新型三臂凿岩台车在特长山岭隧道开挖中的应用
１ 概述
公路及铁路隧道施工地质环境大多为岩层，岩体掘进技术至关重要。以钻爆法为代表的掩体掘进技术在山岭隧道开挖中得到了广泛应用。钻爆法主要分为人工和凿岩机施工两种。目前为止我国仍有一部分隧道工程仍采用气动凿岩机钻孔等人工法施工，施工风险性较大同时一定程度上延长了隧道的建设周期。对于特长山岭隧道建设而言，凿岩台车已逐渐成为钻爆法必备的工程装备。我国在２０世纪７０年代开始引进国外凿岩台车用于隧道施工，自２０００年由长沙山河智能公司首次报道研发出凿岩台车至今２０年间，我国凿岩台车产品得到了快速的发展，初步统计国内已有十余家企业具备生产凿岩台车的能力。目前对凿岩台车施工工艺研究正在逐步深入，臧万军依托雅泸高速公路大相岭隧道工程，研究了凿岩台车在Ⅲ级～Ⅴ级围岩中的施工工艺及工程效果，同时从各方面与传统风动凿岩机进行了对比分析，阐明了凿岩台车在特长山岭隧道施工中的优势。吴连雄等结合广州萝峰隧道工程对凿岩台车和手持风动凿岩机的优缺点做了较系统的总结，并给出了两种施工方法的使用范围。金明等结合郑万高铁小三峡隧道工程指出施工数据显示凿岩台车平均线性超挖较风钻钻爆大，这一点与理论分析相反，可通过加强管理来优化。
目前有关凿岩台车在软岩和硬岩两类地质条件中的应用研究正在逐步深入，目的就是让机械化施工装备更充分地发挥其优势。本文依托实际工程从适用性、安全性、环保性和经济性等多角度全面分析凿岩台车在特长隧道施工中的优势。
２ 新型三臂凿岩台车施工
２．１ 工程概况
伏牛山特长公路隧道位于栾川县庙子镇附近，地属伏牛山系，横跨黄河长江分水岭。海拔高程在８５０ｍ～１５００ｍ，山势陡峭，河谷纵横，进口交通条件较差，出口交通条件较好。伏牛山隧道左线起讫桩号ＺＫ８２＋４０８～Ｋ９１＋５６９，全长９１６１ｍ，右线起讫桩号Ｋ８２＋３６３～Ｋ９１＋５４６，全长９１８３ｍ，围岩主要以Ⅲ级微风化花岗岩为主。该工程工期较紧，同时施工难度大，是整条公路的关键线路之一。
伏牛山隧道按照新奥法原理施工，对于Ⅳ级，Ⅴ级围岩采用台阶法开挖，Ⅲ级围岩采用全断面开挖法施工。伏牛山隧道出口工区全长４８２６ｍ，前期围岩状况较差为强风化花岗岩，该部分采用人工开挖。中后期大部围岩以Ⅲ级微风化花岗岩为主，采用全断面方法进行开挖，引入三臂凿岩台车施工。
２．２ ＴＺ３Ａ型台车技术参数
伏牛山隧道项目出口段采用徐工集团自主研发的新型三臂凿岩台车ＴＺ３Ａ（见图１），共引入该型号台车３台，左右线隧道各一台，备用一台。表１给出了ＴＺ３Ａ型凿岩台车的详细参数。
２．３ 施工工艺及控制要点
根据新奥法施工的基本原理，本工程引进了徐工研制的ＴＺ３Ａ（２００ｋＷ）三臂凿岩台车进行隧道开挖作业。采用全断面开挖法施工，基于光面爆破技术将隧道断面一次成型。根据施工过程中地质条件的变化，及时调整爆破参数，使得三臂凿岩台车发挥最大工效，提高光面爆破的作业质量和作业效率。
三臂凿岩台车施工工艺流程如图２所示。
１）台车就位。
Ⅲ级围岩中隧道采用全断面开挖，断面面积为１００ｍ²，台车在隧道中线位置即可。
２）测量放线。
图３给出了全断面开挖的炮眼布置情况。采用全站仪进行测量放线，测量前视人员利用凿岩台车中间的云梯台架，用红油漆画出周边眼孔位。测量按照轮廓线程序将开挖的周边眼孔位画出，整体孔位应呈一条圆滑的弧线，同时将边墙２ｍ高的拱部和边墙分界点（曲墙应画出起拱点、边墙弧度分界点）画出。辅助眼施工时需在放样周边眼过程中利用固尺画出周边眼轮廓线，炮眼间距４５ｃｍ。为控制周边眼钻进角度和坡度两个重点方面，应由掌子面向后方画出５条坡度控制线中心线１条、拱肩和边墙的坡度线４条（拱肩２条—起拱线标高／坑底标高＋２ｍ、边墙２条／边墙高度２ｍ），同时在下方放出中心位置。掌子面的掏槽眼、扩大眼、抬炮眼等由现场技术员在台车定位后，根据测量放置的中心线和高度严格布孔，布孔必须标准，严禁未布孔开钻施工。超欠挖应在每一循环进行测量，并在岩面标出超欠挖值。由测量人员在掌子面后方１ｍ处放置里程线，并在开挖岩面环向画出一条里程线，以便凿岩台车操作手参照控制钻孔钻进的深度。
３）台车钻眼。
台车就位后，按照底板眼、周边眼、辅助眼、掏槽眼的顺序施工。
