隧道施工凿岩台车推广应用问题的研究

林 宏

(中铁四局工程管理中心，安徽 合肥 230000)

新建太原至焦作铁路太原南至晋豫省界，石太k219+679～Dk327+200，正线长325.35km。其中，隧道共35.5座，隧道总长145.183km，占线路长度的44.62%。长度大于10km隧道5座，计57.239km，长度4km至10km之间的隧道8.5座，计54.980km，长度1km至4km之间的隧道10座，计25.195km，1km以下隧道12座，长度计7.769km。全线地质复杂，有黄土隧道，又有粉细砂隧道，有大涌水量隧道，有低瓦斯隧道。线路穿越断层(全线113处)，又穿越断裂带(太谷断裂带)。

在隧道工程占比大的项目中，以凿岩台车为核心的成套机械化作业理应受到重视，但标段内采用凿岩台车施工的隧道项目屈指可数，施工队伍多数仍然采用凿岩机人工钻孔施工。 据了解，新近施工的黔张常、渝怀二线、汉十等铁路隧道项目也多以凿岩机人工钻孔为主要作业方式，凿岩台车并没有作为施工首选。究其原因，多以凿岩台车使用成本高、围岩差不适用等理由弃之不用。

文章对凿岩台车应用中存在的成本问题以及管理方面问题进行探讨，为隧道施工凿岩台车推广应用提出应对措施。

1 制约凿岩台车推广应用的主要因素

1.1 设备以及配套设施一次性投资大

凿岩台车一次性购置投资大，1台三臂凿岩台车价值800多万元，半电脑控制、全电脑控制三臂凿岩台价格高达千万元，相比1台YT28手持式凿岩机三千多元的购置成本，许多隧道施工单位可以节省施工投入。

其次，凿岩台车需要设置专用变压器以及给排水系统，箱式变压器费用约50万元，采用150×4+75 mm2铝芯电缆供凿岩台车用电，用35×3 mm2高压电缆进洞，在钻掘推进过程中，需要高压电缆转换接头，以及每隔400 m左右设置变压器洞室。

再次，凿岩台车液压油冷却和吹渣采用大流量的水系统，需要在洞口安装一个10 m3储水罐，在水罐上安装一台IRG50-200立式离心泵，采用100 mm供水管，台车施工前，从水井向储水罐注水，直至洞内用水结束。同时，洞内需配套排水设施，设置多级抽水站，采用多台7.5 kW污水泵，采用100 mm排水管，将掌子面的积水抽至集水箱，再通过多级抽水机向洞外沉淀池排水，隧道外需修建1～2座沉淀池，否则将造成作业掌子面严重积水，不利于掌子面围岩的稳定，影响文明施工和安全。相比手持YT28凿岩机钻孔施工，配套仅需要设置空压机站、风管、供水及人工台架，设施简单，价值低廉，深受隧道作业队伍欢迎。

因此，台车以及配套设施高昂的投资成本制约施工队伍应用机械化的积极性。

1.2 使用成本高

凿岩台车使用费用包括设备折旧费、日常维修费、配件更换费、易损件消耗以及管理费等费用。爆破每立方米折合费用52.52元，远高于凿岩机36元使用费用。而且，凿岩台车一旦出现故障需停机维修，工序全部停工造成损失。

宝兰铁路某隧道项目采用一台凿岩台车施工，经测算，其使用成本大致见表1。

表1 凿岩台车施工成本分析

⑴钻杆、钻头和钎尾油消耗巨大

某隧道自5月29日施工以来，截止7月30日，共更换10根钻杆，消耗钻头49个，消耗钎尾油40升，合计材料消耗达到了7.88万元，每立方米折合材料消耗达10.59元。

其中，钎尾油消耗1元/方，钎尾采用开放式的润滑系统，钎尾油的消耗量较大，出于商业保护，在质保期内需采用厂家提供的油品，否则，不予保修，其他品牌的油品不能替代，无法降低其成本消耗。

其次，钻头、钻杆严重超耗，基本上每个钻头只能打半个掌子面的孔，每根钻杆也只能打2～3个掌子面的孔。究其原因，不仅有操作人员技术不熟练，操作不当造成钻杆折断和钻头加剧磨损；厂家配件质量差和价格高也是成本消耗过大的主要原因。 操作手技术水平造成钻杆、钻头的非正常消耗，加大了台车使用成本。某知名品牌凿岩台车部分配件价格见表2。

