郑西高速伏牛山隧道的机械化施工技术研究★

王华东，何 涛，杨雨升，张 军，杜 雨，李 崇

(1.中交一公局集团有限公司，北京 100024； 2.陕西省气象局，陕西 西安 710000；3.长安大学，陕西 西安 710064； 4.道路施工技术与装备教育部重点实验室，陕西 西安 710064)

1 概述

随着我国公路和隧道建设规模的扩大，特别是长大隧道修建数量及长度的增加，出现了隧道建设速度快、工期紧的问题。现有隧道开挖施工过程中，多采用传统的人工钻爆法，但其施工效率不高，作业质量难以保证；同时工人的安全不能保障，工作环境恶劣，劳动强度大，易引发职业病，危险的工作区域，容易发生极具危险的施工事故，如此反而造成施工成本不断增加[1]。如今隧道往长大化、深层化方向发展，国家对作业的环保性和经济性以及低能耗、高安全质量都做出了规定，以前的隧道开挖中使用的设备和开挖施工工艺已经跟不上新时代的步伐，面临这样的局面，采用机械化设备配合快速施工工艺进行隧道开挖作业已成为必然发展趋势[2-5]。如今隧道施工作业流程越来越朝标准化方向发展，并且施工安全要求不断提高，因此隧道机械化施工将会慢慢替代传统人工钻爆法开挖成为施工的主流方法。三臂凿岩台车作为隧道施工机械化工装设备，具有很高的自动化程度，可有效提高施工质量，但由于施工单位对凿岩台车的操作和工艺不熟悉，影响了隧道机械化施工的进程，因而迫切需要研究凿岩台车在隧道施工中的工艺规程以及施工安全控制技术。

三臂凿岩台车目前在钻爆开挖中已有应用，但具体施工技术各有不同，文献[6]说明了在长大隧道工程中三臂凿岩台车作为新的开挖施工方法具有可行性；王文利[7]在长大隧道中采用三臂凿岩台车与人工钻爆法相结合的施工方法，较好地实现了快速开挖；张勇[8]在高速铁路长大山岭隧道中应用三臂凿岩台车开挖并实现了高效施工；王康[9]用三臂凿岩台车在隧道中心深埋水沟开挖施工，为类似工程提供了借鉴；赵宏博等[10]以郑万高铁隧道为例，将三臂凿岩台车应用在大断面软弱围岩施工中，总结了一些三臂凿岩台车在特定的软弱围岩地质条件下施工的宝贵经验；三臂凿岩台车相比人工钻爆法能够有效地提高施工效率和质量，但是仅仅将人工模式换成机械模式仍不能满足现代施工机械化的要求，设备成本也较高，必须与各道工序紧密配合，在实践中不断磨合，才能降低设备摊销成本、提高施工效率[11-13]。

针对以Ⅲ级围岩为主的长大隧道工程中，三臂凿岩台车在钻爆开挖中的应用缺乏相应的施工技术和安全控制技术的问题[14-16]，采用三臂凿岩台车进行隧道开挖作业，加大了循环进尺，同时引入周边眼自动调整、导爆索串联、吊臂篮钻孔定位等方法，进一步贯彻落实了“机械化换人、自动化减人”的现代化施工理念，大幅度降低了施工安全风险和施工成本，将该施工方法应用在伏牛山隧道实际施工过程中，在验证方法可行性的同时也为隧道的机械化施工方法提供了指导和示范。

2 工程概况

2.1 项目概况

伏牛山特长公路隧道是郑西高速栾双段，海拔高程在850 m～1 500 m，地处河南，具体位于栾川县庙子镇附近，属于伏牛山系，横穿河南省洛阳、南阳两地(见图1)，隧道全长9 183 m，是全河南省所有在建的公路隧道中长度最大的。伏牛山隧道规格为双向四车道，左线起讫桩号ZK82+408～K91+569，全长9 161 m，右线起讫桩号K82+363～K91+546。该隧道内设置有人行横通道23处，车行横通道11处，隧道内变电所2处；洞内变电所横面与车行横通道保持一致。在K84+918.3处设置1处通风斜井、在K88+425.5处设置1处送风斜井、在K88+462.7处设置1处排风斜井，该风井后期作用为运营通风，在前期施工时主要当作施工辅助通道。伏牛山隧道出口工区围岩主要是以Ⅲ级围岩微风化的花岗岩为主，开挖断面100 m2，属于中等断面的隧道。伏牛山山势陡峭，河谷纵横，进口交通条件较差，同时地质条件也不佳，有6处断裂带和4处浅埋段穿隧道而过，由于该隧道存在许多不良地质状况，比如断层破碎带、隧道岩爆、涌水等，因此带来了很大的安全隐患，也加大了施工难度。除此之外，隧道内常年保持较高的温度，这也给施工带来很大困难。

