关于铁路单线隧道开挖支护工序分析与钻爆台架的优化

杨涛

摘要：目前我国短隧、中长隧道开挖仍然以钻爆法为主，开挖和支护是隧道施工各工序的控制工序，因此本文对开挖和支护工序进行详细分析，对钻爆台架设计进行优化，以便在各各工作细节上加强控制，从而使得钻爆法开挖功效得到有效提高。关键字：钻爆   开挖   支护   台架

中图分类号：U459.1 文献标识码： A 文章编号：

目前我国短隧、中长隧道开挖仍然以钻爆法开挖为主，开挖形式多采用台阶法和全断面两种形式。钻爆法采用钻爆台架人工风钻钻孔爆破的方式。由于TBM价格昂贵只有在特长隧道中得以应用，钻孔台架人工钻孔钻爆破的施工方法仍为我国隧道施工的主流。

隧道施工由于作业面是随着开挖面的掘进为后续的支护施工、仰拱和填充施工、防水施工、二衬砌施工提供作业空间，因此隧道开挖速度对隧道施工起着关键作用，从单线隧道各级别开挖速度看，IV、V级围岩开挖支护速度3.2m/d,II、III级围岩开挖速度平均为5~6m m/d。由于防水、钢筋绑扎与衬砌施工、开挖可平行作业，只考虑二衬作业速度7m/d。如果开挖速度跟不上将会影响后续工作作业，如果靠调整二衬施工作业时间调整节奏将会影响安全，影响成本，由此可见开挖是各工序中的控制工序，如何提高掘进速度是个值得研究的问题。

开挖速度分析

开挖工序

测量放样→钻孔→装药→爆破→排烟、排险→出碴。测量20分钟，钻孔3.5小时,装药30分钟，排烟、排险30分钟，出碴3小时。总计时间为7小时50分钟一个开挖循环。各工序工况如下：测量放样采用全站仪极坐标程序计算高程和中线五寸台法轮廓线，需技术人员3人，工人2人；钻孔采用YT28风钻，13人10把钻；装药爆破工6人；2×75KW-风带直径1.2m风机进行排烟、供风；出碴车5台1m3挖机一台，50侧翻装载机一台，装载机满负荷工作。

影响开挖、初支速率的因素

爆破设计（钻孔孔数）。评定爆破设计优劣是对钻孔数量（影响速度）、炸药单耗、光爆效果、布孔可操作性、台架通用性的综合考量，目前单线隧道开挖（断面55m2）用孔98个，孔深3m，炸药单耗可以控制在0.45～0.55kg/m3，即可完成较好的开挖效果。

围岩的岩石特性。围岩破碎节理裂隙发育易塌孔容易“卡钻”，目前现场操作主要采用一字型钻头，卡钻现象更严重可换十字钻头优化，另外岩石的硬度不同对钻孔效率影响较大。

钻爆作业人数（钻爆台架提供作业面的个数）。

钻爆台架操作性能，易于钻爆、系统锚杆、超前导管、喷射混凝土施工。

钻孔机械特性（钻机的机械特性、供风、供水压力）。

在上述5个因素中爆破设计通过计算与试爆已确定，围岩岩石特性无从改变，钻孔一般采用YT28风钻，机械设备功率已定。因此应该从改进钻爆台架设计进一步提高钻爆开挖效率。

钻爆台架设计

在开挖、支护工序中经过测算除钻孔工序以外的其它工序均压缩至极限水平。如何缩短钻孔、系统锚杆施作、喷混的时间成为提高开挖速度的关键。

钻爆台架设计原则

⑴、满足爆破设计布孔的要求。

⑵、要具备足够的强度、刚度。

⑶、要满足采用装载机移动的要求。

⑷、结构上满足挖掘机、装载机械通行。

⑸、满足作业人员便于钻孔、架立初支的操作。

⑹、满足对系统锚杆施工的净空要求，满足喷射混凝土的距离、角度要求。

⑺、满足钻孔作业的风、水、电综合布置。

⑻、满足应急逃生的要求。

⑼、满足快速工法转换的要求。

2、具体台架设计参数

由于台架设计是为爆破设计服务的因此钻爆台架设计应最大限度的满足各种围岩爆破设计的变化。现就隧道IIIII级围岩断面台架设计为例。

断面开挖总高度9.2m,台架设计总高度为7.4m，考虑人员操作高度、锚杆钻孔施工台架采用4步架设计，上面两步架各1.8m,下面两步架分别为1.95 m、1.85m；考虑上下台阶开挖(上台阶高度5.5m)，总台架分两部分设计上部分高3.6m,下部分高3.8m，其中下部分台架作为上台阶开挖台架。上下两部分采用U型扣件扣锁连接。工法钻换时只需将U型扣件分开台架上部分用预埋锚杆挂葫芦吊起，下部台架前推即可进行上部台阶施工。台架长度考虑孔深钻杆长度、初喷和支立钢架要求设置5m，台架距掌子面0.5m考虑，经CAD图模拟在拱腰掏槽斜眼操作空间4.03m，侧墙部掏槽斜眼操作净空5.8m,台架总长5.0m满足要求。台架步架平台距开挖轮廓0.6m,满足移动需要，步架平台悬臂工钢侧面焊接Ф140×5钢管，内套Ф108×5无缝钢管，台架就位后向外伸出内套管形成作业面，满足喷射混凝土距离喷射面和喷射角度要求，向内伸出可方便进行锚杆施作。钻爆台架门架设计采用型钢（I18I16）经计算与现场实际使用强度、刚度均满足施工要求，具体设计见台架设计图及数量表，经计算台架总重量6.6吨，由于五菱侧翻装载机起重量仅为5吨无法进行移动，因此台架设计四个行走钢轮（最初采用汽车轮胎在使用中经常损坏，后改用钢轮效果很好）钢轮采用Ф500×14钢管制作，两端用δ14mm钢板封焊接，中间加工Ф50阶梯轴一根，轴承与轴紧配合，长轴两端开卡槽定位。行走部分采用工钢、钢板、槽钢制作，工艺简单加工方便，具体尺寸见行走轮设计图。下部门架斜腿支撑考虑挖掘机械、装载机通行，斜腿距挖掘机最外轮廓不小于20cm。为方便风钻的快速连接沿最外侧门架固定Ф108×5无缝钢管作为供风管路，台架上下两部之间采用软管连接以便工法转换时拆卸。在台架顶部、各步架在主供风管路上焊接供风支管和闸阀再与风钻软管连接。台架供电采用PVC穿线管，设置在门架型钢下部以防落石等损坏电路照成全架带电。上部台架四角Ф25圆钢焊接吊耳在工法转换时起吊。在台架左侧采用Ф20螺纹钢制作50cm宽上人梯方便上下行。

在钻爆台架上作业属于高空作业应加设栏杆，考虑应急逃生和架立钢架的需要在台架顶平台外侧每隔1.0m采用Ф42×3.0脚手杆间断设置栏杆并涂以警示色，在间空处设置溜绳以便应急逃生。

四、总结与展望

钻爆台架设计的优劣严重影响开挖、支护工序的施工效率，是钻爆法施工的关键所在，通过对影响因素的分析使得在各种围岩的开挖掘进工作能够更好的组织，对台架的优化增加了施钻作业面，为操作人员提供了充足的作业空间，方便了工法转换，缩短了开挖作业循环，从而提高的施工效率节约了施工成本。通过对钻爆台架的优化最终要达到钻爆台架标准化设计的目的，标准件统一设计检算、统一出图，便于成本分析，更好的展现隧道钻爆法施工的能力和水平。