三臂凿岩台车在长大隧道内的施工应用分析研究
一、引言
长大隧道工程由于其开挖横截面增大，导致掌子面周边围岩受力更加复杂，其施工安全问题相较普通隧道更为突出。传统的人工手持风钻机在长大隧道中进行爆破孔开挖，存在钻孔偏差角的技术问题、掌子面岩石掉落的安全问题以及无法上下断面同时施工的效率问题，这是目前施工和设计各方关注的热点问题。国内外学者针对三臂凿岩台车设计及其施工工法进行了大量的研究工作，如韩文珍等实现大直径隧道断面多机并线操作；王阅章等研究了三臂凿岩台车在软弱围岩中高效的施工工法；王怀中通过改造凿岩台车、设计爆破模式、优化施工工艺，实现了三臂凿岩台车在小断面隧道进行施工；孙士成等研究了不同等级软弱围岩下三臂凿岩台车的最优施工方案。目前对于三臂凿岩台车更多的是机械优化和控制理论的研究，缺乏针对在长大隧道中三臂凿岩台车的应用研究。
文中以衢州铁路枫树岭隧道某区段为工程背景，研究流纹质凝灰岩、侏罗系上统磨石山群大爽组上段流纹岩、凝灰岩、侏罗系上统磨石山群大爽组下段凝灰岩、凝灰质砂岩、前中生代花岗闪长碎裂岩等多种岩性复合地层中，掌子面爆破孔开挖过程中存在的主要风险，提出三臂凿岩台车在长大隧道内的施工应用方案。通过本项目的研究，可为长大隧道内三臂凿岩台车施工提供参考。
二、工程概况
新建衢州至丽水铁路松阳至丽水段ＱＬＴＬＳＬＤＳＧⅠ标段位于浙江省丽水市松阳县三都乡、莲都区丽新畲族乡境内。标段起讫里程ＤＫ１４＋０９５～ＤＫ２９＋２８０，全长１５１８５ｍ。
标段工程主要施工任务：隧道主体、防护门、通风等（不含隧道照明，设备洞室防护门以内的箱变基础、铺沙、盖板等，不含消防水池泵房、斜井防护门和通风设备的供电及控制工程）；隧道内无砟道床铺设及ＣＰⅢ测量；站后预留工程（含综合洞室、沟槽、四电过轨、接触网槽道预留、综合接地等）；相关的大型临时设施工程；防灾疏散通道道路及场坪工程。隧址区出露的地层岩性主要为第四系残坡积土层，侏罗系上统磨石山群西山头组凝灰岩、凝灰质砂岩、侏罗系上统磨石山群九里坪组下段流纹岩、流纹质凝灰岩、侏罗系上统磨石山群大爽组上段流纹岩、凝灰岩、侏罗系上统磨石山群大爽组下段凝灰岩、凝灰质砂岩、前中生代花岗闪长碎裂岩，局部发育有晚侏罗系上统磨石山群潜火山相流纹岩、脉岩霏细岩。现由新至老分述如下：
（１）第四系残坡积土层
粉质黏土，棕红色，硬塑，主要分布在隧道进出口段与山坡局部缓坡地带。碎石土：灰褐色，稍密，稍湿，砾石含量约５５％，主要成分为强风化凝灰岩碎块，粒径４０～８０ｍｍ，最大１００ｍｍ，余为砂土充填。主要分布于山坡表层。
（２）侏罗系上统磨石山群西山头组
岩性主要为凝灰岩，青灰色，流纹质结构，块状构造，全风化，结构松散，呈砂土状；强风化，岩体节理裂隙发育，岩体破碎～较破碎；弱风化，岩体节理裂隙不发育～较发育，岩体较完整。主要分布在隧道进口至ＤＫ１４＋３６０段、ＤＫ１４＋７５０段至ＤＫ１６＋４２０段等。
（３）侏罗系上统磨石山群九里坪组下段
岩性主要为流纹岩、流纹质凝灰岩、流纹质、凝灰质结构，全风化，结构松散，呈砂土状；强化风，岩体节理裂隙发育，岩体破碎～较破碎；弱风化，岩体节理裂隙不发育～较发育，岩体较完整。分布于隧道ＤＫ１４＋３６０段至ＤＫ１４＋７５０段、ＤＫ１６＋４２０段至ＤＫ１６＋７５０段线路左侧。
（４）侏罗系上统磨石山群大爽组上段