表2 凿岩台车部分配件价格

由于厂家直销政策需要提前下订单，以及先付款后发货的支付原则，零配件库存计划及供应商管理等问题，导致凿岩台车配件渠道单一，供货周期较长。7月14日，在钻孔施工中，发生卡钻现象，由于操作人员处置措施不当，导致钎尾受轴向力作用变大，将左臂凿岩机冲洗头损坏，因更换损坏的冲洗头耽误工期10天。

⑵火工品消耗偏高

台车开挖488m，共消耗炸药57780k g，每方消耗炸药1.02k g，同等级围岩人工开挖每方消耗炸药0.64 k g，高出0.38k g/m3(4.56元，炸药：12000元/吨)。三臂凿岩台车成孔最小直径为45 mm，相比人工手持凿岩机钻孔38 mm要大，虽然对清孔、装药有利，经常因40 mm药卷需求量小、市场供应短缺造成停工，施工队伍不得不采用32 mm标准药卷替代，火工品单方量消耗偏高。某型号凿岩台车费用分析统计见表3。

表3 凿岩台车费用分析统计

目前我国隧道采用铁建设 [2012]发布的，《铁路隧道工程机械化施工补充预算定额》，其中机械使用费执行铁建设[2006]129号《铁路工程施工机械台班费用(2005)》标准，低标准定额与实际价格水平相差甚远。凿岩台车高昂的使用成本使隧道施工队伍望而却步，利用手持式YT28凿岩机，隧道队伍还有可观的利润。

1.3 操作手操控机器水平影响开挖质量

《高速铁路隧道工程施工技术指南》(铁建设[2010]241号)明确炮孔深度不大于3 m隧道开挖的允许超挖值应符合表4中的要求。

表4 隧道允许超挖值，mm

钻孔作业的数量、位置、深度及斜率等要符合爆破设计要求。为减少周边孔外插角度，凿岩台车施作钻杆外插角要根据炮孔深度(小于3 m)调整3°～5°，尽可能使两茬炮交界处台阶不大于15cm。因此，对凿岩台车操作手的操作技能提出了更高要求。

通过多个隧道项目测试，凿岩台车比人工气动凿岩机开挖要超挖3～8 mm，即凿岩台车在超欠挖控制方面要低于人工开挖，超挖比人工要高15%左右，围岩超挖致使填充工作量和材料消耗加大，对于几公里隧道来说，因超挖部分填充的材料造成的经济损失是非常惊人的。

因此，隧道超挖是施工队伍千方百计管控的要素之一。

1.4 对施工组织要求高

台车开挖施工专业性极高，施工工序间衔接尤为重要，要分别设置带班负责人，做到下个工序开始前30分钟相关作业人员到达现场，做好本工序的施工准备工作，接到指令后立即投入施工，实现工序无缝对接。

钻孔与装药是2个工序，要符合“装药作业与钻孔作业不得在同一开挖工作面进行” 的要求（《铁建设[2010]241号规定》），或满足“钻孔与装药顺序自上而下，钻孔与装药孔距离不小于2.5m”(《铁路工程施工安全技术规程》Tb10401.1-2003)的要求，钻孔与装药人员分区作业。爆破作业和出渣工序作业，要求凿岩台车移至安全位置，留出必要的安全作业空间。

因此，要合理安排钻孔、出渣和爆破班组之间的工序衔接，任何环节如果不能无缝对接都将影响整个工效。

1.5 对操作手技能要求较高

凿岩台车尤其是电脑控制的台车集机电液一体化控制，要求操作手具备一定的操作技能以及操作水平，一个优秀的台车操作手必须经过理论、实践的长期培训，才能练就出合格的工艺技术水平。 另一方面，施工企业缺乏培养机电专业管理和操作人员机制，缺乏台车设备管理与使用成熟经验，尤其缺少类似凿岩台车大型机械设备的操作手，无法实现机械化作业的工效以及施工质量。如果没有较高的待遇，高水平的操作手难以留住。

