三臂凿岩台车在隧道中的控制爆破技术应用
１ 工程概况
黔张常铁路西起重庆市黔江区，途经湖北省咸丰县、来凤县，湖南省龙山、桑植县、张家界市、桃源县，东至常德市。在业内黔张常铁路又被称为第２条“宜万线”。
大坡隧道位于湖南省龙山县，为全线控制性工程和Ⅰ级风险隧道，隧道全长６６７８ｍ，岩溶强烈发育区段合计３４５２ｍ，存在突水突泥的可能。线路等级为客货共线，双线铁路，路段旅客列车设计行车最高速度２００ｋｍ／ｈ，线间距４.４ｍ，最大纵坡为１７.５‰，最大埋深为７４７ｍ。
２ 工程地质及围岩级别
大坡隧道所在场地属中、低山地区，地形山势陡峻，河流曲折，呈深切峡谷状。地层主要为寒武系下统清虚洞组灰岩、砂岩及构造岩。岩性复杂多变，工程差异较大。根据围岩岩性、围岩类型、节理裂隙发育情况、富水情况等状况分为四个级别，其中Ⅱ级围岩６５０ｍ，Ⅲ级围岩３２９５ｍ，Ⅳ级围岩２０５０ｍ，Ⅴ级围岩６８３ｍ。Ⅱ级、Ⅲ级围岩占比为５９.１％，Ⅳ级围岩占比为３０.７％，硬岩合计占比高达８９.８％。
３ 方案比选
综合考虑大坡隧道为全线控制性工程和Ｉ级风险隧道，工期紧、任务重、安全风险高、超前地质预报工作复杂多样等特点，在大坡隧道施工过程中，必须采取可靠、安全且开挖进度快的施工方法，施工时拟采用人工钻爆（潜孔钻超前）或三臂凿岩台车钻爆的施工方案。
（１）人工钻爆法的优点：①适用于各种地质条件和地下水条件；②具有适合各种断面形式和变化断面的高度灵活性；③对围岩匀质性无要求；④对于短小隧道而言是相对比较经济的一种方法。
缺点：①钻爆作业人员在掌子面附近施钻，安全风险高；②施钻爆破孔眼和加深炮孔位置、角度控制难到位，成孔效果差；③成孔速度相对较慢；④找顶找帮需来回攀爬开挖台架；⑤需配备潜孔钻机来实施超前水平钻孔和隧底钎探，速度慢，功效低，由于其机器自身高度仅３ｍ，对于拱顶的水平钻孔需垫作业平台才能实施，范围严重受限；⑥空气和噪音污染大，粉尘和噪声造成的职业伤害大；⑦需配备大量空压机、高压供风管道。
（２）三臂凿岩台车施工的优点：①安全性高；②测量人员可通过吊篮送到掌子面各个部位来测量标记点，放样速度快；③两台三臂凿岩台车共６个钻臂同步作业成孔速度快；④装药采用竹片速度快；⑤钻臂可３６０°角度旋转，钻眼角度易控制；⑥排险人员站在配有护盖的吊篮内进行找顶找帮既方便又安全；⑦施作超前水平钻、隧底钎探、加深炮孔、锁脚锚管孔、锚杆孔的位置精准、角度控制到位，成孔效果好，也可以快速探测隐伏溶洞；⑧设备自带空压机，只需配备少量备用空压机应急使用，不需要配高压供风管道。
缺点：①当开挖超过１ｋｍ以上时，须高压进洞；②对于平导等小型断面不适用；③在全断面和台阶法施工中可充分发挥其安全高效的特性，但在软弱围岩段落三台阶法施工时，需采用微台阶法，难以发挥其掘进的高效性。
经过比选，结合大坡隧道硬岩占比８９.８％和复杂的超���地质预报工作，三臂凿岩台车的方法更适用在大坡隧道施工。
４ 三臂凿岩台车钻爆施工
４．１ 台车简介
瑞典阿特拉斯·科普柯（ＡｔｌａｓＣｏｐｃｏ）公司生产的Ｂｏｏｍｅｒ２２３８型三臂凿岩台车，适用于矿山、隧道及地下厂房开挖的爆破钻孔。该设备（图１）配有３条ＢＵＴ３５重型钻臂，采用先导液压控制钻进系统，具有防卡钎功能ＲＰＣＦ（回转压力控制推进力），钻孔直径４３～１０２ｍｍ。该设备总长１６.５６５ｍ，总功率１９３ｋＷ，最大工作面积可达１７８ｍ²，最大作业高度可达１２.７８９ｍ，宽度１５.５９７ｍ。