岩性主要为流纹岩、凝灰岩，青灰色、灰白色，凝灰质结构，块状构造，全风化，结构松散，呈砂土状；强风化，岩体节理裂隙发育，岩体破碎～较破碎；弱风化，岩体节理裂隙不发育～较发育，岩体较完整。主要分布在隧道ＤＫ２２＋７８５段至ＤＫ２３＋４０５段。
（５）侏罗系上统磨石山群大爽组下段
岩性主要为凝灰岩，浅灰色，凝灰岩质结构，粉细粒结构，中－厚层状构造，块状构造，全风化，结构松散，呈砂土状；强风化，岩体节理裂隙发育，岩体破碎～较破碎；弱风化，岩体节理裂隙不发育～较发育，岩体较完整。主要分布在隧道ＤＫ２１＋７５０段至ＤＫ２２＋７８５。
（６）前中生代花岗闪长碎裂岩
岩性主要为中生代花岗闪长碎裂岩，花岗结构，由于收到较强应力作用，局部较破碎，具破裂结构，块状构造，全风化，结构松散，呈砂土状；强风化，岩体节理裂隙发育，岩体破碎～较破碎；弱风化，岩体节理裂隙不发育～较发育，岩体较完整。分布在隧道ＤＫ１８＋０５５～ＤＫ２１＋７５０。
（７）晚侏罗系上统磨石山群潜火山相
岩性为流纹岩，浅肉红色，流纹状结构，块状构造，全风化，结构松散，呈砂土状；强风化，岩体节理裂隙发育，岩体破碎～较破碎；弱风化，岩体节理裂隙不发育～较发育，岩体较完整。主要分布于ＤＫ２３＋４０５～ＤＫ２６＋６３５及沿线两侧零星分布。
（８）脉岩
岩性为霏细岩，浅肉红色，块状构造，全风化，结构松散，呈砂土状；强风化，岩体节理裂隙发育，岩体破碎～较破碎；弱风化，岩体节理裂隙不发育～较发育，岩体较完整，主要分布于ＤＫ１８＋９３０～ＤＫ１９＋０３０段。
三、三臂凿岩台车的施工应用
１、三臂凿岩台车的施工工法
枫树岭隧道选取活源斜井、松庄斜井等２个隧道作业面进行机械化配套大断面试验施工，各配备２台三臂凿岩台车及相关的配套设备进行隧道正洞施工。大断面施工工法分为微台阶、全断面２大类，施工顺序如图１、图２所示，图中Ⅰ为开挖，Ⅱ为支护。
根据新奥法原理，考虑初期支护与围岩共同作用下，承担了所有围岩的荷载，开挖前通过地质素描、地质雷达、物探、加深炮孔和超前水平钻孔等超前地质预报手段，结合隧道监控量测、围岩应力应变数据综合分析，对掌子面前方围岩进行综合判断。采用超前加固、掌子面封闭和加强初期支护等措施，正线隧道Ⅴ级围岩地段采用三台阶临时仰拱法及三台阶法施工；Ⅳ级围岩地段采用三台阶法及台阶法施工；Ⅲ级围岩采用台阶法及全断面法施工；Ⅱ级围岩采用全断面法施工；特殊地段根据围岩情况进行处理。
２、三臂凿岩台车相关机械设备配套
三臂凿岩台车选用挖掘机、装载机、出渣车、锚杆钻注一体机、湿喷机械手、混凝土运输车、自行式仰拱栈桥等为主要特征的机械设备配套，组成钻爆、装运、超前、喷锚支护三条机械化作业线，严格机械设备管、用、养、修制度，科学管理，达到快速施工的目的。
（１）钻爆作业线：凿岩台车与多功能台架辅助风钻钻孔，光面爆破，其中爆破参数通过爆破试验确定，如表１所示。
（２）装运作业线：侧卸式装载机装渣，挖掘机配合，出渣车运输。
（３）支护作业线：凿岩台车与风钻进行超前支护施工，锚杆钻注一体机和钢拱架拼装机安装锚杆和拱架，湿喷机械手喷射混凝土。
３、三臂凿岩台车工作流程时间及延期量估算方案
通过施工前对三臂凿岩台车的工作流程进行估算，对比施工过程中所需流程时间，即可得出延期量，具体计算流程如式（１）～（６）。
令：ｔｉ为任务ｉ的总加工时间；
ｗｉ为任务ｉ的总排队等候时间，
于是：
第ｉ项任务在凿岩台车施工的流程时间：
第ｉ项任务在凿岩台车施工的延期量：
若Ｄｉ≤０，则说明没有延误量。
４、三臂凿岩台车的施工组织
