻法需要钻工16人，12把风钻，平均时间约在4.5h；对比群钻法采用三臂凿岩台车每循环节约时间大约1.5h。
经统计分析，全电脑三臂凿岩台车在新八达岭隧道进口Ⅱ级围岩段最高月开挖进尺176m，平均152m，比风动开挖进度快、电量消耗低，工期有保证。
5.2安全环保及节能降耗
（1）安全性：三臂凿岩台车施工掌子面人员少，且操作人员在掌子面后端10m以上，相对于传统的人工群钻法，安全风险大大降低。
（2）文明施工：三臂凿岩台车采用电力带动，减少了机械尾气排放。风水管路少，施工机具少，场地简洁、整齐，改善了洞内作业环境与文明施工。
（3）能效方面：三臂凿岩台车为全液压传动，能效高，就位快速，技术先进，人工手持风钻为风能传动，其效率只有液压传动的30%。
5.3施工准备及适用范围
（1）施工准备：人工钻孔施工准备时间长，需要用挖机移动开挖台架、接风水管路和临时照明线路，准备时间较长。三臂凿岩台车则仅需台车就位接通电路和水路，即可开始钻孔，由台车大灯即可提供掌子面照明，准备工作少，一般可节约用时30分钟左右。
（2）适用范围：三臂凿岩台车作业范围大，操作灵活，钻杆可以进行万向旋转，具有钻进爆破孔、锚杆孔、超前小导管和锁脚锚管多种用途，以及特殊地质条件下钻注浆孔、超前地质预报钻探孔的多用途功能。尤其是在打设隧道径向锚杆孔方面，相比人工钻孔优势明显。人工钻孔往往因作业条件和机具限制，无法按照设计角度打设锚杆孔。
5.4信息化应用
人工群钻法施工全过程由人工完成，信息记录收集困难。全电脑三臂凿岩台车采用计算机辅助炮孔设计，激光辅助钻杆定位。钻机控制系统还可以帮助钻机操作人员监控和控制钻机钻孔参数，记录钻机状态、事件和错误资讯，便于后续分析使用。作业完成后打印作业报告，提供过程数据，有利于总结经验、改进管理。
.png)
图4 全电脑三臂凿岩台车作业循环报告
Fig.4 Operation cycle report of all-computer three-arm rock drilling trolley
5.5综合比较分析
通过全电脑三臂凿岩台车和人工群钻法的各方面对比分析，传统人工群钻法在小断面、围岩差等条件下依然具有成本低、灵活性高的优势。而在大断面、围岩完整性好的隧道中，全电脑三臂凿岩台车在开挖速度、减少超欠挖方面具有优势。三臂凿岩台车比人工风动开挖操作专业性要求高，设备费用一次性投入大，消耗的钻杆、钻头及设备配件昂贵，对短小隧道来说不如人工风动钻爆经济。
6.结语
全电脑三臂凿岩台车在京张高铁新八达岭隧道施工过程中的成功应用，为隧道开挖尤其是大断面高铁隧道的开挖技术作出了探索，证明了以全电脑三臂凿岩台车为主的隧道大型机械化配套施工在长大隧道施工中具有传统人工作业法不可比拟的优势，是以后施工发展的必然方向。
基金项目：中国铁路总公司科技研究开发计划课题2016G004-H，项目名称：长大隧道机械化施工技术研究。
参考文献
[1] 赵宏博，卢伟.三臂凿岩台车在郑万高铁隧道软弱围岩施工中的应用[J].隧道建设（中英文），2018，38（08）：1343-1349.
[2] 郑朝保，张龙，冯中兴，赖和全.我国隧道凿岩设备的应用于发展[J].现代隧道技术，2018，55（04）：0009-0024.
[3] 王怀中.三臂凿岩台车在小端面隧道钻爆法施工中的应用[J].中国高新科技，2018，24：0 54-056.
[4] 杨健民.全电脑多臂凿岩台车在山岭公路隧道中的应用[J].山西建筑，2016，42（22）：172-174.
[5] 赵福成.三臂液压凿岩台车的应用[J].水利科技与经济，2013，19（03）：102-104.
论文作者:翟晓辉
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第36期
论文发表时间:2019/4/25
标签：台车论文; 隧道论文; 围岩论文; 钻孔论文; 作业论文; 断面论文; 电脑论文; 《建筑学研究前沿》2018年第36期论文;