2.2 机械施工设备

为了降低伏牛山隧道施工的总体困难，采用“长隧短打”的策略，具体在隧道内设置了3处通风斜井，从而可在4个工作面同步施工。对于隧道内存在的多种不良地质情况也采取了相应措施，例如使用多种加固方式：超前大管棚、超前小导管注浆、地表袖阀管深孔定向预注浆等；同时施工全过程都运用超前地质预报、围岩监控量测自动报警等技术进行全路段实时监控，因此大大降低了发生岩爆问题的风险，突水软弱围岩抵抗变形的能力得到相应提升，显著降低了断层破碎带塌陷的可能性。

根据施工环境针对性地配置施工机械设备，配置三臂凿岩台车、湿喷机械手、防水板自动铺设台车、带模注浆等成套的机械化作业设备，革新了传统的人工隧道施工工法，解放了众多劳动力，加快了隧道施工进度，保证了施工安全性，提高了隧道开挖工程施工质量，确保了隧道如期贯通。

三臂凿岩台车是钻爆法隧道施工中的一种专用凿岩机械设备，其设计目的主要是替代传统的人工钻爆法进行施工，与人工施工不同，它可以同时在多处进行钻眼作业，其结构主要包括钻臂、凿岩机、行走机构以及其他辅助设备，并可根据不同工程需求增添相应配置。由于使用了全自动的最新自动化钻孔技术，使得钻孔耗时减少并且精度较高，显著地提高了作业质量和人员安全性，提供了对开挖人员十分友好的作业环境。三臂凿岩台车能够在断面围岩按照设计要求钻孔、在孔洞中装药、超前搭建钢管棚护、布设系统锚杆、配合注浆加固，可使得钻爆法开挖隧道整体加快速度，同时降低了社会必要劳动时间，并极大改善工人的工作环境。本次选用的是徐工TZ3A(200 kW)三臂凿岩台车(见图2),抗倾弯能力强、钻进速度快和钻具损耗低，有效提高隧道打边孔的适应性，使用寿命长，性能优良。

3 机械化施工工法

3.1 施工工法

施工总体采用新奥法，利用三臂凿岩台车进行掘进开挖，通过光面爆破可实现一次性开挖作业，最大程度减轻对临近围岩的影响，同时也提升了光面爆破的质量。采用全断面和台阶法混合的施工方式，根据不同隧道段的地质条件，有针对性地调整光面爆破参数和相应施工措施，以最优的整体成型效果为控制目标，同时尽量扩大进尺，实现高效的光面爆破施工。用相对少的现场人员对三臂凿岩台车进行操作，实现断面开挖，可以使操作平台远离掌子面；开挖每循环进尺至少4 m；三臂凿岩台车使用电力能源供给；采用全自动液压操作，多角度调节推进钻杆定位以控制超欠挖。

3.2 施工情况与工艺流程

隧道出口工区主要是以Ⅲ级微风化围岩为主，提出了长大隧道开挖施工流程(见图3)，包括测量放样→炮眼标记定位→台车就位→辅助工程准备→台车打眼→装药、爆破→通风排险。因此本文工法适用于长大隧道开挖施工，尤其适用于90 m2～130 m2中等断面及以上隧道开挖施工，在隧道循环进尺和光面爆破效果上较人工开挖有了很大的提升。

3.3 施工前准备

在三臂凿岩台车进场施工前，应清除周围及顶部松动破碎岩石，清除完毕方可进入施工现场，之后放下台车支腿，并将其调至水平状态；检查水管管路是否通畅，接头处是否进行了可靠的密封；将电源接至台车上，确保三相电电源正常，不存在缺相、倒相和漏电等情况，对漏电继电器进行可靠性测试，确认指示灯正常工作；对油泵和电机进行工作电流测试，确保其正常；按照规定的值并根据不同围岩的性质调整各系统的最高压力以及冲击压力。

