三臂凿岩台车在石羊山隧道施工中的应用
０ 引言
液压凿岩台车最早出现在１９７０年，由法国蒙特贝公司研制用于矿山开产钻孔，该设备的问世在采矿业掀起了一股热潮，被视为一场根本性的革命，彻底改变了传统的人工手持风动钻机的工效和性能，在施工安全和效率方面凸显出绝对优势。到２１世纪，液压凿岩台车得到了不断创新与发展，出现了各种型号，各种类型的产品，不但在性能上有很大提升，更在材质、外形及环保等诸多方面得到了突飞猛进的改善与发展，能更广泛的适用各行业需求。在我国，液压凿岩台车的发展要滞后国外１０年左右，与国外先进的技术相比，国内液压凿岩台车发展较慢，处于仿制、集成创新或引进技术的阶段，技术性能总体较以前有很大提升，但形成稳定的产品较少。
随着我国经济的发展，国家对基础设施投入不断增加，对一线作业工人施工环境及安全标准也在不断提高。液压凿岩台车在隧道钻爆法施工中，对改善工人作业环境，减少作业人数，提高作业安全性等方面相对传统的人工手持风钻开挖有着显著的优势，是一种值得广泛的推广的施工工艺。
１ 工程概况
石羊山隧道是广东中山至阳春高速公路开平至阳春段重点性控制工程，地处广东江门市境内，隧道左右线测设距离为２８～３８ｍ，为分离式隧道，隧道总体轴线方向约２８２°～２９２°，左线隧道起讫桩号ＺＫ３６＋６２０－ＺＫ３９＋４５０，总长２８３０ｍ，隧道最大埋深约２９２ｍ；右线隧道起讫桩号ＹＫ３６＋６１０－ＹＫ３９＋４６５，总长２８５５ｍ，隧道最大埋深约２８５ｍ。
石羊山隧道根据岩性、埋藏深度及风化程度等特征，洞身围岩划分为Ⅲ～Ⅴ级，其中砂岩区域Ⅳ级围岩层面节理裂隙发育，结合差，岩体较破碎，呈镶嵌碎裂状结构，围岩较差，开挖无支护时顶板易掉块；隧道以Ⅲ级围岩为主，大部分为微风化花岗岩，粗粒花岗结构，块状构造，岩质新鲜、较坚硬，岩体较完整，自稳能力较好，石羊山隧道围岩分级如表１所示。
结合围岩特性、围岩类型情况等地质状况，石羊山隧道Ⅲ级、Ⅳ级硬岩合计占比高达９４.２％，开挖断面约为１４２ｍ²。液压凿岩台车在围岩好、岩质硬、开挖断面大的中、长隧道能发挥较高工效，可根据开挖断面配置２～４个钻臂，通过对石羊山隧道施工环境论证分析，现场采用２台安百拓ＢｏｏｍｅｒＸＬ３Ｄ三臂凿岩台车用于隧道钻爆孔开挖施工。
２ 三臂凿岩台车技术参数及人员配置
２．１ 三臂凿岩台车技术参数
ＢｏｏｍｅｒＸＬ３Ｄ是阿特拉斯旗下子公司安百拓生产的一款技术性能较为先进液压三臂凿岩台车，主要由底盘、钻臂、推进梁、凿岩机、先导液压控制系统、电气系统等部分组成，车身全长１７ｍ，宽度２.９５ｍ，高度３.７ｍ，总重４２ｔ。台车采用先导液压控制方式，配有３条ＢＵＴ３５型钻臂，可延伸宽度１５.６ｍ，高度１２.７ｍ，最大作业覆盖面积１８０ｍ²，三臂凿岩台车外形尺寸如图１所示。
２．２ 三臂凿岩台人员配置
通过采用三臂凿岩台车代替人工手持风动凿岩机钻孔施工，配备３个设备操作手代替２０名人工风钻工，很大程度减少开挖时掌子面的作业人员。
２．３ 三臂凿岩台车水、电配置
三臂凿岩台车行走采用自带柴油内燃机工作，钻进系统采用电力驱动。每台钻臂钻进功率电机功率为５５ｋＷ，配套空压机５.５ｋＷ，水泵１１.５ｋＷ，总功率合计１８２ｋＷ。台车供电采用１０ｋＶ高压进洞，洞内配置１台专用５００ｋＷＡ变压器，并随着隧道进程不断前移。凿岩台车钻进供水在洞外设置专门水箱，并经过多级沉淀、过滤，保证供水清洁，无较大杂质，三臂同时作业供水量不小于１６ｍ³／ｈ。
３ 三臂凿岩台车施工工艺
３．１ 作业工艺步骤
