浅析凿岩台车在隧道中的应用实效

１ 工程设备应用情况

西渝高铁康渝段站前１４标位于重庆市开州区，线路起于高桥镇汪家湾高升２号隧道进口，终于开州区竹溪镇洋泗山村路基。项目起讫里程ＷＤ２Ｋ２４＋７５８.８５７～ＷＤＫ５３＋５４４.１，总长２７.７７１ｋｍ。其中二分部施工部位自观面山隧道１＃斜井至镇安隧道进口段，起讫里程为ＷＤ２Ｋ３３＋８２３～ＷＤ２Ｋ４７＋４８０，全长１３.６５７ｋｍ，其中桥梁１座：观面山中桥总长８５.５２５ｍ；隧道２座：观面山隧道１２８５７ｍ，二分部承建１１４９６ｍ，观面山隧道１＃斜井１６１４.８８ｍ，观面山隧道２＃斜井１１９６ｍ，镇安隧道４４５８ｍ，二分部承建２０８８ｍ。

２ 应用背景

当前，隧道正洞全断面施工采用全人打钻需配置１１～１５名工人，掉碴掉块易发生伤亡事故，一旦发生塌方，极易导致重大安全事故，其安全风险已成为施工企业不可承受之重。当前安全形势下，隧道施工掌子面减人已迫在眉睫，通过本项目机械化减人试点，为公司隧道施工进行长远发展谋划，同时降低隧道施工成本。

３ 设备应用情况

（１）公司于２０２３年３月引进１台湖南五新ＷＤ２００Ｅ型双臂凿岩台车投入重庆开州高铁项目观面山隧道出口使用。西渝高铁隧道大型机械设备使用情况。凿岩台车：１＃斜井工区双曲臂凿岩台车，进场时间２０２３年３月２０日，截至２０２４年３月２０日，１＃斜井工区累计开挖进迟１４１２.５ｍ，剩余１２５.５ｍ，预计２０２４年４月１０日进入隧道正洞施工。①项目使用推进梁（７.５ｍ）过长，掌子面主拉槽角度摆不到位；②此段落围岩由泥岩变成砂岩，围岩整体性变好，同时涌水增多，爆破效果差，进尺不足，补炮现象明显，导致开挖工序耗时较长。凿岩台车钻孔和清孔时间为２.６ｈ。

（２）观面山出口工区双曲臂凿岩台车，观面山出口隧道正洞使用双曲臂凿岩台车上台阶施工，截至２０２４年３月２０日，出口工区观面山出口隧道正洞累计进迟７１４.４ｍ，镇安隧道进口隧道进迟４４３ｍ；两个隧道均采用双曲臂凿岩台车施工，为同一台双曲臂凿岩台车。观面山出口工区劳务队预计在４月底前增加一台双曲臂凿岩台车。

４ 隧道双臂凿岩台车使用施工组织

４．１ 与传统人工钻爆的区别

隧道施工采用全人工打钻需配置开挖台架一个，两台阶法开挖时，开挖台架为３层，顶层站３人下部两层站８人，共１１人。采全断面法开挖时，开挖台架为４层，顶层站３人下部两层站１２人，共１５人，全断面时底部人员可增加２人，最多时需１７人。采用设备打钻时，只需要５名操作手在操作设备（一台三臂凿岩车，一台双臂凿岩台车），远离掌子面，消除了打钻时人员暴露于围岩下的安全隐患，大幅降低了打钻时的安全风险。

４．２ 总体规划风水电的不同

全人工打钻需在洞口配置５～７台２２ｍ³／ｍｉｎ的空压机，配置ＤＮ２００的风管进洞，ＤＮ１００水管进洞，３×２４０＋２×７０电缆进洞２ｍ直径；采用两台凿岩台车打钻，进洞需配置ＤＮ１００水管、３×４００＋２×１５０电缆、２ｍ直径风管。由于设备需水量大，洞口增加２０ｍ³以上的大水箱，虽然设备自带空压机，打钻时不需要高压风，但喷浆工序仍需要使用高压风，高压风管仍需进洞。人工打钻与设备打钻在风水电上最大的区别，在于电缆及洞口配置的空压机、水箱。

４．３ 钻孔孔径、清孔方式不同

人工打钻采用气腿式凿岩机，一字型钻头，钻头直径４０ｍｍ。打眼时需给水适量，根据岩石软硬度调整水量，以流出稀浆为宜，成孔后采用高压风进行清孔。双臂凿岩台车钻头直径４５ｍｍ，由于钻孔直径越大时，炸药量也相继提升，因此，实际操作中，台车钻杆更换为直径４３ｍｍ；打钻时采用高压水同步排钻渣，孔口流出大量浆液，达到自动钻孔与清孔的效果。

