三臂凿岩台车在软岩隧道施工中的应用研究

孙士成，张坤

（中交第一航务工程局有限公司，天津 300461）

0 引言

近年来，我国隧道建设朝着深、长、大的趋势发展，钻爆法凭借经济、高效、适应性强等特点被广泛应用[1]。传统的钻爆法通常采用人工凿岩，但随着人工费用大幅上涨、安全要求、工期要求的不断提高，隧道钻爆施工全面实现机械化是未来发展的必然趋势[2]。三臂凿岩台车是目前隧道钻爆法机械化施工最先进的设备，其自动化程度高，人员劳动强度低，正逐步应用于隧道的施工中[3]。

自我国引进凿岩台车用于隧道施工以来，诸多学者就凿岩台车的应用、施工效率和经济成本展开研究。在三臂凿岩台车的应用方面，普遍认为凿岩台车更适用于硬岩隧道的全断面开挖，而在软岩隧道中慎用[4-5]。因此，综合国内在三臂凿岩台车施工效率方面的现有研究成果[6-7]，大多集中于硬岩全断面开挖或软岩分部开挖的隧道。但对于软岩隧道在采用凿岩台车进行全断面开挖时的施工效率仍不明晰；在经济成本方面，未考虑两者超挖量的不同造成的初期支护费用对综合成本的影响。

综上，本文依托银岭隧道项目，针对三臂凿岩台车在软岩隧道中的施工效率、开挖与初期支护成本展开研究，为三臂凿岩台车在类似工程的应用提供参考。

1 工程概况

天峨—北海高速公路银岭隧道设计为分离式双向六车道，左、右线开挖断面面积为134～143 m2，属于大断面公路隧道，设计内轮廓如图1所示。

图1 银岭隧道内轮廓设计图（cm）Fig.1 Inner contour design drawing of Yinling Tunnel（cm)

银岭隧道左线起讫桩号为ZK160+845—ZK162+358，全长1513 m，采用1台阿特拉斯·科普柯XL3D型三臂凿岩台车进行全断面开挖。右线起讫桩号为YK160+867—YK162+336，全长1469 m，共配备17台YT-28风钻进行人工凿岩。

隧道围岩以第四系堆积层和泥盘系砂岩、中强风化泥岩为主，围岩级别为Ⅳ—Ⅴ级，具体分布如表1所示。

表1 银岭隧道各级别围岩分布Table 1 Distribution of surrounding rock at all levels of Yinling Tunnel

2 凿岩台车钻爆与人工钻爆施工效率分析

银岭隧道主要施工工序如图2所示。在现场施工过程中，测量放样时间受钻爆方式的影响较小[4]，而钻眼清孔、出渣运输和初期支护（挂锚、初喷）工序所用时间受开挖方式的影响较大。因此，本文有针对性地统计每爆破循环中的钻孔、出渣、挂锚和初喷4个工序所用时间，Ⅳ、Ⅴ级围岩各统计10个爆破循环。

图2 银岭隧道施工工序Fig.2 Construction procedure of Yinling Tunnel

经统计，Ⅳ级围岩区域人工开挖每循环平均进尺2.4 m，三臂凿岩台车每循环平均进尺可达3.2 m。Ⅳ级围岩地段2种开挖方式各工序耗时统计如图3所示。

图3 Ⅳ级围岩区域开挖耗时对比Fig.3 Comparison of excavation time under grade IV surrounding rock area

经分析：Ⅳ级围岩区域人工开挖每循环平均耗时12.3 h，每米平均耗时5.1 h，台车开挖每循环平均耗时16.5 h，每米平均耗时5.2 h，两者相差不大。根据各工序耗时分析，台车与人工的平均每孔钻凿时间分别为2.5 min、10.0 min，且台车开挖比人工开挖的每循环进尺长0.8 m。因此，三臂凿岩台车的钻孔成型时间具有巨大优势。对于出渣与挂锚工序，人工开挖比台车开挖每延米分别慢5.3 min、3.8 min，台车开挖的优势不明显。对于初喷工序，人工开挖比台车开挖每延米快10 min，台车开挖处于劣势。