凿岩台车钻爆全断面法施工工序如图３所示。
（１）准备工作
开工前准备工作做到“四査”，即凿岩台车及台架是否正常；查风水管路到位和牢固情况；查钻头、钻杆、扳手等工具是否带齐；查消耗材料有无备用。同时由工程部向现场值班人员提供掌子面地址素描或地质预报报告。
（２）测量放样及定位
由工班长根据工程部下发的钻爆设计将每台凿岩台车钻孔范围及顺序分配明确，钻眼前又测量组定出开挖断面中线、水平线和断面轮廓，标出炮眼位置，经检査符合设计要求后方可进行开钻。炮眼的深度、角度、间距应按设计要求确定，当开挖面凹凸较大时，应按实际情况调整炮眼深度，并相应调整装药量，力求除掏槽眼外的所有炮眼底在同一垂直面上；
（３）挂口
根据爆破设计及中线水平，选好开口位置，刨去浮石，调整钻孔角度，使钻杆与开口处岩面保持垂直。
（４）钻进
钻进中应充分发挥支架作用，以加快钻进速度：
①一条线：钎子、支架必须在同一垂直面上，从后面看是“一条线”，这样使钻机不会左右摇摆；
②中心钻：掌握好钻杆的推进速度，使支架不致忽上忽下，使钻杆始终在炮眼中心位置旋转；
③靠边站：一人操纵一个钻杆，只会人员要站在钻机的侧后方，以保证人员安全。
（５）拨钎
钻孔满足设计深度后，不宜多钻应及时拨钎转移。在整体性较好的岩石中，可停水拨钎。在破碎岩石中，为克服阻力钻机应带风转动拨钎。
（６）装药
①钻眼完毕后，按炮眼布置图进行检查，有不符合要求的炮眼应重新钻眼，经检査合格后方可装药；
②装药前必须将炮眼内泥浆、石屑用高压风吹洗干净，所有装药的炮眼均应堵塞炮泥。
（７）爆破
钻爆作业必须按照钻爆设计进行钻眼、装药、网路接线和起爆。并加强装药和起爆联网的监控和检查，严格执行钻爆设计，经检査合格后方可起爆。
（８）出渣
正线隧道采用无轨运输，挖掘机（２２０型）配合装载机（５０型）装渣，大型自卸汽车运输。
四、三臂凿岩台车施工效率影响因素分析
１、机械故障率
相比人工开挖出现故障，台车出现故障对施工进度造成的影响更严重。当前凿岩台车相关技术人员较为稀缺，操作台车的司钻工缺乏相关操作经验，长期操作不当，导致台车机械故障率高，直接影响凿岩台车工作效率。
２、工序衔接不到位
如钻孔爆破后，出渣车不足、支护过程中混凝土车不到位等皆为工序衔接不到位。可见工序无法衔接主要原因是配合机械未能及时抵达衔接现场，主导施工机械需停机等待，导致施工时间滞后，从而影响整体施工效率。
３、环境因素影响
由于枫树岭隧道构造裂隙水发育，最大涌水量预测为４０，５７８.０８ｍ³／ｄ，裂隙涌水导致施工机械无法进入施工现场，可见裂隙水对施工进度影响严重，且在开挖过程中，还需通过抽水泵抽出隧道内积水，耗费大量时间，拖延施工进度。
五、结论
通过三臂凿岩台车在衢丽铁路枫树岭隧道的成功应用，使得衢丽铁路枫树岭隧道开挖效率提高，实现了长大隊道利用三臂凿岩台车达到快速掘进施工的目的，主要结论为：
（１）结合三臂凿岩台车的机械结构以及使用功能，台车更适合在对大断面硬岩进行开挖，台车单次循环进尺控制在４ｍ左右时，其可最大限度发挥台车优势，施工效率高，爆破后整体成型良好。
（２）三臂凿岩台车相较人工手持风钻具有钻孔效率高、能耗低、施工环境安全、噪音污染小等优点，可通过提高机操人员的专业水平和加强设备保养、科学调整台车施工流程来延长其施工寿命周期。
（３）三臂凿岩台车通过与相关机械化配套设备相互辅助工作，提高整体隧道掘进机机械化施工效率，实现持续高效生产。