京沈客专三棱山隧道三臂凿岩台车应用研究分析
０ 引言
随着我国铁路、公路的大量兴建，隧道工程亦是蓬勃发展，在地形复杂山区和丘陵地带长大隧道兴建也是越来越多。传统的长大隧道施工常用钻爆法开挖掘进，目前常用方法为人工风枪钻直接成孔，装药爆破，存在掌子面作业人数多、作业环境差、安全风险大、钻进角度不易控制等缺点；三臂凿岩台车提高了施工机械化，其通过减少劳动力的投入，降低能源和资源的消耗，提高施工效率，能够保证经济效益提高和安全质量可靠。三臂凿岩台车隧道钻进已是在长大隧道施工中的发展趋势，其不但在加快开挖成洞的速度上优势明显，而且对于缩短循环作业时间、加快作业效率、提高钻爆精度减少超欠挖、节约初期支护成本有着非常积极的作用，因此研究三臂凿岩台车在长大隧道中的施工方法显得极为迫切和必要。
１ 工程概况
中国路桥承建京沈客专辽宁段ＴＪ－１标三棱山隧道位于辽宁省朝阳市、阜新市境内，隧道全长８８８８ｍ。隧道进口位于北票市马友营乡东台子村，与１０１国道相邻。隧道进口起始里程为ＤＫ４９３＋４１５，设计为纵坡为４.８‰的单面下坡，共承担２９３０ｍ的施工任务。其中开挖里程为ＤＫ４９３＋８８０－９１８，围岩等级为Ⅳ级，衬砌类型为ＩＶａ－２，ＩＶａ－１。该地段工程地质情况为：凝灰岩，局部夹凝灰质砂页岩，强至弱风化，灰色，凝灰质结构，块状构造，节理裂隙较发育，岩体较破碎，块石碎石状镶嵌结构。隧道开挖断面面积为１４７.０３ｍ²，其中三臂凿岩台车开挖上台阶断面面积为８６ｍ²，台阶高度７.５３ｍ，开挖宽度１５.０６ｍ。
２ 施工准备
２．１超前探孔
为及时掌握施工掌子面前方的地质情况，对不良地质地段要做好超前地质预报工作，超前地质预报采用了地质调查法和地震波反射法分析围岩的稳定情况，并根据超前预报结果初步预报掌子面前方围岩的工程地质条件、水文地质条件。
２．２测量放线
测量人员应严格按设计进行放线，放线利用全站仪精确放出上、下台阶开挖轮廓线、隧道中线，用红色油漆画开挖轮廓与布置炮眼，测量组应在钻眼前及时对上一循环轮廓线进行复核并做标记，便于三臂凿岩台车操作手钻孔作业。
３ 三臂凿岩台车施工孔序优化
３．１遗传算法
１９世纪６０年代，为了更好地对自然和人工自适应系统的研究，最早由美国密执安大学的Ｈｏｌｌａｎｄ教授提出。８０年代第１个基于遗传算法的机器学系统——分类器系统出现，开启了基于遗传算法的机器学习的新概念。１９６７年Ｊ．Ｄ．Ｂａｇｌｅｙ在其博士论文中首次提到“遗传算法”，并发展了复制、交叉、变异、显性、倒位等遗传算子，从此“遗传算法”概念出现；１９７５年Ｋ．Ａ．ＤｅＪｏｎｇ在其博士论文中，通过大量的数值函数优化试验，结合模式定理，不但建立了遗传算法的工作框架，还对遗传算法性能的在线指标和离线指标进行了定义评价；１９９２年Ｊ．Ｒ．Ｋｏｚａ首次提出了遗传编程（Ｇｅｎｅｔｉｃ Ｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇ）的概念，主要将遗传算法用于计算机程序的优化设计及自动生成中，并成功的将遗传编程应用于人工智能，机器学习符号等方面。
３．２凿岩台车孔序规划的优化目标
凿岩机械手工作目标就是在某一优化指标下，以最佳的遍历过程完成所有作业任务，如图１所示５个作业点的钻孔任务。
