三臂凿岩台车在高速公路山岭隧道的经济效益分析

田海龙

（中交四航局第二工程有限公司 广州510230）

0 引言

21世纪以来，公路隧道呈现长大化趋势。随着我国人工成本逐年增加，传统劳动密集型的人工钻爆法施工组织日益困难［1］。我国目前隧道建设技术已从过去的人工开挖转变为半机械施工，并逐步向人工配合大型机械施工的方式转变，人工配合机械施工将成为目前隧道建设的主流方式。传统人工开挖能耗高、效率低，而三臂凿岩台车施工效率高、能耗低、劳动力需求少、安全系数高，可有效提升隧道施工的效率和效益。汤宪高等人［2］对不同围岩条件下的隧道机械施工进行经济效益分析，得出机械化配套施工可缩短工期、改善作业环境、提高工程质量。李有兵［3］结合贵广铁路的天平山隧道总结分析铁路隧道建设机械配套施工方案，有效提高了隧道建设效率以及安全性。薛君等人［4］结合东天山特长公路隧道机械施工，得出1台三臂凿岩台车的掘进效率与7名工人人工钻孔效率相当，现场单洞钻孔时2 台三臂凿岩台车施工效率可提高约38%。吴梦军等人［5］总结归纳了我国公路隧道机械化施工采用的主要设备，认为信息化、智能化、成套化和装配化是公路隧道机械化施工的主要方向。张建周［6］对隧道采用Ⅰ型、Ⅱ型和常规机械化配套施工的经济性进行分析，表明Ⅰ型机械化配套施工可缩短工期23%。张伟等人［7］对双臂凿岩台车隧道机械化施工进行了技术经济评价，与风动凿岩机对比，表明双臂凿岩台车能有效降低隧道施工成本和劳动强度。

为总结三臂凿岩台车在高速公路隧道工程中的经济效益，本文结合广连高速公路某山岭隧道的施工情况，对其机械化施工进行经济效益分析，为隧道工程大型机械化施工提供参考。

1 项目概况

某山岭隧道为新建的广连高速第一长隧道，为双向六车道分离式隧道，起讫桩号左线ZK152+470～ZK156+820，长4 350 m；右线YK152+495～YK156+810，长4 315 m，呈295°～139°方向展布；隧道最大埋深约463.76 m（YK153+740），属特长隧道。隧道左右洞进、出口洞门均采用削竹式。该隧道划分为TJ09、TJ10 两个合同段，其中进口段左线起讫桩号为ZK152+470～ZK154+645，长度为2 175 m；右线起讫桩号为YK152+495～YK154+652.5，长度为2 157.5 m；单洞累计总长4 332.5 m。隧道位于低山貌地区，区内地面高程为56～695 m，相对高差639 m。隧道区出露地层为上覆第四系残坡积粉质粘土（Q4el+dl），下伏泥盆系上统（D3）泥质灰岩、灰岩夹砂纸页岩。强风化岩属破碎岩，中风化岩属较完整岩。隧道进口段围岩情况如表1所示。

表1 高峰隧道进口段围岩级别占比Tab.1 The Proportion of Surrounding Rock Grades at the Entrance of the Peak Tunnel

2 隧道机械化方案

2.1 设备配置情况

隧道开挖施工的主要设备配置有三臂凿岩台车、空压机、风钻等，初期支护施工的主要设备配置有湿喷机械手、隧道拱架作业台车，二衬及防水板施工的主要设备有防水板挂布台车、液压仰拱栈桥、侧沟模板台车，混凝土输送地泵。机械化配置及机械化施工人员配置如表2、表3所示。

表2 某隧道机械化配置Tab.2 Mechanical Configuration of a Tunnel

表3 机械化人员配置Tab.3 Mechanized Staffing

2.2 三臂凿岩台车设备简介

三臂液压凿岩台车（见图1）采用Atlascopco.XL3D型凿岩台车，配备了先进的BMH6000 型推进梁，最大化覆盖作业面积178 m2，钻臂可延伸宽度15.6 m，最高12.7 m（含鹰展臂），车身全长16.5 m，车宽2.9 m，高3.7 m，重达42 t。

