全自动自适应多臂凿岩及初支作业车在隧道掘进中的应用与研究

随着国民经济的快速发展，目前人工成本越来越高，隧道施工机械化是大势所趋。多臂凿岩机价格千万一台，对于中短隧道来说费用过高，推广难度大，为此需要研究一套实用性强、价格相对经济的施工方法。本文主要分析了全自动自适应多臂凿岩及初支作业车在隧道掘进中的应用，以供借鉴。

新奥法隧道施工方法自２０世纪６０年代末被引入到我国，７０～８０年代得到迅速发展，９０年代开始被广泛应用，是当前使用最广泛的隧道施工方法。但传统的施工方法施工环境差、人力成本较高、喷射混凝土回弹大，为解决这些问题，研制开挖作业台车的组合台架，该台车按人工钻爆法在各操作平台安装单臂轨道步进式自动凿岩机实现群钻式自动钻孔，并在台车上安装能够适应各级围岩初支断面要求的滑动模板，消除喷射混凝土回弹。

一、多臂凿岩作业车隧道掘进概述

多臂凿岩作业台车主要实现群钻、初支立架、滑模喷射混凝土等三大主要功能。在钻爆开挖及初支立架中主要解决机械化利用率、节省人工、降低作业人员劳动强度、提升钻孔及立架质量等问题；滑模喷射混凝土主要解决初期支护平整度、喷射混凝土回弹量等问题。多臂凿岩作业车能够集钻孔、立架、喷射混凝土等工序作业于一体，功效高、操作简便、行走定位方便，对于隧道机械化施工的推进、隧道施工成本的降低、隧道施工质量的提升工作有较大的推进作用。

二、多臂凿岩作业车研发制造

多臂凿岩作业车主要构造分为行走车、作业台架、钻臂、立架系统、喷砼系统等。

１．行走车：行走车采用轮式行走系统，配备定位液压支撑系统，行走方便快捷，定位稳固。

２．作业台架：作业台架采用型钢制作，按照隧道断面设计，分为拱部、上边墙、下边墙三级作业台架，中部预留车辆通道，内部设置风、水管道，电力系统按照动力、照明分区设置，台架功能齐全，安全性较高。

３．钻臂：钻臂主要有单臂、机架、轨道、凿岩机、控制系统等组成。

单臂：根据隧道施工工况及台架几何尺寸决定其臂的节数及单节长度，台架上臂尾端具有使臂水平面及铅垂面旋转的两个关节（同吊车臂结构及工作方式），高速公路隧道一般设置钻臂１１台。

机架：安装在单臂的前支座上，另单臂及前支座具有使机架沿水平面及铅垂面旋转的两个关节，同时机架两端安装有可同步翻转的凿岩机轨道导向小车。

轨道式步进自动凿岩机之轨道：安装在机架的两导向小车上，相对机架，其可前后移动；轨道与凿岩机对应一侧均布有椭圆孔，步进自动凿岩机在轨道上步进进退。

步进自动凿岩机：由Ｙ２９凿岩机、气腿、凿岩机支座及气腿支座组成。支座在轨道上滑移，凿岩机支座安装有Ｙ２９凿岩机及锁止机构；气腿支座安装有气腿支腿及锁止机构。

控制系统：由水气液电控阀（或开关）、智能控制系统、遥控装置组成。

单臂轨道式步进自动凿岩机，依��Ｙ２９凿岩机低成本、轻质量移植三臂凿岩台车的单臂结构入开挖台车中，按人工钻爆方式群钻式布置，同时将Ｙ２９凿岩机遥控操控，一人可同时操控三、四台凿岩机。

４．立架系统：立架系统由卷扬机、组装平台、顶升定位系统组成。

５．喷砼系统：喷砼系统由滑模系统、混凝土喷射机组成。滑模系统由滑模轨道、行走小车、滑模板组成，轨道按照隧道断面圆弧设置，滑模板有效宽度按照３０ｃｍ弧形设置。

三、多臂凿岩作业车施工技术要点

多臂凿岩作业车主要应用在隧道钻孔、立架、喷射混凝土三大施工工序中，下面从这三大工序中进行分别介绍：

１．钻孔

（１）施工准备

多臂凿岩作业车在钻孔作业前，工作人员应结合实际编制爆破施工方案，方案需明确炮眼布置、炮眼深度、掏槽眼形式及角度等爆破参数。施工前，平整掌子面作业车作业场地，并进行测量放样。测量放样主要工作为：开挖线周边眼定位放样、隧道中线放样等工作，隧道中线放样点为作业车定位提供定位依据。

（２）作业车定位

多臂凿岩作业车按照隧道中线放样点就位。首先作业车行至作业面，停滞方向大致与隧道中线平行；其次升降作业车液压支腿，固定台架有效支撑；再次横移操作平台，前后端部与隧中重合，用锁定装置锁定。

（３）钻孔

通过操作手柄操作钻臂就位，按照测量放样炮眼位置就位钻机起点，钻机调至与线路平行、纵向平行档位，启动钻机开始钻孔，通过机架液压及钻机气腿向前持续钻孔。钻机布设原则：拱部三台，上边墙左右各两台，下边墙左右各两台，共计１１台。操作人员共计５人，拱部１人，上下边墙各两人。