ａ．底板眼施工。为了防止钻眼时顶部围岩掉落至底板，因此首先进行底板眼施工，底板眼施工结束后用橡胶管堵塞，防止碎石掉入。
ｂ．周边眼施工。根据测量放线位置设置施工周边眼，调整机械臂靠近隧道侧壁岩层，调节推进器使之与隧道中线平行以避免钻杆外插角度过大产生的超挖现象。对于围岩状况较差的地层，钻杆钻眼过程中极易偏离原有方向造成较严重的超挖现象，因此要严格控制钻孔速率。为控制周边眼的钻进角度和坡度，现场采用的具体做法是由掌子面向后方画出５条坡度控制线中心线１条、拱肩和边墙的坡度线４条（拱肩２条—起拱线标高／坑底标高＋２ｍ、边墙２条／边墙高度２ｍ），同时在下方放出中心位置。
ｃ．辅助眼施工。辅助眼以隧道中线为轴对称布置，围绕掏槽眼向四周均匀扩散，传递并扩大爆破效果。
ｄ．掏槽眼施工。掏槽眼间距为４５ｃｍ，采用楔形水平钻孔，操作手根据炮眼布置图进行掏槽眼定位。两个臂同时开钻，相互配合，控制好钻眼角度和深度，钻眼位置基本对称，符合爆破设计。
３ 新型三臂凿岩台车开挖过程中优势分析
３．１ 适用范围对比
三臂凿岩台车适用于特大公路及铁路隧道的Ⅲ级、Ⅳ级及部分Ⅴ级围岩地层，开挖断面不宜过小，适用于９０ｍ²～１３０ｍ²的隧道断面开挖。人工风钻开挖由于不受设备体积的制约，几乎适用于任何可进行钻爆法施工的围岩。
３．２ 施工质量对比
凿岩台车的钻杆一旦定位后，钻杆即可按照固定的角度推进，这与人工控制钻杆推进相比，可明显提高钻孔质量从而减少超挖量。图４为三臂凿岩台车的光面爆破效果，表２给出了台车施工及人工开挖的超挖量数据，可以看出三臂凿岩台车开挖成型明显优于人工开挖。
３．３ 施工工效对比
伏牛山隧道出口以Ⅲ级微风化花岗岩为主，凿岩台车平均每循环进尺为４ｍ，平均每月掘进１８８ｍ。人工钻爆法平均每循环掘进１５９ｍ。
图５对比了凿岩台车与人工开挖在各工序环节所需时间，可以看出Ⅲ级围岩凿岩台车钻爆工序的平均时间为１４.９ｈ，单月循环次数为４７次；人工钻爆法工序的平均时间为１５.３ｈ，单月循环次数为５３次。凿岩台车钻爆的优势在于前期开挖钻爆的时间较短，较人工钻爆法缩短了１ｈ；出渣、锚网和喷浆工序时间比人工钻爆法略长，主要原因是台车开挖的进尺比人工法开挖进尺多１ｍ。
３．４ 班组人员配置对比
表３为台车和人工钻爆人员配置对比情况。可以看出使用凿岩台车及风钻钻爆施工，均按２班工作制。凿岩台车除配置操作机手外，还需配置专职维修保养人员。风钻钻爆法施工时无需配置专职维修人员。凿岩台车施工相较人工钻爆，人员减少了７５％。另外从两种施工作业人员的年龄结构来看，台车作业人员更加年轻化，且文化程度较高，一般为高职中专以上。
３．５ 安全性对比
传统人工钻爆法开挖过程中人员较多，且距离掌子面较近，风动凿岩机噪声较大，施工过程中产生的灰尘较多导致工作空间的能见度低，施工风险较大，且发生事故时人员基本没有反应时间。三臂凿岩台车作业时工作人员可在距掌子面１０ｍ之外的位置操控大臂，且台车的驾驶室顶部具备防坠物坠落冲击的防护作用，极大提高了作业的安全性。
３．６ 环保性对比
凿岩台车在作业过程中不会像风动凿岩机那样带来水雾、油雾和灰尘，另外凿岩台车的噪声较低，可极大改善工作面的空气质量。
３．７ 综合成本对比
表４给出了凿岩台车与人工开挖的综合成本对比，可以看出折算为每立方米成本，凿岩台车开挖比人工开挖总成本每立方米减少０.８２元。凿岩台车在人工成本控制上优势明显，比人工开挖减少８.６１元，且台车开挖单循环进尺比人工开挖多１ｍ，极大提高了施工效率。另外台车开挖电耗成本比人工开挖每立方米减少４.２６元，这也说明台车开挖的节能优势明显。而在耗材成本上台车开挖则要比人工开挖高３.５元。
４ 结论与建议
三臂凿岩台车在伏牛山隧道工程的分析表明，三臂凿岩台车在全断面开挖工法中，其安全性、环保性和高进尺方面较传统人工开挖优势明显。在经济性方面，由于单位成本优势不明显，因此只有在特长隧道工程中才会有较可观的成本节约。凿岩台车的前期准备保障工作较复杂，对操控、维修和管理人员的要求较高，直接影响到台车是否能够保持高效率运转。综合分析各因素，凿岩台车在特长隧道全断面开挖中优势较明显，随着工程经验的积累，凿岩台车施工技术必将是以后隧道工程施工的方向之一。