Ⅴ级围岩区域，人工、台车开挖每循环平均进尺分别为1.8 m和2.3 m。人工开挖每循环平均耗时10.1 h，每米平均耗时5.6 h，台车开挖每循环平均耗时12.4 h，每米平均耗时5.4 h。对于钻孔工序，台车凿岩平均每孔钻凿时间为2.0 min，人工凿岩平均每孔钻凿时间为8.5 min。对比Ⅳ级围岩的单孔每米钻凿时间，可知三臂凿岩台车在岩质越坚硬的地段钻孔更具优势。人工作业的隧道出渣效率为122 min/m，台车作业的隧道出渣效率为112 min/m，后者出渣效率更高；对于初喷工序，人工开挖每延米耗时87 min，台车开挖每延米耗时91 min，台车开挖仅慢4 min/m。针对Ⅳ级围岩区域台车开挖中初喷工序效率较低的问题，统计了2种施工方式的每循环超挖量，见图4。

图4 2种施工方式超挖量统计Fig.4 Statistics of over excavation volume of two construction methods

由图4可知，Ⅳ级围岩区域，人工开挖平均线性超挖量为7.3 cm，台车开挖为11.0 cm。Ⅴ级围岩区域，人工开挖平均线性超挖量为6.5 cm，台车开挖为8.9 cm。相比于Ⅴ级围岩，Ⅳ级围岩区域的超挖量增大直接导致初喷工作量增加，故台车开挖的隧道初喷效率更低。而台车超挖量增大的根本原因是在钻凿周边孔时，由于外插角的存在，进尺越大产生的超挖量就会越大。对此，可采用“长短孔结合周边眼”的钻孔方法来控制超欠挖[8]。

由图4可见，在装药量相同的情况下台车超挖量波动幅度较小，而人工产生的超挖量波动幅度较大，在Ⅴ级围岩中最为明显。说明台车凿岩在软弱围岩条件下仍能保持良好的钻孔稳定性，而人工易受外界环境和心理情绪影响，在钻凿周边孔时稳定性较差。

3 凿岩台车钻爆与风钻钻爆经济成本分析

由于前期测量与后期二衬施工的费用基本相同，故经济成本分析主要考虑洞身开挖和初期支护两部分。另外，由于已有学者对Ⅳ级围岩隧道机械凿岩的成本进行了相关研究[9]，所以仅对Ⅴ级围岩区域两者的经济成本进行分析。

3.1 洞身开挖成本对比

银岭隧道左线采用三臂凿岩台车开挖，右线采用人工开挖，两者产生的人工费、材料费、机械费、出渣费、管理费等大不相同。

1）人工费。工种包含测量人员、钻孔爆破人员或台车司机、出渣人员和杂工，人工开挖和台车开挖的每月总人工费用分别为27.5万元和14.35万元。按隧道开挖断面面积为134 m2、人工开挖每月进尺为80 m、台车开挖每月进尺为108 m进行计算，折合开挖费用分别为25.65元/m3和9.92元/m3。

2）材料费。银岭隧道钻爆施工中，材料费主要由炸药、雷管、导爆索等爆破器材费用组成。根据统计数据计算得人工、台车开挖的材料费用分别为12元/m3和11.3元/m3。

3）机械费。三臂凿岩台车购置费用为874万元（含税），折旧使用费13万元/月，总计使用时间1513/108=14.01月，取15月，则折旧使用费195万元。YT-28风钻每台5000元，共计17台，相比于凿岩台车，其折旧费用可忽略不计。按左、右线长度1513 m、1469 m，开挖面积134 m2计算，人工开挖与台车开挖的机械使用费、维护费及附属设施费用总和分别为18.12元/m3和33元/m3。