3.4 测量放线

测量放线需要使用全站仪，前期准备时通过凿岩台车的云梯台架辅助，使工作人员用红色油漆对周边眼的孔位进行定位标记，其中注意点如下：

1)测量前需要根据预先确定的轮廓线将周边孔的眼位画出，一般来说整体孔位形成一条光滑的圆弧，同时也需要画出边墙分界点和2 m高的边墙拱部(曲墙则分别画出起拱点、边墙弧度分界点)。开挖炮眼布置图见图4。

2)在放样周边眼的同时，也要通过固定尺(根据设计的爆破固定间距)画出辅助眼位的轮廓线，此处炮眼的间距确定为45 cm。炮眼定位、标记的操作图见图5。

3)放样时需要控制两个关键点：周边眼的钻进角度和坡度。为了达到控制目的，需要在掌子面的后方画出5条坡度控制线，具体为1条中心线、4条拱肩和边墙的坡度线(其中2条拱肩——起拱线标高/坑底标高+2 m，2条边墙——边墙/边墙高度2 m)。

4)在掌子面上的孔位布置必须严格按照预先设定的中心线和高度，由现场技术员使用台车将掏槽眼、扩大眼和抬炮眼等眼位精确定位，完成后才能进行开钻施工。

5)每个循环都需要进行超欠挖测量并在岩面标记对应超欠挖值。

6)凿岩车工作前需要有测量人员在掌子面后距离1 m处放置里程线，同时在开挖岩面的环向画出相应里程线，预备工作完成后，操作手可参照标记控制钻孔行进的深度。

3.5 凿岩台车辅助准备工作

1)凿岩台车到达指定工作地点后，应由专门的工作人员负责安装高压水管和供电线缆，确认水电无误后操作手可以启动台车电气系统，并通过液压系统将台车整体状态调整至水平。2)在爆破前需要检查掌子面是否有虚渣和浮石，若有则需要在开挖前将底眼处的虚渣清除，然后参照标记位置的底眼孔位测量防止标高线。

3.6 凿岩台车钻眼

1)台车钻眼需要严格遵循测量放样和爆破的设计，特别是钻孔的顺序应按如下安排：底板眼→周边眼→辅助眼→掏槽眼。2)由于围岩的地质状况并不统一，需要有专人统一协调来保证钻孔质量，以达到较好的光面爆破效果。要实行“七定原则”：定人、定位、定机、定量、定时、定耗、定奖罚标准，同时培养施工人员较高的思想意识，根据实际情况实时调整开挖面。3)本工程中规定凿岩台车的钻孔直径45 mm，掏槽眼固定间距45 cm。4)本工程中规定Ⅲ级围岩的全断面光爆开挖进尺4 m/循环。5)在同一个施工区域内，要保证光爆的质量，需要严格按照前一次的炮孔位置钻进，使炮孔残留线性保持一致。6)对于爆破效果的检验，主要是看炮孔残留率、超欠挖、周边眼的坡度角和外插角。7)对于周边眼的间距，应由专门的技术人员负责检查把控，因为周边眼间距是控制光爆质量的关键性指标之一，应进行严格控制。

3.7 凿岩台车清孔、装药、爆破

1)在施工现场，不能简化周边眼装药的步骤，严禁进行集中装药且不按照炮孔均匀分布，必须采用导爆索连接成分段式，整体为非耦合连接。

2)对于周边眼的装药量也需要严格把控，按照爆破设计方案，保证装药的品质，必须用炮棍送药至指定位置，且不能多装或者少装，装完后对炮孔进行封堵。检验指标：拱顶的光爆炮眼痕迹保留率不低于90%，边墙的保留率不低于75%。

3)本工程规定凿岩台车的钻孔直径45 mm，装药时使用32 mm直径的乳岩石化炸药卷。

4)装药的顺序也要遵循设计的要求，为了方便凿岩台车进行方便快捷的作业，需要采用“分段位、分区域”“先底板、再拱部”“先周边、再中间”的策略。

5)周边眼的起爆需要采用导爆索进行串联，使用“先拱墙、后拱部”的连线策略来安排起爆顺序，以确保中心掏槽的起爆效率。为了进一步加强该区域的光爆质量，减少拱墙底角发生超挖现象的概率，该区域范围内的2个～3个孔应该安排最后起爆。导爆索串联连接见图6。

