全电脑三臂凿岩台车、智能拱锚一体化台车在特长公路隧道中的应用
１ 工程概况及设备应用情况
１．１ 工程概况
白鹤滩隧道为一座上下行分离的四车道高速公路特长隧道，沿江穿越金沙江左岸山体，全长６７１４.５６５ｍ，净空１１.０ｍ×５.０ｍ。隧道出口端位于滑坡地段，地表覆盖第四系残坡积碎石，洞身段穿越二叠系中统峨眉山玄武岩。洞口开挖易引发滑坡失稳，采用抗滑桩处置后方可进洞，洞口段开挖采用ＣＤ法施工，洞身段采用台阶法施工。
１．２ 应用背景
（１）工期原因。白鹤滩隧道受地理位置影响，只能两端掘进，单端施工长度为３３５７ｍ，由于红线土地交付滞后，洞口段施工进度缓慢，无法增加新开挖工作面，进度压力大。
（２）地质条件原因。洞身段穿越二叠系中统峨眉山玄武岩地层，现场取样进行岩石力学试验结果显示，岩石单轴抗压强度最大达１１５.４ＭＰａ，人工钻孔困难，钻进速度慢，增加工序时间及人工费。
（３）安全方面原因。采用全人工开挖需配置１１～１５名工人打钻，但地勘报告显示洞身段岩体完整性差，开挖后局部围岩无自稳能力，打钻时风险高，安全管理压力大。
（４）品牌竞争原因。随着隧道建设的智能化、智慧化发展，机械化施工将成为未来隧道施工的主流方向。全电脑三臂凿岩台车是目前国产钻爆法隧道机械化施工的新设备，处于国内领先水平；智能拱锚一体化台车是集拱架台车、锚杆台车于一体的多功能、多用途的新型隧道机械化施工设备。两者的使用将大幅提升隧道施工的机械化水平，促进专业技术人才队伍的培养，有利于形成机械化施工企业定额，增强企业的发展潜力和核心竞争力。
１．３ 设备参数及使用情况
通过市场调研及实地考察，该工程决定引进一台全电脑三臂凿岩台车、两台智能拱锚一体化台车用于隧道开挖及支护施工。
（１）全电脑三臂凿岩台车。ＺＹＳ１１３全电脑三臂凿岩台车由中国铁建重工集团股份有限公司生产制造，自动化程度高，功能完备，整机重量为５２ｔ，整机尺寸为１７.６ｍ×２.９ｍ×３.６ｍ，电装机总功率为３２５ｋＷ，凿岩机型号为３×ＨＣ１１０，冲击功率为３１.９ｋＷ，最大钻孔深度为５.２５ｍ，钻头直径为４５ｍｍ；设备工作范围为１１.３ｍ×１６ｍ。
（２）智能拱锚一体化台车。ＧＭ１３３智能拱锚一体化台车由中国铁建重工集团股份有限公司生产制造，集立拱、锚杆孔施工功能于一体，整机重量为４５.５ｔ，整机尺寸为１６ｍ×２.７ｍ×３.５ｍ，电装机总功率为６３ｋＷ，主臂最大举升重量为１.５ｔ，辅臂最大举升重量为０.７ｔ，最大安装高度为１３ｍ；配置凿岩机一台，冲击功率为１８.５ｋＷ，最大钻孔深度为４ｍ，钻头直径为４５ｍｍ。
ＬＧＭ３１２Ｈ智能拱锚一体化台车由四川蓝海智能装备制造有限公司生产制造，是集拱架安装、欠挖处理、锚杆安装、横筋网片安装等多功能、多用途的���型隧道机械化施工设备，整机重量为４０ｔ，整机尺寸为１０.８８ｍ×３.４ｍ×３.８ｍ，电装机总功率为７５ｋＷ＋７５ｋＷ，主臂最大举升重量为３ｔ，辅臂最大举升重量为１.５ｔ，最大安装高度为１２ｍ；配置凿岩机两台，冲击功率为１８ｋＷ，最大钻孔深度为４.５ｍ，钻头直径为４５ｍｍ。