５ 开挖工序施工组织

凿岩台车主要完成钻爆工艺中的钻孔环节。人工钻孔施工时工艺流程为：测量放线→开挖台车就位→高压风水管连接→钻孔→炸药装填→雷管连线→风水管拆除→台车退出→响炮→出渣。

凿岩台车施工施工工艺流程为：炮孔图设计→导入凿岩台车→凿岩台车就位→水电连接→测量定位→钻孔→凿岩台车退出→装药台车就位→炸药装填→雷管连线→装药台车退出→响炮→出渣。

相同的开挖断面下，凿岩台车双臂钻孔时间与１５名工人相当，整个开挖爆破工序来看，凿岩台车打钻后装药配置９名工人，打钻与装药工序间存在衔接，开挖爆破单循环时间相比人工减少０.５ｈ，单班进尺比人工多０.５ｈ。需保证装药工人在初支下操作，减少了大量工作暴露在危险场所的时间，降低安全风险。

６ 施工组织管理中存在的问题及管理难点、改进方案

６．１ 水、电要求高

双臂凿岩台车总装机功率９５ｋＷ，本部敷设了３×４００＋２×１８５国标铝芯线专用电缆，进洞４００ｍ后，安装了１０００ＫＶＡ升降压器配套使用，高压进洞实际配置１１台套升降压设备。由于电缆笨重，仰拱往掌子面段落安装困难、上墙困难，降压器需定期跟随掌子面向前移动。打钻时需水量不低于２０ｍ³／ｈ，为此在洞口及隧道内新增大水箱及大功率增压泵。设备进水滤网目数较大，对水质要求极高，若滤网堵塞将造成钻渣无法排出而卡钻。对于水质问题，需要积极与厂家联系，考虑在滤芯内加装高压喷头，从内向外冲洗，清除附着物，或者使用刷洗方式清洗滤芯。

６．２ 设备出故障高

高铁隧道正洞全断面开挖可配置一台双臂凿岩台车和一台三臂凿岩台车同步钻孔，但由于隧道的地质条件变化加快，全断面开挖和台阶法开挖常是交替进行的，且全断面开挖地段较少，斜井配置了一台双臂设备，高铁隧道正洞配备了一台双臂凿岩台车和一台三臂凿岩台车。当单台设备出现故障时，还可以使用另一台交替施工，当两台设备均故障时，将面临掌子面停工的风险。由于设备的普及率不高，维修及设备配件完全依靠厂家。目前，采取的改进措施有３种。

（１）加强对台车的养护工作的监督，要求厂家配置专业维护人员入住现场并指导、参与台车的养护工作，定期对台车做好大型保养工作，减少台车的故障率。

（２）根据实际需要，设置配件仓库，配置富有余量的易损件、易坏件，并保证型号和规格与台车匹配，做到易损件、易坏件机手自行更换，不耽误施工。

（３）加强与厂家片区服务站联系，确保设备故障时，能及时联系厂家第一时间赶至现场维修。

６．３ 售价高、性价比低

双臂凿岩台车全款置办下来费用接近３００万元，投入现场施工１年后，项目初步核算洞身开挖每方增加约３２元（包含增加的炸材费用）。由于机械臂粗大且长，岩面变化多端，外插角较大，每延米增加喷混凝土超耗费用约８００元。

６．４ 设备中途进场难协调

为了积极响应西渝高铁项目机械化减人的目标，双臂凿岩台车和三臂凿岩台车由公司购买，由公司负责管理调配，出租给项目部使用，机手由公司租赁站统一招聘培训并调配，项目部按月缴纳租金。项目部与协作队伍合作模式为纯劳务模式，由于施工几十料后观面山１＃斜井工区中途增加设备，人工打钻退出，设备进场后增加的费用及相应的开挖单价调整事宜仍在与协作队伍磋商中；包括三臂拱架台车进场施工，清退传统开挖台架。留下很大的合同、成本隐患。目前，采取的改进措施是由双方派人对实际发生的成本数据进行见证收集，根据不同的围岩等级，对开挖工序建立成本分析模型进行造价分析，为合同谈判提供真实可靠的数据支撑。

