三臂凿岩台车开挖施工方法研究

刘彬，张庆明，王不凡，李良平，王羽

（1重庆交通建设（集团）有限责任公司，重庆 400010；2重庆交通大学 土木学院，重庆 400074）

0 引言

目前公路隧道和铁路隧道一样，总的趋势是向长大化和深层化发展。隧道施工关键在于开挖。传统的人工钻爆法，虽然成本较低，但是工人的劳动强度大，施工的作业环境较恶劣，施工的效率也低。显然以前的隧道开挖施工工艺已不能满足国家对环保、低耗能、经济性、高安全和高质量的要求，而三臂凿岩台车（图1）具有钻孔耗时少、自动化程度高、施工较为安全、施工质量高、较好的隧道开挖作业工作环境、较高的施工作业机械化水平、自定位钻孔技术以及可以很好地控制超欠挖等优势。

图1 三臂凿岩台车示意图

1 工程概况

城开高速公路青龙特长隧道是重庆境内目前最长的在修公路隧道，工程地质环境极为复杂，施工工期长，隧道进口位于重庆市城口县咸宜乡青龙村，出口位于开县满月乡天子村锁口庙附近。隧道左洞长度为11489m，右洞长度为11456m。隧道公路等级为双向四车道高速公路，隧道路面横坡单向坡2%（直线段）。 左洞起止桩号：ZK71+781～ZK83+270，右洞起止桩号：K71+778～K83+234。该地段工程地质情况主要为：块状角砾岩、白云岩，局部夹泥灰岩、页岩，泥质粉砂岩与灰绿色互岩互层。块状构造，节理裂隙较发育，岩体较破碎，块石碎石状镶嵌结构。基于这种岩层状况，项目部果断引进三臂凿岩台车进行隧道挖掘，并对国外引进的三臂凿岩台车增加自定位开挖系统，进一步减少人工放线的时间，提高施工效率。三臂凿岩台车开挖成本控制度高，通过提高生产进度，提高工人的操作水平以减少超欠挖等手段来降低成本。同时由于极大地改善了施工环境，为工人的健康和安全提供了保障。

2 三臂凿岩台车施工技术特点

2.1 发展现状、工作原理、适用范围

隧道传统的人工手持风钻钻爆开挖已逐渐不能满足国家对环保、低耗能、经济性和高安全的要求，而液压凿岩台车是目前隧道钻爆法施工中先进的开挖设备，随着劳动力成本节节攀升，以及业主对工程安全、质量、工期的高度重视，液压凿岩台车施工技术成为专业化施工队伍做大做强所理应发展的技术，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等方面具有明显优势，符合现代隧道施工潮流，是今后隧道施工机械化发展的必然[1]。

采用钻爆法进行开挖，可运用三臂凿岩台车快速、定位精确、安全的特点，各台阶进行平行交叉作业，通过优化钻爆参数，有效缩短循环作业时间、加快作业效率、提高钻爆精度、减少超欠挖、减少对围岩的损伤，同时也节约初期支护成本，较好地实现了洞室的快速开挖。

2.2 钻爆设计

城开高速公路青龙隧道钻孔设计采用二号岩石乳化炸药，光面爆破周边孔采用Φ28mm直径普通药卷，掏槽孔和辅助孔则使用Φ24mm直径药卷。炮孔堵塞采用炮泥堵塞，松紧合适，长度大于25cm。隧道掏槽眼采取4排对称斜眼掏槽形式设计，周边孔与辅助孔的孔底在同一垂直面上。施工中为达到爆破预期效果，外围孔使用纵向绑扎间隔竹片+导爆索上空气非耦合间隔装药方式，而其余炮孔则用连续装药方式。

三臂凿岩台车开挖断面设计面积为118.6m2，为控制超挖，循环进尺保持在3.5～4.1m区间。同时，为满足施工工期要求，使用大楔形掏槽光面爆破技术，并运用瑞典ATLASR353E三臂液压台车进行钻眼，孔深3.4～3.9m，孔径为48mm，运用非电毫秒导爆管系统、40mm乳化炸药，炮眼布置具体如图2所示。