当凿岩机械手工作初始位置在１号工位时，遍历所有钻孔工位的钻孔顺序有２种路线。钻杆末端遍历所有工位移动距离为：
凿岩台车孔序规划问题类似于旅行商问题，以末端执行器遍历工作断面上所有钻孔工位距离总和为优化函数，建立凿岩机械手孔序规划的数学模型。
３．３凿岩机械手工作孔位优化
假设每个钻臂在相同的时间内能够独立完成每个钻孔任务，为了提高三臂凿岩台车作业效率，对每个钻臂所完成的钻孔任务进行了详细优化，确定每个钻臂区域内的作业孔位，这样就避免了钻臂之间发生干涉。其中将工作区域划分３个钻臂独立完成的作业区域，蚁群算法是在在每个独立工作区域内，钻臂进行寻找一条遍历所有作业工位的最短路径。三臂凿岩台车３个凿岩机械手的自适应优化目标函数函数分别为：
表征作业工位顺序的优劣，越大钻杆移动距离越短，说明作业顺序越优。
由于三臂凿岩台车钻孔需要中间移机１次，故针对上台阶右半平面进行孔序线路优化，对钻爆过程中８８个作业位进行优化计算，利用ＭＡＴＬＡＢ对蚁群算法编程，其结果如图２所示。
运用蚁群算法能计算得到的钻孔顺序规划能够满足上台阶钻孔作业需要，顺利地完成所有钻孔作业，保证钻臂之间不发生干涉，最大限度地提高凿岩钻孔作业的效率。
４ 三臂凿岩台车施工工艺
４．１钻爆设计
１）爆破材料
炸药种类及药卷直径。三棱山隧道爆破采用二号岩石乳化炸药，光面爆破周边孔采用φ３２ｍｍ普通药卷，掏槽孔及辅助孔均采用φ３２ｍｍ药卷。
２）掏槽形式及装药结构
掏槽眼采用４排对称斜眼掏槽的形式，周边孔与辅助孔的孔底在同一垂直面上。为了取得更好的爆破效果，采用空气间隔不耦合装药结构，其它炮孔采用连续装药结构。采用炮泥堵塞炮孔，长度２０～２５ｃｍ，松紧适度。
３）炮眼数量
上台阶掏槽眼采用４排对称的斜眼掏槽的形式，孔口距５０～８０ｃｍ，孔深为２.２ｍ，炮眼数量为１６个。辅助眼间距第１排为５０ｃｍ，后排眼间距为６０ｃｍ，炮眼数量为９８个。周边眼炮眼的数量为５４个，炮眼间距为４０ｃｍ，炮眼深度为２ｍ。底眼设置１排，垂直于开挖面打眼，炮眼间距为８０ｃｍ，炮眼数量为１９个。下台阶辅助眼横向间距为８０ｃｍ，纵向间距为１００ｃｍ，孔深为２ｍ，炮眼数量为２５个。周边眼间距为４０ｃｍ，数量为２５个，底板眼间距为７０ｃｍ，数量为２５个。钻爆设计如图３所示。
４．２台车作业
本隧道采用钻爆法施工，Ⅳ级围岩采用正台阶光面爆破施工，上台阶施工采用自制简易台车配合１台三臂凿岩台车施钻，下台阶采用４台风动凿岩机钻眼。由于掌子面存在不平整的情况，尽量保证眼底在同一平面上，每个孔完成钻凿后，钻臂自动进行水雾吹渣清孔。为防止后期钻眼过程中危石掉落使掌子面底部堆满影响底眼钻进先进行底板眼施工，然后再同时施工周边眼及其他。
在右半面底板眼钻完后，１号、３号臂分别钻上部周边眼、下部周边眼，２号臂钻掏槽眼。周边眼钻完之后１号臂钻上部辅助眼、３号臂钻下部辅助眼。钻孔时应避免两作业臂在一个垂直面上下作业，以免在作业过程中因上方施钻扰动可能的掉落岩块将下方作业臂砸损。在钻进过程中需要注意的事项如下。
１）在上台阶对掌子面及周边轮廓进行钻孔的过程中，上循环的爆破导致存在开挖面不平整的情况，这就加大了钻头钻进的难度，在施工时应先沿弧面低冲击低推进开一个浅孔，在卡好位之后控制好钻头方向进行钻进。