２ 配套施工技术及使用分析
２．１ 开挖施工及功效分析
ＺＹＳ１１３全电脑三臂凿岩台车可实现智能精确定位，快速钻孔。与人工钻孔开挖相比，机械钻孔开挖有如下两点优势：①凿岩台车自带测量定位系统，定位精准，不需要人工测量放线，节约时间。②凿岩车自带空压机，不需要接高压风管，减少工序流程。缺点是只有当凿岩台车钻孔完成退出后，装药台车才能就位，增加了工序衔接时间。
全电脑三臂凿岩台车需配置３名操作手，负责操作设备日常维修保养。由于掌子面围岩性质不尽相同，凿岩机钻孔所用时间也并不相同。以白鹤滩隧道Ｚ４ｂ衬砌类型为例，设计炮孔深度为４.４ｍ，钻孔数量１５０孔，采用统计学对钻爆工序时间进行统计。具体而言，工作前准备时间约２０ｍｉｎ，钻孔工作时间约２１０ｍｉｎ，设备退场时间约１０ｍｉｎ，人工装药爆破时间约１５０ｍｉｎ，共历时３９０ｍｉｎ，开挖爆破单循环时间相比于人工增加１ｈ。
２．２ 立架施工
智能拱锚一体化台车用于预制拱架安装、锚杆施工、超前支护施工。ＬＧＭ３１２Ｈ智能拱锚一体化台车采用三臂三抓手三吊篮结构，搭载双锚杆系统，其中臂架采用全滑移结构，滑移行程为３.９ｍ，由三臂遥控控制；ＧＭ１３３智能拱锚一体化台车采用三臂三抓手两吊篮结构，搭载单锚杆系统。智能拱锚一体化台车钢架安装和人工钢架安装的区别如下：设备安装以３榀为一个单位，拱架在钢筋厂提前连接为整体，人工以１榀为一个单位；设备采用挖机配合吊放拱架，人工采用装载机配合端举拱架；单台设备即可完成锁脚、锚杆、超前支护施工，人工安装需要开挖班配合钻孔施工。
智能拱锚一体化台车单次拱架安装所需时间与开挖进尺、岩面平整程度、围岩地质条件、拱架加工精度、钢架型号大小有关，采用统计学对设备工作时间进行统计。以白鹤滩隧道Ｚ４ｂ衬砌类型为例，支护参数为Ⅰ１６工字钢钢架，间距为１ｍ，一个单元（３ｍ）重５００ｋｇ，工作前拱架摆放时间约２０ｍｉｎ，设备进场接电接水时间约１５ｍｉｎ，立架工作时间约７０ｍｉｎ，网片焊接时间约５０ｍｉｎ，锚杆施工时间约３０ｍｉｎ，设备退场时间约１０ｍｉｎ，共历时１９５ｍｉｎ。整体用时比人工立架节约３０ｍｉｎ。
３ 设备优缺点分析
３．１ 全电脑三臂凿岩台车
（１）优点分析。①钻孔速度快，打钻时安全风险低。以全断面为例，相同断面的炮孔数量一致，全电脑三臂凿岩台车单孔钻进最快速度可达３～５ｍ／ｍｉｎ，打钻效率与人工１５台凿岩机相当。②自动化测量，炮孔精确定位，节约工序时间。全电脑三臂凿岩台车自带测量系统，无须测量员放出开挖轮廓线，节约时长。③噪声小。属全封闭式驾驶室，施工时室内噪声低于７８ｄＢ，而人工打钻时，工人完全暴露于凿岩机噪声场中，不利于工人身心健康的发展。④扬尘少。设备打钻采用湿式钻孔，采用高压水流清孔，人工打钻采用高压风清孔，粉尘较大。⑤高度信息化。设备自动记录、存储钻孔日志，为后期进行隧道超欠挖分析提供理论依据。