对比2种开挖方式，台车开挖的机械费大约是人工开挖的1.82倍，这与三臂凿岩台车设备购置成本及折旧使用费较高有关。

4）出渣费。隧道出渣作业需要使用1台装载机、1台挖掘机和8辆自卸汽车，依据JTG/T 3833—2018《公路工程机械台班费用定额》选取定额基价。Ⅴ级围岩区域，人工开挖和台车开挖的每循环出渣工程量分别为214.2 m3和308.2 m3。结合每循环的出渣时间，计算得人工开挖与台车开挖的出渣费用分别为22.64元/m3和18.28元/m3。

5）管理费。管理费用按前4项费用之和的5%计算。

统计各项成本分布情况如图5所示。

图5 2种开挖方式成本分布图Fig.5 Cost distribution of two excavation methods

由图5可知，人工开挖方式中人工费约是台车开挖人工费的2.58倍，但机械费只有台车开挖的55%。材料费上，两者仅相差0.7元/m3。由于台车开挖每循环进尺较人工开挖大0.5 m，因此出渣费更低。

针对洞身开挖总费用，三臂凿岩台车开挖比人工开挖少6.21元/m3，按左线Ⅴ级围岩长度673 m、断面面积134 m2计算，采用台车开挖可节省56万元。

3.2 洞身初期支护成本对比

银岭隧道初期支护是以湿喷机机组为核心的挂网喷浆作业，隧道左、右线挂锚工序所需要的人、材、机费用相同。因此，初期支护成本差异与洞身的超欠挖量有关。本项目中，初喷施工成本总费用为296.15元/m3，根据2种施工方式在Ⅴ级围岩区域的平均超挖量，结合隧道弧线长度与每循环进尺，计算得人工、台车开挖的超挖成本分别为3.7元/m3和5.46元/m3。

初喷作业工序中，三臂凿岩台车钻爆开挖成本比人工钻爆开挖多1.76元/m3。其原因是三臂凿岩台车进行钻爆开挖时，其超挖量比人工钻爆大，从而导致初喷混凝土的消耗量更多。按左线Ⅴ级围岩长度673 m、隧道断面面积134 m2计算，采用台车开挖将增加初喷成本16万/m3。

人工、机械凿岩钻爆的每延米开挖成本和超挖成本统计见表2。

表2 隧道施工每延米费用Table 2 Cost per linear meter of tunnel construction元/m

由表2可知，虽然台车开挖的超挖成本高，但其使用的人工少，因此在总成本上仍具有一定优势，比人工开挖每延米少596.3元。按左线Ⅴ级围岩长度673 m计算，采用台车开挖可综合节省费用40.1万元。

4 结语

通过对人工钻爆及凿岩台车钻爆施工效率和经济成本分析，主要结论如下：

1）Ⅳ级围岩区域的人工开挖与台车开挖每延米平均耗时基本相同，人工开挖为5.1 h，台车开挖为5.2 h；而在Ⅴ级围岩区域，台车开挖更具有优势，比人工开挖每延米快0.2 h。另外，由于人工凿岩易受外界环境和心理情绪的影响，其施工稳定性不如台车凿岩。

2）与人工开挖相比，台车开挖因其超挖量大导致初喷成本高，但是台车开挖的人工费用少。综合开挖成本和初喷成本，台车开挖在经济成本上仍具有优势，比人工开挖每延米少596.3元。

3）对比Ⅴ级围岩下2种施工方式的效率与经济成本，台车开挖均优于人工开挖。因此，在软弱围岩开挖中，建议采用三臂凿岩台车进行机械化施工。

4）对于目前三臂凿岩台车存在着超挖量大的劣势，建议在钻孔方法上采用“长短孔结合周边眼法”控制超欠挖，在管理上建立超欠挖奖惩制度，以期降低超挖量，控制超挖成本。