２．立架

首先将钢架运输至作业台架后方，在下部将钢架按照交底进行拼装并检查钢架拼装质量。其次通过台架卷扬机将钢架吊至台架拼装平台，中线对中，焊接连接筋。最后钢架作业平台顶升就位，打设锁脚锚杆固定钢架，钢架平台恢复归位。

３．喷砼

喷射机电风水安装完毕后即可进行喷射混凝土工作。混凝土运输车将混凝土运输至台架下方，供应混凝土。通过固定于滑道上的喷射头施作初支混凝土。滑模模板随相应喷射速度沿滑道移动直至全环完成喷射混凝土。喷射机采用大功率，设置喷射机两台，分在两侧由下至上喷砼。

四、多臂凿岩作业车施工中需要注意的问题

多臂凿岩作业车操作便捷，施工质量高，施工过程应注意以下问题：

（１）台车周边眼钻孔必须平行于隧道中线，要求作业车中线必须与隧中放样点重合；（２）为减少钻爆外插角超挖情况，周边眼钻孔时钻臂必须调至平行档位；（３）立架平台应严格按照隧道断面设计就位于相应位置，提升立架质量；（４）喷射混凝土滑道应与隧道断面相同；（５）喷射机应结合滑模板尺寸、喷砼厚度、速凝剂掺量、混凝土性能等综合考虑配置。

五、多臂凿岩作业车隧道施工作业的优势

传统钻爆法隧道掘进施工耗费人力较多，施工质量主要取决于作业人员专业素质，施工环境较差，作为目前较先进的三臂凿岩机，成本较高、施工效率较低、可施工工序较少，而采用多臂凿岩台车可完成除隧道出渣以外的所有开挖支护工序，且弥补了人工钻爆法及三臂凿岩台车的缺点，具有以下决定性优势：

１．便捷性。台车采用轮式行走装置，对施工作业场地的路面要求不高，进出容易；采用的液压支撑定位系统，左右横移方便快捷；配备钻孔控制手柄，钻孔操作简便；立架采用固定装置，仅需控制按键定位即可；喷射混凝土可实现环向、纵向移动，仅需按需求操作按键即可。

２．高效性：首先是钻孔方面：钻臂设置液压及钻机气压结构，单孔钻进速度较快；每台钻臂均为独立结构，可随断面要求配置相应数量的钻臂，可实现群钻。每循环钻孔时间可大大缩短。

其次是立架方面：钢架可在下部组装，不占用安装时间；组装好的钢架可一次性吊至上部安装平台定位，在平台上施做连接筋等初支部件，组装成型的钢架整体通过安装平台液压系统就位于设计位置，效率较高。

再次是喷砼方面：可随要求配置相应型号的喷射机，可配置２或４台喷射机同时工作，喷射机固定于台架上，风水电等系统无需复接，效率较高。

３．高质性：多臂凿岩作业车较传统施工方法施做质量较高，主要体现在以下三个方面：

（１）钻孔质量高：特别是周边眼钻孔，钻臂具有横纵向平行档位，可实现周边眼钻孔与隧道平行；钻机轨道与凿岩机对应一侧均布有椭圆，可实现钻机下压而使钻杆呈弧形水平钻孔，缩小周边眼钻孔外插角。

（２）立架质量高：组装平台施工纵向连接筋，便于操作，焊接角度较好；组装平台可随初支参数设置定位胎膜，钢架间距得到有效控制；钢架采用液压系统统一定位安装，整体超欠挖得到有效控制。

（３）喷砼质量高：喷射混凝土采用模喷技术，保护层厚度、平整度等质量得到有效控制。

４．通用性：台架门架通车方便，左右、上下可随隧道断面增减作业平台；钻臂采用固定结构，安装拆卸方便；钻机采用建筑市场通用Ｙ２８、Ｙ２９钻机，采购便捷。

５．经济性：多臂凿岩作业车在隧道掘进中应用的经济性主要体现在台车成本、施工成本、维修保养成本、减少建筑材料超耗等四个方面：

（１）台车成本：台车采用型钢、钢筋、钢管等常见建筑材料制作，成本较低；（２）施工成本：钻孔、立架、喷砼作业仅需设备操作员，作业人员劳动强度低；一人可同时操作３－４台钻机，节省作业人员；立架工作仅需拼装定位工人，节省作业人员；（３）维修保养成本：钻孔设备为普通凿岩机，钻杆、钻机更换费用低；（４）减少建筑材料超耗：钻孔技术提升，可大大减少超挖，从而减少喷射混凝土超耗；模喷技术的采用可以消除喷射混凝土回弹料，可节约喷射混凝土用量至少３０％。

六、结语

现如今，隧道施工机械化施工已成为建筑行业的趋势，解放传统施工作业的人力已势在必行。全自动自适应多臂凿岩及初支作业车在隧道建设中，提供了一种基于传统与现代设备相结合的作业方式，具有能够有效提高施工质量、加快施工速度、减少材料超耗等优势，可在山岭隧道掘进工程中进行推广。