凿岩台车对操作手要求远高于手持式凿岩机，许多施工企业应用凿岩台车仅是远景规划，难以付诸实施。

2 凿岩台车作业技术优势分析

凿岩台车和人工手持气动凿岩机开挖对比，施工进度、作业参数、材料消耗等方面具有技术优势。

2.1 钻孔速度具有无可比拟的优势

三臂凿岩台车成孔速度快，每循环进尺3.2m，可节约1.5小时，特别在硬岩施工时，优势更为明显。凿岩台车比气动凿岩机钻孔速度快56%～122%，总体施工进度比人工开挖快37.3%。可以实现多孔同时推进，一次成孔多个，大大减少钻孔时间，同时因钻杆定位迅速而且不需要搭建辅助工作平台，节约钻孔准备工作时间。

2.2 安全环保

台车开挖时，台车操作人员在固定的操作台上操纵钻机，且施工人员离掌子面10多米远，只有在装药作业时，施工人员离掌子面比较近。而使用气动凿岩机开挖，操作人员离掌子面较近，只有不到1米远的距离，安全系数低且施工人员多(一班30名)，易发生多人伤亡事故，气动凿岩机开挖时冲击振动岩面，自稳性差的掌子面，易造成隧道拱部产生落石或坍塌，人员逃脱不及而受伤害甚至致死。

三臂凿岩台车机组人员劳动强度低，掌子面噪音小，空气清新，不易卡钻，掌子面视线较好，简洁、整齐，大大促进掌子面的文明施工。台车开挖时，不使用高压气体，对空气没有污染，只有较小的噪音污染和水污染，通过对施工后的废水处理，达标后再排放可以消除水污染。使用气动凿岩机开挖，采用高压气体做动力，气动凿岩机数量较多，产生很大的空气污染和噪音污染。

因此，台车施工更符合安全、健康、环保等要求。

2.3 自动化程度高

采用电脑控制或半控制的凿岩台车，将传感器信号通过解析模块转换成数字信号，并将大臂和推进梁的位置和倾斜角度显示在驾驶室内的显示器上，由计算机自动控制钻臂系统，钻臂和推进梁的定位和调整完全由台车电脑来完成，所有钻孔按照预先设定的布孔图自动精确地完成，钻孔的精确度高，能够有效避免超欠挖。

2.4 具备一机多能、安全高效的优势

利用三臂凿岩台车的机械手，能够实现径向系统锚杆、深孔地质预测预报和管棚、超前小导管的施工，拓展了台车使用范围，与人工手持气动凿岩机施工相比，能够适应隧道Ⅱ～V级破碎风化岩的施工，具备一机多能、安全高效的优势。

3 隧道凿岩台车成套机械化施工作业的途径

3.1 结合隧道施工特点合理选用施工方法

利用凿岩台车进行隧道开挖是今后的发展方向。但是，凿岩台车也不是万能机器，适用于所有隧道项目。

凿岩台车适合二级公路、一级公路、特级公路和铁路双线隧道Ⅲ、Ⅳ级以及部分Ⅴ级围岩地段，开挖断面面积90～130 m2，适合独头掘进2500 m及以上的隧道的全断面开挖施工。

对于较短长度和软弱围岩隧道，凿岩台车施工发挥不了优势。台阶法开挖软弱围岩 (Ⅴ、Ⅵ级)受机器自身外形尺寸的限制(长度17 m，占用台阶过长)，台阶长度难以满足铁建设[2010]241号规定的步距要求。而手持式凿岩机在小断面、短隧道、围岩地质差(Ⅴ、Ⅵ级)，地质变化频繁及地质不良地段的施工条件下具有一定的优势。

因此，针对隧道特点合理选择凿岩台车和人工手持式凿岩机施工模式，是隧道成套机械化施工作业的关键。

3.2 选择适用的隧道施工管理模式

目前，隧道施工较多采用多工序分包作业，钻孔、装药、装渣运输、衬砌养护等作业环节协调工作较多，工序间衔接不畅容易导致作业工效低下，影响工期和成本控制。在现有管理模式下仅仅采用凿岩台车钻孔施工，专用设备技术优势得不到很好发挥，施工成本也高于人工作业。要充分发挥凿岩台车成套机械化作业效率，必须形成超前地质勘探、钻爆作业、装渣运输、锚喷支护及衬砌养护等隧道施工工艺机械化配套作业，才能彰显机械化施工的优势。