2.3 机械化施工工艺

图1 三臂凿岩台车Fig.1 Three-arm Rock Drilling Rig

隧道施工工艺依据地质条件不同采取不同的施工方法，常用的开挖方法有全断面法、台阶法（两台阶和三台阶）、双侧壁导坑工法等。台阶法能够提供较为宽敞的作业空间，有利于施工器械尤其是三臂凿岩台车等大型施工机械工作，近年来在隧道施工过程中得到广泛应用。宜巴高速公路峡口隧道主要采用上下台阶法和环形开挖留核心土法施工［8］，汶马高速公路鹧鸪山隧道采用三台阶法预留核心土法和上下台阶预留核心土法施工［9］，宜万铁路堡镇隧道主要采用三台阶法施工［10］。黄必洲等人［11］以山岭隧道为例，采用有限元软件分别建立全断面法和三台阶法隧道施工模型进行对比分析，综合分析认为三台阶施工方法更好。某隧道（进口段）Ⅲ级围岩占比超过52%，根据围岩情况Ⅲ级围岩采用上下台阶法施工，洞身断面面积为133.4 m2，适用三臂液压凿岩台车开挖，具备机械化施工条件。项目部根据实际情况投入2台三臂液压凿岩台车、2 台湿喷机械手及1 台隧道拱架安装车，隧道机械化施工工艺如图2所示。

图2 隧道机械施工工艺Fig.2 Tunnel Mechanical Construction Technology

3 机械化作业功效分析

3.1 三臂凿岩台车隧道施工特点

该隧道（进口段）从2018 年7 月至今使用三臂凿岩台车已完成1 200 m 主洞洞身开挖，经过现场施工总结，三臂凿岩台车开挖相比人工钻爆法，具有以下特点：

3.1.1 施工速度快

三臂凿岩台车每循环开挖进尺比人工开挖每循环进尺长，钻孔速度快，可有效减少一个循环所需时间，可缩短隧道施工总工期，减少管理成本。

3.1.2 爆破效果好

钻臂具备全方位平行保持功能和精确的直接定位技术，超欠挖控制可以达到10～20 cm，使其光爆效果远高于人工开挖，能严格控制开挖质量，有效降低了喷射混凝土用量。

3.1.3 安全性较高

三臂凿岩台车操作人员在固定的操作台上操作钻机，离掌子面有十几米的距离，一般处于拱架已安装区域，且操作平台有安全顶棚保证人员的安全，可防止落石伤人，安全系数明显比人工风钻开挖高。

3.1.4 舒适性较高

三臂凿岩台车采用混合动力，移动采用柴油驱动，开挖采用电力驱动，不产生尾气及粉尘，对空气污染不大，且产生噪音与风钻相比较小，操作人员可戴上防噪音弹性耳塞，可大大减少噪音对人体的伤害。

3.1.5 炸药消耗大

三臂凿岩台车较人工钻爆法炸药消耗量偏高。因为三臂凿岩台车钻头为φ48，人工钻爆钻头为φ40，而使用的是φ32乳化炸药，同等药量φ48孔径爆破效果不佳，因此增加了单孔药量。

3.1.6 存在局限性

三臂凿岩台车施工受开挖方式存在一定局限性，Ⅴ级围岩单侧壁开挖、双侧壁开挖、三台阶预留核心土等开挖方式因台阶断面太小，三臂凿岩台车空间受限无法使用。适合Ⅱ、Ⅲ级围岩全断面或上下台阶法开挖。

3.2 三臂凿岩台车施工效率分析

三臂凿岩台车在山岭隧道钻爆的施工作业中优势明显，主要分以下几点：

3.2.1 成孔速度快

对于4～5 m孔深的施工，常规人工钻爆需要7～8 min，而凿岩台车只需要1～3 min。

3.2.2 施工作业人员投入少

隧道台阶开挖，常规钻机作业一个掌子面需要投入16～18人，而三臂凿岩台车只需要4～6人。

3.2.3 隧道洞内作业环境好，安全性高

常规的风钻机成孔靠高压风力，将岩屑吹出孔，从而实现成孔，作业时产生大量的粉尘，严重影响作业人员的身体健康，也影响现场作业人员视线，掌子面环境十分差。而凿岩台车则是高压水钻成孔，作业时基本不产生粉尘，作业环境得到十分明显的改善，人员作业时长短，离掌子面有一定的距离，不会受突然掉落石块的伤害。