（２）缺点分析。①对水电要求高。全电脑三臂凿岩台车总装机功率为３２５ｋＷ，洞内敷设了３×４００＋２×１８５国标铝芯线专用电缆，确保末端电压不低于４２０Ｖ，设备启动后３台钻机能同时正常高速钻孔；打钻时需水量不低于２０ｍ³／ｈ。同时对水质要求较高，滤网堵住后将造成钻渣无法排出而卡钻。②设备售价高、租金高。设备售价接近１０００万元，租金高，相比于人工性价比太低。③没有完全实现减人目标。设备打钻时人员大幅减少，但打钻后仍需至少８人进行装药。④工序时间加长。凿岩台车打钻完成退出后，人工装药仍需２.５ｈ，开挖爆破共需６.５ｈ，比人工增加１ｈ，且工序无法搭接。⑤洞内文明施工差。打钻时将产生大量泥浆，收集困难，清洗不便，白鹤滩隧道出口逆坡施工，单次打钻产生约６０ｍ³废水，外排至洞外会增加排水费用以及污水处置费用。⑥炸材消耗量大。全电脑三臂凿岩台车打钻成孔数量增多，孔径增大，装药不耦合系数大，用药量增大。炸药用量每延米增加２１.４ｋｇ，雷管每延米增加１１.４发。⑦设备耗材用量大。钻杆钻头属于易耗品，费用高，围岩破碎时卡钻导致用量更大，目前新设备耗材及维保费用约为７万元／月。⑧逆坡施工困难。逆坡施工，掌子面处于最低点，泥浆及钻渣、涌水汇集于底板孔，打底板孔时需要两人专门负责刨渣堵孔；掉落的钻渣约５０ｃｍ厚，装药前刨渣找孔困难，导致漏装或装药不到底，爆破后底板隆起、突出。⑨超挖较大。周边眼设计炮孔深度４.４ｍ，外插距离１０ｃｍ，由于机械臂粗大且长、岩面变化多端，实际外插角均大于设计值，以Ⅳ级围岩为例，成孔后终孔端外插距离平均约３０ｃｍ，平均超挖１５ｃｍ。⑩自动钻孔功能实用性差。全电脑三臂凿岩台车具备全自动找孔、打孔功能，但由于掌子面地质情况每班变化很大且不平整，设备按设计位置及角度找孔困难，摆臂定位时间长，钻孔时间增加１～１.５ｈ，经济性不高。
３．２ 智能拱锚一体化台车
（１）优点分析。①功能丰富。适用于钢拱架安装、锚杆安装、锚网安装、超前支护安装等施工作业。②抓手灵活，节约立架时间。该台车抓手自由度多，中臂抓举重量最大，在无欠挖状态下，与人工相比每班节约１ｈ。③安全风险低。钢架在钢筋厂已提前连接为整体，网片焊接完成，且操作人员位于钢架及网片形成的保护屏障下方，安全系数高。④欠挖处理。左右臂架欠挖处理锤，可以处理小批量的欠挖。
（２）缺点分析。①增加工字钢加工及运输成本。钢架需提前在钢筋厂加工连接为整体，相应地增加了钢材加工费用；单榀钢架采用装载机运输，整体钢架采用平板车运输，增加了钢架运输费用。②设备成本高，性价比较低。人工立架最多只需８人，立架成本约为８.５万元／月，设备立架仅设备租金就需花费１５万元／月。③对开挖断面要求较高。由于钢架３榀连接为一个整体，断面欠挖会导致钢架定位调整变得极为困难，耗时耗力，因此设备立架要求开挖断面不得有任何欠挖。④增加锚固剂用量。人工施工锚杆时，通常使用４０ｍｍ钻头；设备施工锚杆则采用４５ｍｍ钻头，成孔直径变大，成孔体积增加６０％，系统锚杆及锁脚锚杆的锚固剂用量相应增多。⑤每班节约的时间不明显。