因此，因地制宜选择适用的隧道施工管理模式是推广隧道机械化作业的关键。

3.3 建立凿岩台车专用设备的使用维护保养管理及考核机制

专用设备本身价值较高，一旦因使用不当造成损坏，不仅会产生高昂的维修费用，还会影响到项目的正常施工。为做好专用设备的使用管理，应成立凿岩台车专用设备管理公司，负责专用设备的使用与管理，开展工序专业化施工，重点开展设备使用管理工作。

⑴操作手的管理。操作人员是设备的灵魂，设备使用得好不好，主要取决于操作人员的技能水平和责任心，尤其是主车司机的能力和素质。项目部应建立严格的选聘和考核制度，将主车司机的薪酬与工作绩效挂钩，激发工作热情和积极性。

⑵设备操作的管理。为确保专用设备的合规操作，项目部应编制凿岩台车、喷射混凝土机械手等专用设备操作手册，从使用前检查、设备行走、停车定位、作业施工到使用后清洁维保等全过程操作标准及注意事项，要求所有操作人员对照手册进行作业，并将手册内容作为设备操作人员的考核标准，确保设备合规操作，减少操作不当造成的损害。

因此，项目部应从以下方面着手提高管理水平：

加强施钻技能培训，努力提高施钻水平；根据围岩地质现状和爆破效果，调整爆破参数；加强现场管理，注重开挖质量；加强施钻技术经验总结和交流，全面提升施钻水平；强化和加强测量放线技术管理，制定严格的超欠挖奖罚制度，分工明确，责任到人。

3.4 培育并发展凿岩台车配套工序支撑效应

发挥凿岩台车高效技术优势，需要建立配套工序的支撑，特别是装药、爆破作业的高效配合，形成钻爆作业的连续施工。

⑴注重爆破人力资源的储备与应用

按照公安部 《爆破作业人员安全技术考核标准》的规定，爆破工程技术人员应持有《爆破工程技术人员安全作业证》方能上岗操作。因此，隧道项目经理部应加强持证的爆破人员管理，建立与钻孔作业的协调机制，确保钻孔、爆破工序的无缝对接，合理安排钻、爆交叉作业，缩短工序时间，提高整体工效。其次，台车装药工序专业性及协同性极强，且台车操作手也需要在最后集中装药环节一同装药，共同作为一个工班组对爆破最终效果负责。

⑵优化爆破工艺技术

爆破工艺技术是钻爆施工的关键环节，直接影响钻爆进尺、围岩稳定、超欠挖质量控制和项目经济效益。 每次爆破后应检查爆破效果，分析原因及时修正爆破参数，提高爆破效果，改善技术经济指标，优化爆破设计。同时要积极沟通，采用直径38或者40的炸药，或者提升爆破工艺，采用聚能爆破、水压爆破等新型爆破方案和施工理念进行爆破开挖。

3.5 加强凿岩台车机械化作业成本控制与管理

加强成本管理是隧道施工管理工作重点内容之一。项目部应细化工序单产耗量定额表，责任到人，按月进行成本核算，成本分析，成本考核。鼓励台车配件实行国产化，关键配件必须原装进口以保证质量和使用寿命。

根据类似工程资料统计，台车开挖与人工钻爆法施工成本相比略高10元/m3。其中，人工成本基本接近，主要是台车开挖的机械使用成本、维修成本以及火工品消耗稍高。因此，提高操作人员专业水平和素质减少超欠挖，加强设备保养是实现凿岩台车技术优势的关键。通过机械化作业成本控制与管理达到利润管控的目标。

4 结论

从隧道施工队伍年龄结构来看，目前比较普遍的是60、70年代出生的人，能够承受劳动环境差、强度高、危险性大的人工凿岩，随着时代发展和社会进步，人们追求舒适、健康的工作环境成为主流，80后即使再高的报酬也没有人愿意从事人工凿岩的繁重劳动。在倡导隧道机械化施工的大背景下，凿岩台车是隧道施工机械化应用的关键设备，随着科学技术的迅猛发展，以凿岩台车为核心的成套机械化作业在隧道施工中理应受到重视。台车机械化施工方式，将施工作业人员从条件恶劣、劳动繁重的凿岩钻孔中解放出来，对改善施工条件、减轻劳动强度、加快施工进度、提高施工质量，都具有重要的意义。

可以预见，不远的将来，随着技术进步以及人口红利的消失，未来隧道凿岩台车成套机械化应用将会越来越广。