大坡隧道Ⅲ级围岩断面面积１２３ｍ²，根据大坡双线隧道断面尺寸大小，为了使施工设备达到更好的契合度，加快施工进度，现场配置两台三臂凿岩台车（现场钻孔作业见图２），并针对现场围岩和地质特性，结合三臂凿岩台车钻臂的作业范围来进行钻爆设计和实施效果改进。
４．２ 钻爆参数选择
大坡隧道Ⅱ、Ⅲ级围岩以弱风化灰岩为主，质坚厚层状构造，节理裂隙发育少，岩层整体稳定性好，按照全断面进行设计，其钻爆参数见表１。
Ⅳ级围岩以中风化灰岩为主，质坚中层状构造，节理裂隙发育，岩层稳定一般，可按照两台阶进行爆破设计，其钻爆参数见表２。
４．３ 工艺流程
各类围岩采用三臂凿岩台车进行钻爆施工的工艺流程见图３。
４．４ 钻孔、装药作业
钻孔深度根据围岩软硬程度、节理发育、掌子面的平整度进行适当调整，尽量使孔眼底在同一个断面上。Ⅱ、Ⅲ级炮眼布置见图４、Ⅳ级围岩炮眼布置见图５。
４．５ 控制爆破方法改进
（１）把握“一个中心，五个控制点”。“一个中心”，即隧道开挖面中下部的掏槽。按照爆破设计的孔位布置，控制好掏槽炮孔的数量、间距、排距、角度、深度等，确保掏槽成功。“五个控制点”，即１个拱顶点、２个起拱点、２个边坡点。测量班在放样时用红油喷漆重点标记５个点，钻工先施钻该５个炮孔，作为参照炮孔，在其内插入较长的花杆，外露５０ｃｍ便于观察和识别，其他周边炮孔参照花杆来司钻。
（２）操作钻孔技工关注“一条平行线，两个基本点”。注意钻臂推进梁的定位，在空间允许的情况下，确保推进梁与隧道轴线平行，减少外插角；在与钻进深度对应的钻臂位置喷红油漆标线，时刻关注推进梁顶端和末端“两个基本点”，时时观察“两个基本点”是否发生偏移。发现有偏移时，根据情况，或调整推进梁，或废弃该孔重新钻孔，以保证钻出的周边炮孔符合要求。
（３）采用楔形掏槽光面爆破技术。由于配备的钻头直径大，采用与钻头直径相匹配的φ４０ｍｍ定制乳化炸药，用透明胶带将药卷连续装药固定在竹片上，使得药效更集中、聚能效果更好来确保掏槽效果。
（４）周边眼和底板眼钻孔前，调整好台车推进梁，将定顶盘顶紧岩面，推进梁尾部与周边岩壁的距离，对于控制隧道周边超欠挖起到至关重要的作用。在施钻周边眼和底板眼开孔后，将钻杆轻微向内侧弯折，使得钻杆能够按照预定的轨迹向前钻进，必须控制好推进梁尾部的“高度”，严格按照标示出的炮孔位置开钻，按照确定好的炮孔深度钻孔，获得较好的成孔效果。
另外对于周边眼和底板眼采用竹片间隔装药，施作时用裁纸刀将药卷等三分切割，间隔５０ｃｍ排列药卷用导爆管串连，透明胶布粘牢在竹片上，以精确控制周边眼和底板眼的装药量。
（５）传统毫秒雷管爆破精度低，为了降低超挖，引进具有高精度起爆延期时间的澳瑞凯雷管，见图６。它采用逐孔起爆技术，该技术以高强度、高精度复合导爆管毫秒雷管为起爆及传爆元件，进行起爆网络铺设，孔内采用高段位延时毫秒雷管进行起爆，孔外采用低段位延时毫秒雷管连接，起爆顺序采用分散螺旋状，是实现单孔孔间微差起爆的一种先进爆破技术。