3.2.4 配套设备少

钻机成孔，需经洞外配置空压机、循环水池，布设风管进洞等配套设备，而凿岩台车基本不需要空压机，只需配置水和电就可以作业。

三臂凿岩台车与人工钻爆法工效对比如表4 所示。三臂凿岩台车在施工过程中钻孔时间可较人工钻爆法缩短1.4～2.6 h。

表4 三臂凿岩台车与人工钻爆法工效对比Tab.4 Comparison of Work Efficiency between Three-arm Rock Drilling Rig and Manual Drilling and Blasting

3.3 三臂凿岩台车经济效益分析

3.3.1 人工费分析

凿岩台车需要1位机长，2位副机长，4位操作手，9 位清孔、装药工人，共计16 人。要确保人工开挖与三臂凿岩台车工效基本接近，人工钻爆法需要20位操作手，主要负责打钻、清孔、装药。即机械法施工人数较人工钻爆法减少4人，且9人负责专职装药，可兼顾其他工种施工。经测算机械法施工开挖人工成本约12.02 元/m³，人工法施工开挖人工成本约16.03 元/m³，机械法较人工法施工人工费减少4.01 元/m³，具体成本对比分析如表5所示。

表5 三臂凿岩台车与人工成本对比Tab.5 Comparison of Three-arm Rock Drilling Rigand Labor Cost

3.3.2 火工费分析

根据现场统计，发现三臂凿岩台车普遍较人工钻爆法消耗炸药量偏大，各围岩对应炸药平均使用量如表6所示。

根据综合计算，三臂凿岩台车法开挖每m³约消耗炸药0.83 kg，雷管0.53发，炸药直接成本约16元/m³；人工钻爆开挖每m³约消耗炸药0.68 kg，雷管0.47 发，炸药直接成本约13.35元/m³。

3.3.3 机械设备费

三臂凿岩台车1台造价852.65万元，按照10年摊销折旧计算，设备维修费暂按0.5 万元/台×月计，目前发生配件损耗费55 万元，经计算每月约2.4 万元/台，综合计算机械法机械设备费约17.7 元/m³；人工钻爆法主要使用5 台空压机、20 台钻孔机，综合计算人工法机械设备费约6.3元/m³，设备费用对比详见表7。

表6 三臂凿岩台车法与人工法炸药量对比Tab.6 Comparison of Three-arm Rock Drilling Rig Method and Artificial Explosive Quantity

表7 三臂凿岩台车法与人工法设备费对比Tab.7 Comparison of Equipment Costs Between Threearm Rock Drilling Rig Method and Manual Method

3.3.4 电费

经统计测算三臂凿岩台车电费耗用约4.5 元/m³，人工法开挖电费耗用约13.6元/m³。

根据以上各项成本分析，该隧道施工三臂凿岩台车法与人工钻爆法施工直接成本对照如表8所示。

表8 施工直接成本对比Tab.8 Comparison of Direct Construction Costs

4 结语

三臂凿岩台车可实现多孔同时推进，一次成多孔，极大减少了钻孔时间，钻孔时间较人工法缩短了1.4～2.6 h；同时三臂凿岩台车移动灵活，速度快，不需要搭建辅助平台，可大大节约非钻孔时间，极大缩短了工序的衔接时间。机械化施工在仅提升0.9 元/m3的施工直接成本下，可极大提升隧道施工效率。在不考虑其他影响因素情况下，采用三臂凿岩台车机械化施工可较传统工艺可提高265 个工作日，对于缩短整体工程工期具有重大意义。

综上所述，三臂凿岩台车在高速山岭隧道的施工过程中具备良好的综合效益，尤其对于提升隧道工程施工过程中的安全性、隧道工程的整体进度有较大提升，对类似山岭隧道的施工具有借鉴意义。