２）开钻头钻进过程中钻进方向发生变化或者发生坍孔导致卡钻现象，应立即停止钻进，进行清钻工作并重新选取眼位。钻眼过程中应根据掌子面围岩的具体情况来选择开眼位置以及调整辅助眼间距。
３）钻进方向易偏移的位置，要低冲击、低推进慢慢钻进，并随钻进随检查钻进方向；开孔或围岩较差时，要低冲击、低推进钻进；围岩较好，钻进一定深度后，采用高冲击、高推进钻进。
隧道施工通风采用ＡＤ－三速木林森压入式风机，直径为１.５ｍ，来实现尽快的出渣作业。爆破后及时进行通风排烟，达到规范要求后，随着循环进尺的推进，增加自卸卡车的数量以满足施工的进度，满足生产需要。上台阶采用２台装载机配合自卸汽车，下台阶采用１台挖掘机配合自卸汽车进行出渣作业。
５ 三臂凿岩台车的优越性
１）进度方面
对于中、硬岩１.５ｍ／ｍｉｎ，三臂凿岩台车钻进单孔时间约为２ｍｉｎ，而人工成孔约为１０ｍｉｎ／孔，三臂凿岩台车开挖Ⅲ级围岩最高纪录为１７１ｍ／月。
２）安全方面
人工开挖时，操作工人距离掌子面较近，直接暴露在初支后的岩体下，掌子面围岩以及开挖的岩体受到震动容易发生掉块、塌方等现象，作业工人安全性差。操作人员在操作平台上进行作业，距掌子面较远，极大的增加了操作人员安全系数，另一方面三臂凿岩台车钻进过程中，掌子面工作人员为１名观察员＋３名司钻工，而人工开挖掌子面需要至少１４把风枪，配备不少于１６名作业人员，总的受风险人数大大降低。
３）质量方面
人工开挖受工人技术水平及劳动强度限制，周边眼间距经常出现超出爆破设计，外插角度也会由于作业工人责任心问题出现外插角过大，影响爆破效果。三臂凿岩台车打孔作业时，采用机械臂定位，开孔位置准确，钻孔间距全部在爆破设计要求范围内，外插角用机械臂控制，标准统一，相同进尺情况下，三臂凿岩台车开挖效果好于人工开挖。
４）作业环境方面
人工开挖采用空压机风动提供动力，作业时排出的是湿雾状废气，空气质量差。通常采用的ＹＴ－２８风枪重量２８ｋｇ，作业工人劳动强度大，风枪噪声大，我们虽没有实测，开挖作业人员几乎无法承受，初步估计超过９０Ｈｚ，作业环境也较脏。三臂凿岩台车采用封闭式油路系统，空气较清新，污染少，为施工人员提供了一个良好的作业环境。
６ 结语
本文介绍了三臂凿岩台车施工孔序优化、施工工艺及优越性。三臂凿岩台车相比较于传统的隧道开挖方式，机械化程度、施工效率高。三臂凿岩台车应用于建京沈客专辽宁段ＴＪ－１标三棱山隧道当中，根据现场施工情况及总结施工经验，得到以下结论。
１）对三臂凿岩台车进行了孔序规划，通过建立数学模型进行仿真模拟，采用改进过的蚁群算法，把钻杆末端移动距离作为约束条件，并对目标函数优化迭代计算，得到了机械手施工的优化孔序，提高了施工效率，节约了施工成本，增加了施工的安全性。
２）与人工控制钻杆相比，三臂凿岩台车定位后准确，在推进过程中，钻杆既能水平亦能固定角度推进，大幅度提高了成孔质量，减少超挖量；与风动凿岩机相比，推进效率提高５０％～１２０％，可以实现多孔同时推进，一次成多孔，不但缩短了上台阶钻孔时间，还有利于下台阶施工的跟进，很好地实现了上下台阶平行作业，能够有效地提高整体施工速度。
３）三臂凿岩台车机械化施工，液压作为动力，推进过程中粉尘较少，环保且施工环境好；与人工钻进相比，操作人员远离施工掌子面，台车设有安全顶棚，能有效避免操作钻机时带来的安全隐患，有效地保证现场操作人员安全。