逐孔起爆技术原理就是在预爆破区域的布孔水平面内，处于横向排和纵向列上的炮孔分别采用不同的延期时间，但通常位于一排或一列中的炮孔具有相同的孔外延期时间间隔，孔外雷管延期时间分别为９ｍｓ、１７ｍｓ、２５ｍｓ、４２ｍｓ、６５ｍｓ、１００ｍｓ，孔内均采用延期时间为４００ｍｓ的雷管。根据从起爆点开始二维平面内每个炮孔的起爆时间按孔、排间延期时间累加实现，相对于周围炮孔各自独立起爆。这样爆破过程在时空发展上按某一起爆走势线向前推进，直至爆破过程完毕。通过逐孔起爆技术可起到四方面效果：先爆破孔为后爆破孔多创造一个自由面；爆破应力波沿自由面充分反射，岩石加强破碎；相邻爆破孔相互碰撞、挤压，增加岩石二次破碎；同段起爆药量小，降低爆破振动，根据经验对比，较传统爆破，爆破振动降低５０％～８０％。
（６）利用三臂凿岩台车改造的专用钻臂，安装专用钻杆和φ１０８ｍｍ的钻头，在掏槽区中部两侧各增加３个大直径φ１１０ｍｍ中空减振孔，对周边眼采取按照顶部、拱腰、拱墙三个区域各加密布设２个φ４５ｍｍ减振孔，所有减振孔均不装药，作为爆轰波的导向孔。
（７）根据现场围岩和地质特性，结合爆破效果，在掘进过程中进一步动态调整掏槽眼、周边眼间距以及用药量。由于楔形掏槽，两侧打孔的角度很难完全对称，爆破过程中出现过石块块度过大的情况，为减少和避免此类问题，后将第１竖排掏槽眼至中心的距离由２.０ｍ调整至１.６ｍ，效果得到明显改善。图７为Ⅱ级围岩现场钻爆效果图。
４．６ 工效分析
４．６．１ 进度方面
三臂凿岩台车可实现三臂同时钻孔，大量节约钻孔时间，比风动凿岩机钻孔效率可提高５６％～１２２％，总体施工循环作业时间比人工开挖可节省３７.３％。以Ⅲ级围岩台阶法为例，单循环进尺４.０ｍ（人工开挖一般为３.５ｍ）时，单个钻孔所用时间约为１.５ｍｉｎ，全断面每循环钻孔时间约为１ｈ５０ｍｉｎ。同时钻杆定位迅速准确，不需要操作平台，大大降低操作技工的劳动强度、节省了人工成本，显著提高进度。在作业面多的工区，还可以交错时间进行钻爆作业，进一步节省人工。
４．６．２ 适用性方面
三臂凿岩台车除日常开挖作业外，还可用于５～３０ｍ的加深炮孔、超前水平钻、隧底钎探、锚杆钻孔施工，通过更换相应钻头还可进行超前小导管、洞内中管棚的施作，适用范围广，大大提高了设备的利用率。比采用管棚钻机，效率提高１００％以上。
４．６．３ 安全方面
与人工钻爆相比，三臂凿岩台车开挖可大大减少掌子面作业人员数量，且操作人员距离掌子面有至少１３ｍ的安全距离，视线开阔，利于观察围岩变化，加上操作平台上安全顶棚的保护，有效增加了作业人员的安全系数。
４．６．４ 职业健康方面
三臂凿岩台车凿岩系统由电力驱动，并采用了闭式油路系统，避免了风动凿岩机的排气噪音，且没有风钻排出的湿雾状的废气，工作面灰尘小，气体和噪音污染小，清洁环保，极大减少了隧道粉尘含量，降低了噪音分贝，可有效改善作业环境，保证作业人员的身体健康；同时可有效减少通风时间，节约大量通风费用。
５ 结论
（１）通过在大坡隧道采用三臂凿岩台车，在施工时无形中可以为作业人员创造非常好的施工安全环境，并简化了施工工序，成孔快、定位准、精度高、工效好，显著提高了施工进度、缩短了工期，保证了施工安全和质量。可快速施工超前水平钻、加深炮孔、隧底钎探等超前地质预报工序，对于探查掌子面前方及周侧的地质风险，发挥了很好的作用。
（２）现有三臂凿岩台车可施钻锁脚锚管和锚杆孔，但仍需要采用简易台架或者多功能拱架安装机来安装和加固。能否结合既有平台安装锁脚锚管和锚杆，快速加固围岩，还有待研究和实践。