对于三榀Ⅰ１２工字钢钢架，智能拱锚一体化台车立架和人工立架均需要花费１.５ｈ；对于三榀Ⅰ１４－Ⅰ１８工字钢钢架，智能拱锚一体化台车立架相比于人工立架节约了１ｈ，但每月只能增加一个班的进尺，经济价值不大。⑥机械化没有实现减人目标。Ⅳ级围岩条件下，人工立架需６人；智能拱锚一体化台车立架需２人操作设备，４名工人配合。⑦网片焊接和锁脚不能同时施工。钢架完成螺栓对接形成整体并完成定位后，智能拱锚一体化台车需完成网片焊接，才能进行锁脚施工，导致工序时间增加约４０ｍｉｎ。
４ 设备使用成本分析
４．１ 全电脑三臂凿岩台车的使用成本
白鹤滩隧道以Ⅳ级围岩为主，费用以Ｚ４ｂ衬砌类型计算，机械每班循环时间按理想状态２２ｈ计，每月３３个班，每班进尺４.２ｍ，月进尺１３８.６ｍ；人工每班循环时间按理想状态２２ｈ计，每月３３个班，每班理想进尺３.７ｍ，月进尺１２���.１ｍ。雷管及炸药使用数量根据现场每班实际炸药及雷管使用数量确定，单价根据采购价确定，电费根据现场安装的专用电表确定，电缆费用根据摊销费用确定。相比于人工钻爆开挖，使用台车钻爆开挖可增加约为３１.７６元／ｍ³的成本。
４．２ 智能拱锚一体化台车的使用成本
以白鹤滩隧道Ⅳ级围岩Ｚ４ｂ衬砌类型计算，智能拱锚一体化台车和人工立架均按月、按米核算，立架进尺按开挖进尺核算，电费根据现场安装的专用电表核算每班用电量。相比于人工立架，使用设备立架后每延米增加成本约７６１.５７元。
５ 设备改进建议
（１）智能拱锚一体化台车属于高新设备，需要两名综合性较强的技能人才担任设备操作手，同时配置３～５名技术工人组成立架小班组，用以完成钢架支护、锚杆支护、超前支护的全部工作。此外，为了提高设备钻机功率，增大可钻孔深度，现有ＬＧＭ３１２Ｈ智能拱锚一体化台车可采用三臂两凿岩设计，并对拱锚设备进行改造优化，例如，设计臂架体型更小，利于完成车通等空间受限部位的钻爆施工，扩大其适用范围；充分利用并优化升级拱锚设备的锚杆系统钻孔功能，同步完成开挖钻孔和钢架安装，做到“拱、锚、钻”一体化，达到设备利用率最大化、投资最小化、效益最大化的目的，进而满足钻爆需求。
（２）全电脑三臂凿岩台车需要清洁水源才能保证钻孔作业的高效开展。不同施工地点的施工用水水源不尽相同，难以保障用水的绝对清洁。对此，设备可增加自动清洗滤芯功能，在滤芯内加装高压喷头或清洁刷，清除滤芯内部附着物，确保设备打钻时能正常供水。
６ 结语
目前全电脑三臂凿岩台车、智能拱锚一体化台车已趋于成熟，技术可行性较高，但存在购置价格高、维修费用昂贵、售后服务体系不健全和高水平操作人员少等问题，大范围推行会存在诸多困难。因此，为了更好地应对人口老龄化及钻孔人工成本增长问题，提升企业的核心竞争力和发展潜力，可通过建立试点项目，适量引入全电脑三臂凿岩台车、智能拱锚一体化台车进行施工，逐步培养为企业所用的青年一代设备操作手、维修工，建立相对稳定的隧道设备智能化、机械化核心技术工人队伍，为企业隧道机械化设备大规模使用积累人才和经验，做到有备而无患。