图2 三臂凿岩台车炮眼图

2.3 三臂凿岩台车参数选取原则

依据城开高速公路青龙隧道的三臂凿岩台车的施工建设质量控制体系，三臂凿岩台车必须满足表1相关要求。

2.4 三臂凿岩台车技术选型参数

根据城开高速公路青龙隧道的施工相关参数要求，施工中采用的三臂凿岩台车主要技术参数见表2。

2.5 质量检查

表1 三臂凿岩台车建设质量控制体系

利用挖掘机进行排险和扒碴作业。检查爆破效果及炮眼残眼率，测量人员用全站仪对超欠挖部位测量标识，若有欠挖部位，进行补炮处理，及时调整炮眼位置、外插角度、装药量，以达到最佳爆破效果。在施工地段岩性差、围岩破碎、节理发育时，应该提高爆破炮眼痕迹的保存率，尽量达到平均炮眼利用率90%，平均炮痕保存率70%，减少超欠挖量。在每次爆破完成、通风完毕、清理完石渣后，爆破人员应根据岩层的节理裂隙发育情况，及时调整爆破设计，调整装药量，合理分配周边眼装药的集中度，增大炮眼痕迹保存率，减少超挖量。

3 三臂凿岩台车实施效果分析

月直山隧道工程使用三臂凿岩台车进行施工，在各方人员的不懈努力下，获得了显著的效果。相比普通人工钻爆，极大提升了施工进度，通过检查实施效果，主要有以下几个优点：

（1）可以快速凿岩成孔，且开挖成型较好。一般情况下，坚硬岩中三臂凿岩台车单臂造孔速度为2.5m/min，常规气腿钻每台0.25m/min，且随着岩石强度的提升，更能够将三臂凿岩台车的造孔速度优势体现出来[2]。钻孔期间，充分考虑各种围岩结构特点，对钻机推进压力与冲击压力做出适当调整，能够让所有钻进参数都保持最佳状态，这样能够更加精确与快速，使钻孔质量得到提升。通过有效控制周边眼外插角，能够保证开挖成型好，减少超挖；

（2）能够节省动力。利用三臂凿岩台车动力消耗较少，能量利用率高，动力消耗（尤其是油料）仅为风动凿岩机的1/4～1/2。能量利用率是风动凿岩机的两倍有余，大大节约了资源；

（3）能够保证安全。操作人员在固定操作平台操作机械，与掌子面距离超过10m，且平台上面设置有安全顶棚，有效防止了拱顶与掌子面塌方掉块对作业人员造成的伤害。且三臂凿岩台车钻臂冲击力较大，可以彻底清理危石，节省时间；

（4）改善了施工环境。三臂凿岩台车机组人员劳动强度不高，出现卡钻的几率较小，为湿式钻进，可以减少粉尘。同时钻进过程中噪音降低了10～15dB，施工掌子面视线很好，整体显得整齐和简洁；

（5）节省欠挖与出渣时间。出现欠挖后，用长钻杆一次性处理完成，不会对下一循环正常开挖造成影响，每个循环能够节省时间1h左右。三臂凿岩台车比人工钻爆台架窄，宽度只有2.9m，在装最后一辆车渣时，人工台架钻爆开挖要将余渣除尽，将底面平整后方可台架就位，而三臂凿岩台车开挖能够把最后余渣从挖掘机抓扒至两侧边墙脚的地方，避免对台车就位造成影响，每个循环能够减少的时间约为45 min。

表2 城开高速公路青龙隧道三臂凿岩台车参数取值

4 结语

三臂凿岩台车在大断面特长隧道Ⅱ、Ⅲ级围岩的条件下，较手持风钻具有钻孔速度快、机械化程度高、能耗低、施工安全、成孔质量好、噪音空气污染少和综合成本低等优点，而提高操作人员的专业水平和素质减少超欠挖、加强设备保养是实现上述凿岩台车优势的关键[3]。这对于类似的特长公路隧道快速开挖施工，提高施工的安全性，提升施工机械自动化施工，减少施工人员的工作量和降低事故率，有较大的参考意义，具有很大的推广价值。