3.8 凿岩台车超欠挖处理

1)在钻爆设计中为了严格控制超欠挖，对线性超挖值给出了限定值：Ⅲ级围岩的拱墙平均超挖值为10 cm，隧底和仰拱均为10 cm。2)在光面爆破中，不仅要调整合适的钻机角度和坡度，还需要对循环进行控制，前两个循环需要控制炮眼残留率为95%；为了保证孔位线性一致，第三个循环的后期钻机必须和上次炮孔位置匹配。光面爆破效果检测见图7。3)为了防止超欠挖部位发生错台，禁止一次性进行超欠挖修正，在修正时要慢慢调整，尽量使整体的轮廓线趋于平滑，这也使得之后的初期支护喷混凝土和挂网质量得以保证。4)若遇到欠挖的情况，对于局部欠挖或者欠挖值不大于10 cm的情况，可以用钻臂直接进行凿岩处理，同时应该尽可能避免进行二次爆破导致的超挖现象。

4 质量保证和安全控制技术

在开挖过程中贯彻“预防为主”的安全控制原则，使用最新的超前地质预报方法对整体隧道进行探测和预报，并且完善预防措施和围岩测控体系，有任何问题都及时通报反馈，以完备的指导手段保证安全施工；坚决做好用药量的控制，加强施工安全性；坚决按照设计指标加强喷锚厚度和深度，做好软弱围岩的放坍工作；隧道内进行爆破作业时必须确保所有人员撤离至安全位置，统一服从指挥，并且在洞外布置相应防护标志，确保工作人员不会受到任何损伤，包括有害气体、振动或者爆破飞石等伤害，如果有相关人员要进入工作面进行相关操作，必须事先经过全面的安全检查。为保证施工安全，必须坚决按照规章制度做好施工人员防护措施，严格落实安全帽佩戴规定；坚决防止高空安全事故的发生，在施工现场做好一切防坠措施；坚决按照规定定期检查保养施工现场的电缆和增压设备等各种设施，及时维修替换；坚决在人员上岗实际操作前做好全面的安全培训，进行安全技术交底。其流程图见图8，具体如下：

1)整体施工开始前，需要用工序标准化作业指导书培训施工人员，根据各工段施工人员的不同作业情况，有针对性地指定培训计划，提高整体施工人员的技术水平，其中关键设备的操作人员要特别注重培训质量，使其能够熟练地操作，为优质施工提供人员基础。

2)施工前需要反复对设计图纸进行审核确保无误，同时做好施工技术交底，尽量做到现场的每一位施工人员特别是领工员对设计要求烂熟于胸，钻孔时务必符合要求，将设计意图在实际中正确体现。

3)在进洞前需要对导线网再次进行检测。

4)对钻孔数据进行收集、总结、调优。对三臂凿岩车在施工过程中使用的各种相关参数如钻孔角度、深度、用药量、装药位置、起爆顺序等进行采集，并对其进行总结整理，以便调整参数对钻爆过程进行优化改进，提升施工质量。

5)根据围岩情况调整钻孔深度。在施工中需要根据围岩的实施情况来调整三臂凿岩台车的钻孔深度，而本工程中，隧道出口工区的围岩主要是Ⅲ级微风化花岗岩，通过前期的反复实验确定了周边眼的钻孔深度范围4.0 m～4.5 m，掏槽眼深度范围5.0 m～5.5 m，因为在掌子面上具有一定的不平整度，与规定的眼深存在差距，所以钻眼深度也需要实时根据其差值调整，保证各个眼底在同一垂面上。