根据石羊山隧道围岩情况，因进口隧道围岩状况较差，属强风化花岗岩，采用人工开挖，台阶法施工。到稳定Ⅲ级围岩及以上采用三臂凿岩台车施工，分上、下两台阶，上台阶开挖断面约为１０４ｍ²，下台阶开挖断面面积约３８ｍ²。考虑掌子面拱架拼装台架停放和两台阶法仰拱安全步距设计要求，下台阶剩余平台距离无法满足单台三臂凿岩台车架设需要，故下台阶及仰拱仍需人工开挖。三臂凿岩台车作业工艺流程如图２所示。
３．１．１ 测量放样
石羊山隧道掌子面宽度为１７.８ｍ，拱顶至拱底高度为９.６ｍ（含下台阶２.１ｍ），掌子面开挖前，采用全站仪准确的放出隧道中线、底板标高、拱顶标高、拱墙分界线以及开挖轮廓线，并对上一循环的开挖断面进行复核，对开挖效果进行综合评价，标识超欠挖情况，指导后期进行超欠挖处理，现场爆破孔布置如图３所示。
３．１．２ 台车就位
初支工序完成后，挖掘机清理底渣并对掌子面进行二次排险，将设备供水、供电延伸至作业面，三臂凿岩台车就位，做好钻孔前准备工作。
３．１．３ 钻孔
１）钻爆参数设计
在隧道开挖施工中，要取得好的爆破效果，就需合理优化整个爆破面的钻爆参数，使布置的每个钻爆孔都能最大限度的发挥其作用。石羊山隧道Ⅲ级围岩以微风化花岗岩为主，自稳能力较好，采用两台阶法进行钻孔爆破。针对三臂凿岩台车施工进行钻爆设计，采用楔形掏槽，并在实际施工中不断对周边眼的间距、装药量、掏槽眼的角度、最小抵抗线等进行优化设计，实现最大进尺４.１ｍ／循环，平均进尺３.７ｍ／循环，Ⅲ级围岩台阶法钻爆参数如表２所示。炮眼直径ｄ＝４５ｍｍ；炮眼深度Ｌ＝４.５（平均钻孔深度）；每循环总炸药量Ｑ＝ｑＳＬη＝１.１２×１０１×４.５×０.８５＝４３２.６８ｋｇ其中，ｑ为单位炸药消耗量，Ｓ为断面积，Ｌ为炮眼平均深度，η为炮眼利用率；最小抵抗线Ｗｍｉｎ＝（１０～２０ｄ）＝４５０～９００ｍｍ，根据现场多次试爆后取７００ｍｍ；周边眼孔距ａ按经验公式确定，即ａ＝（０.６～０.９）Ｗｍｉｎ＝（０.６～０.９）×７００＝４２０～６３０ｍｍ，取ａ＝６００ｍｍ。
２）钻孔
隧道爆破循环进尺取决于掏槽眼是否成功，也就是掏槽是否能形成良好的空腔面，尤其是对坚硬难爆破岩石，必须掌握掏槽关键技术，才能实现成功的爆破。掏槽眼采用楔形水平钻孔，操作手根据炮眼布置图进行掏槽眼定位施钻，掏槽眼施工尽量使左右两侧的炮眼沿中心线对称布置，对成孔后的掏槽眼和周边眼间距偏差应≤５ｃｍ。
辅助眼作用是进一步扩大掏槽眼爆破形成自由面，让周边眼能充分爆破并控制好隧道尺寸，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。
使爆破断面、形状和方向符合设计要求，周边眼间应均匀布置，间距基本一致，这样可以达到更好的光爆效果，对于局部划层或强风化岩层时，周边间距可适当增大，对于局部破碎围岩处，尽量避免在其正中位置打眼，容易造成超挖。可在其周围打眼，利用周围围岩扰动破坏碎石层，可减少超挖。
为防止施工时顶部围岩掉落掩盖底板，先施工底板眼，完成底板眼后用纸片、橡胶管堵塞，防止石屑掉入。
３．１．４ 装药、爆破
药装前先将孔内石渣和残留水清理干净，石羊山隧道三臂凿岩台车开挖采用的钻头直径为４５ｍｍ，炸药采用长２５ｃｍ，直径３２ｍｍ乳化炸药，利用７ｍｓ雷管导爆管，并使用导爆索辅助爆破。
３．１．５ 通风
爆破完成后开动通风机通风，根据隧道开挖长度计算通风时间，待达到通风时间满足要求后，方能允许作业人员进入洞内。
３．１．６ 排险、出渣
作业人员进入施工现场后，洒水湿润岩面，确保岩面无松动岩块，渣土运输车辆进入洞内出渣，并开展现场初期支护。
３．２ 施工注意事项
石羊山隧道洞内围岩变化较大，环境复杂，施工中尽量规避各种施工安全风险，而且必须做好配套水、电保障，这样才能最大程度发挥设备的工效，在施工中，应注意以下工作。