７ 改进方案

７．１ 运用双臂台车配合光面爆破

凿岩台车是钻爆法隧道开挖机械化施工的主要设备。中铁装备ＤＪ３Ｅ型三臂全电脑凿岩台车可实现精确定位，快速钻孔。凿岩台车的主机将推进梁、液压凿岩机安装在钻臂上，并在一定范围内移动，进行隧道开挖工作，其中液压凿岩机是其主要工作装置。液压凿岩机工作分为冲击、旋转、推进、冲洗４个作业过程。三臂全电脑凿岩台车凸出点在于能实现自动定位及自动打孔。先把隧道平曲线及竖曲线设计参数导入软件，在此基础上建立隧道轮廓断面并设计炮孔图，将其导入车载电脑内，通过台车定位后，设计炮孔的点位、深度及角度等在电脑上完全显示。台车定位基于３Ｄ扫描仪测量已知坐标的靶向点１与靶向点２两点，获得台车的基准点坐标，原理类似后方交会。施工时，车载电脑软件通过传感器数据及自身几何关系进行臂架端头定位，确定钻头部位的坐标，计算隧道掌子面的里程桩号，与台车电脑显示屏结合，操作人员能准确知道钻头与炮孔的位置关系。操作人员移动臂架时，钻头的位置会在显示屏上同步移动，靠近设计炮孔位置时，会有放大图样显示与设计炮孔的相对位置关系指导精确定位。钻头定位完成后，根据设定的推进压力、推进速度及钻孔角度，及计算的钻孔深度，设备可实现自动钻孔、清孔并退出钻头。为了控制三臂凿岩台车隧道施工中的超欠挖，结合设备精确定位炮孔的优势，总结出目前应用的“周边眼长短孔”钻孔方法。

７．２ 超欠挖扫描

三臂凿岩台车配置３Ｄ扫描仪１台，该扫描仪安装在凿岩台车控制台上，在司机室正前部。通过扫描仪完成凿岩台车隧道内的精确定位后，进行开挖断面（或初期支护断面）扫描，自动记录、存储３Ｄ扫描日志，可用于检查超挖、欠挖情况，并可以计算出超挖及欠挖的土石方量。通过及时扫描超欠挖情况，调整钻爆方案，优化钻爆设计，加强超欠挖控制。在３Ｄ扫描日志内可以提取任一里程的断面情况与设计断面进行对比，作为开挖方量核算及喷射混凝土方量计算的依据，实现高质量建设、精确核算的目的。

７．３ 运用成效及展望

７．３．１ 实现了掌子面减人

采用设备完成钻爆法开挖的钻孔工序，只需５名操作手，三臂凿岩台车３人，双臂凿岩台车２人，相比人工开挖的１５人，人员减少６６％。在满足掌子面人员不超９人的情况下，人工打钻效率将降低约５５％。设备打钻不仅实现了钻孔工序掌子面减人的目标，还保证了钻孔效率，保证了施工进度目标，保证了进洞人员数量和洞内高危点位人员数量可控，有效遏制人员聚集增加事故风险。

７．３．２ 实现作业人员年轻化

三臂凿岩台车智能化、自动化、信息化程度高，对从业人员的专业性、能动性、灵活性、协作性等通用技能提出了更高的要求，且市场上设备操作手几乎无储备。青年人员正好满足此类需求，适应环境快，学习能力强，上手速度快，培养起来相对容易。人工风钻成孔施工劳动强度大，作业环境差，少有工人愿意涉足。而三臂凿岩台车操作环境舒适、噪声小、扬尘少的操作环境也能吸引青年一代。企业培养青年员工，建立相对稳定的核心技术工人队伍，解决了打钻人员老龄化的同时，给青年人提供了大量的工作岗位。

７．３．３ 各工序施工组织配合良好

钻爆法开挖的钻孔工序改为设备开挖后，技术人员和现场负责人员加强对各个工序之间衔接性的监督，保证所有工序都能够紧凑进行，目前施工效率稳定，Ⅳ级围岩月进尺平均约１２０ｍ／月，略高于人工开挖。本试点项目不但可以培养一批青年操作人员、设备管理以及维护团队，有效应对打钻人员老龄化问题，同时，为公司大规模使用设备积累管理经验，建立相对稳定的核心技术工人队伍，公司组建管理隧道大机设备的专业团队。

７．３．４ 降低设备使用成本

目前，凿岩台车市场保有量较小，国内生产商为数不多，设备价格高昂，使用成本太高。根据大量市场调研，结合试点项目现场实际使用情况，现有的ＷＤ２００Ｅ型双臂凿岩台车钻机功率改配为１８.４ｋＷ，ＤＪ３Ｅ三臂凿岩台车钻机功率为１８ｋＷ。

８ 结语

在隧道建设中，掌子面安全生产形势严峻，隧道掌子面施工机械化减人势在必行。通过凿岩台车在试点项目隧道施工中的应用研究，充分地发挥凿岩台车作业范围大、灵活性强、空气污染小、安全文明、冲击钻高效的技术优势，实现了快速、优质、安全、高效施工，达到了掌子面“减人提效”目的，有效防控重大安全风险，实现了作业人员年轻化，有效地应对作业人员老龄化的问题；在隧道施工过程中，利用凿岩台车进行快速施工，可以有效地提高整个隧道的施工质量和施工效率，与传统的钻爆施工技术相比，可以有效地节省施工成本投入，也可以提高施工安全性。因此，公司在进行隧道施工过程中，可以结合项目的实际情况参考使用凿岩台车进行钻爆施工。