6)调优钻眼精度控制参数。在实际施工过程中，因为围岩情况难以预料，会出现一些较大裂隙或者在夹层处开眼，所以不能完全按照设施要求，需要灵活调整，还要考虑岩层的发育特点，综合确定爆破眼的钻进位置；而掏槽眼的角度控制需要提前设置参照标识，前期准备时就要计算各个炮眼处三臂凿岩台车推进梁的尾部与施工隧道中线的间隔距离，再由现场工作人员以现场用红漆标记的隧道中线为基准，在上述推进梁间隔距离处用炮棍沿该处平行隧道轴线方向进行标示，以此作为角度控制标准；对于周边眼的钻孔位置控制，也需要在遵循设计要求的情况下进行合适的调整，首先在钻孔前就要收集掌子面的围岩情况，根据预开孔处的平整度确定各炮孔的钻进深度，还要调整推进梁尾部与四周围岩壁的距离，同时选择合适的外插角(大约为3°)，总体上眼位需要保证基本均匀，可以根据钻进难易程度小幅度调整。

7)整体光爆质量控制分为拱顶、拱腰和边墙三个位置。拱顶处炮眼位置总体要向设计轮廓线内侧进行偏移，同时可根据实际情况增大炮眼间隔距离，适当减少装药量，以减少最小抵抗线。拱腰处可根据实际情况减小周边眼间隔距离，也适当减少装药量；边墙处需要控制周边眼的间隔距离比层间厚度大，如果遇到层厚不大的情况，应该在降低炮眼间隔距离的同时增大最小抵抗线；光爆质量控制中需要减少二圈眼的用药量，因为二圈眼和轮廓线之间的间隔不大，较大的装药量有导致光爆层发生超爆甚至围岩松动的可能性。

5 应用效果分析

5.1 施工效果

该工法应用于郑西高速栾双段伏牛山隧道，通过炮眼定位、台车定位、台车打眼、装药、爆破等各工序措施处理，有效地提升了光爆质量，改善了作业环境，严格保证了作业人员的施工环境安全，加快了施工进度，避免了因超欠挖造成的二衬混凝土超耗和厚度不满足设计的质量问题的发生。初期支护面平整度效果如图9所示。总体而言，运用该工法之后施工进度明显提升，同时使工程获得了良好的经济效益和社会效益，目前看来十分值得在同类隧道施工工程中借鉴。

目前国内大部分隧道施工采用的传统的人工开挖，部分长大隧道开挖时采用三臂凿岩台车机械化施工。长大隧道开挖施工中采用机械化施工，加大循环进尺，提高了功效。采用三臂凿岩台车进行开挖施工，安全系数高，环境污染少。三臂凿岩台车开挖施工所需要的施工人员少，钻孔速度高，较传统的开挖方法，大大提高了施工效率，降低了工薪成本。开挖过程中，三臂凿岩台车能够自行调整周边眼的钻孔角度，及时根据围岩情况调整周边眼的间距，提高光面效果。爆破过程中，周边眼采用导爆索串联，大大提高了周边眼的残留率，提高光面爆破效果。测量放样标记钻孔位置采用吊臂篮，大大的提高了钻孔的精度和施工人员安全性。

5.2 经济效益对比

伏牛山隧道三臂凿岩台车机械化施工与传统人工钻爆法施工的开销对比见图10。从图10中对比可以看出，在总数上，现阶段的机械化施工成本相比人工钻爆已经减少了每立方米10 000元，施工操作手由20人缩减为5人，每月的开挖方量由15 900 m3增加到18 800 m3，增加了2 900 m3，且这些优势都将随着挖掘量进行比例增长。因此在隧道开挖过程中，采用以三臂凿岩台车为主的机械化施工方式，可以大大降低施工用人数量，除了节约工资支出，还能够最大程度提高施工作业的安全性，同时也便于管理；由于机械化施工的效率相比人工更高，工作时间更短，耗材成本和耗电成本都会相应减少，对环境也更友好。

6 结论

1)针对以Ⅲ级围岩为主的长大公路隧道工程,提出成套机械化工装设备配合，并结合“长隧短打”的方法，实施4个工作面同步施工，以及采用凿岩台车施工，加快了开挖施工效率，减少了初支混凝土超耗。

2)三臂凿岩台车在伏牛山隧道出口工区得到了成功应用，其机械化施工工艺为三臂凿岩车的推广应用和长大隧道工程建设积累了成功的实施经验。

3)提出了长大隧道开挖施工流程，综合考虑爆破质量、工期压力、安全环保等因素，并对测量定位、机械化钻孔、爆破等工序处理措施进行了优化，推进了三臂凿岩台车在隧道机械化施工的进程，为同类长大隧道机械化施工工艺选择和安全控制技术实施提供了指导和示范。