１）加强对台车操作人员的培训教育，提高识别围岩状况的能力，在岩层较差区域施工要加强戒备，施钻时注意观察，减少进尺，避免发生坍塌安全事故。
２）围岩等级情况不好时，钻孔操作时要钻臂要集中在一横断面施工，避免上下同时钻孔，导致上方钻臂扰动石块滑落砸中下方钻臂，造成设备损伤。
３）三臂凿岩台车作业时对供水量及水质要求较高，施工必须保证充足而且清洁的水源，含泥量大、杂质多的水质易堵塞设备过滤器系统。
４）三臂凿岩台车施工时采用电力驱动，功率较大，随着隧道施工进程加长，电力输入线路越来越远，压降过大易导致不平衡负载造成设备电子原件损坏，所以设备供电必须严格保证。
４ 三臂凿岩台车施工技术应用效果
４．１ 功效方面
三臂凿岩台车能实现三臂同时钻孔作业，可大大缩短钻孔时间，比起人工风动凿岩机工作效率可提高６０％以上，每循环施工时间比人工钻孔节省４０％以上，以石羊山隧道Ⅲ级围岩两台阶法施工为例，单循环进尺３.７ｍ，单个孔钻进所用时间约为１.６ｍｉｎ，每循环钻孔时间约为２.１ｈ，工作效率明显提高。
４．２ 成孔质量方面
成孔质量主要体现在超欠挖钻孔效果，凿岩台车的钻杆固定后，钻杆可按水平或固定倾角推进，提高了钻孔精度、减少超挖量，可实现平均超欠挖≤８ｃｍ，有效减少超欠挖处理时间。通过计算平均超挖数值，三臂凿岩台车施工质量明显比人工开挖要好，台车钻孔与人工钻孔开挖超挖对比如表３所示，台车开挖爆破效果如图４所示。
４．３ 施工安全方面
石羊山隧道三臂凿岩台车钻孔与人工钻爆法相比，可减少掌子面作业人员１７人以上，且操作人员距离掌子面至有足够的安全距离，操作平台上设置有防护顶棚，大幅提高了作业人员的安全系数。
４．４ 职业健康方面
三臂凿岩台车凿岩系统由电力驱动，并采用了闭式油路系统，无需高压风，从而减少对隧道内空气的污染；另外由于单台三臂凿岩台车钻孔只需３个凿岩机，而人工钻爆要１６～２０台风钻机，施工过程中三臂凿岩台车产生的噪声要远远比人工手持风钻小，从而减小对一线作业人员的听力影响。
４．５ 经济性方面
三臂凿岩台车购置费用大，平均摊销折旧成本高，而且操作人员工资水平和维保成本也相对较高，致使设备整体使用费用较高。经实际统计分析，以三臂凿岩台车钻孔（每循环进尺３.７ｍ）和人工钻孔双线公路隧道Ⅲ级围岩（单工作面）作业统计分析，凿岩台车“人＋材＋机”三项费用为１１８３４元，人工手持风动凿岩机三项费用为１０２８６元，每米采用三臂凿岩台车钻孔比人工钻孔费用高了１５４８元。不过由于隧道围岩情况不一样，核算过程不同，会存在一定的差别，但整体情况在现阶段使用凿岩台车费用比人工费用要高。
５ 结语
从三臂凿岩台车在石羊山的应用效果来看，有着与传统的手持风动凿岩机钻孔无可比拟的优势，随着国产化设备日趋成熟稳定，机械化施工的未来发展趋势，必将得到大力推广与应用。
１）通过石羊山隧道三臂凿岩台车应用，可以看出凿岩台车为一线作业人员创造良好的施工环境，简化了施工工序，而且显著提高了施工进度，保证了施工安全和质量。
２）三臂凿岩台车目前一次性投资大，使用过程中维修保养成本也较高，在围岩好、岩质硬、开挖面大的中、长隧道中应用具有较大优势。
３）三臂凿岩台车钻头最小直径为４５ｍｍ，现较常用２号岩石乳化炸药标准药卷直径为３２ｍｍ，装药不偶合系数为１.４；而手持风钻钻头直径为３８ｍｍ，装药不偶合系数则为１.２。对石羊山隧道同级围岩开挖断面采用两种不同钻孔方式装药耗量统计，同样进尺三臂凿岩台车钻孔药耗量使用多了２５％左右，这也一定程度上影响了施工分包商使用三臂凿岩台车的积极性，虽然现场可以采用夹竹片扩大填充直径及水袋堵孔的方式增加爆破效率，但积极沟通专业炸药制造厂家生产配套直径炸药才是解决该问题最佳途径。