全电脑三臂凿岩台车在隧道机械化施工中的应用探讨
１ 引言
三臂凿岩台车作为目前国内外隧道钻爆法施工中先进的开挖设备，拥有先进的液压控制系统，与传统人工钻爆法相比，具有作业范围大、灵活性强、空气和噪声污染小、安全高效等技术优势，尤其在台阶法和全断面法施工中充分体现了其安全高效的特性，实现了快速、优质、安全、高效施工；多功能全电脑三臂凿岩台车施工技术已成为隧道机械化施工的发展方向。
文献以实际工程为例，从安全、质量、隧道施工进度等方面研究了大断面软弱围岩中三臂凿岩台车的应用技术，并提出了设备优化建议；胡卫平对一种三臂凿岩台车推进梁上的顶盘结构设备进行优化改造，减小了三臂凿岩台车超欠挖的影响；要建国以实际工程为例，研究了凿岩台车超欠挖控制问题，提出凿岩台车在隧道施工中运用闭环管理模式、调整钻孔参数、控制隧道施工超欠挖的方法；文献研究了三臂凿岩台车在隧道机械化施工中的作用；文献研究了三臂凿岩台车在控制爆破引起的隧道超欠挖中的作用；文献以实际工程为例，研究了三臂凿岩台车的经济性，提出了三臂凿岩台车在隧道机械化施工过程中提高施工效率、效益的建议。综上，少有文献从三臂凿岩台车的功能方面研究其施工工艺、施工控制重点等事项。本文以郑万高铁苏家岩隧道进口段施工为例，根据三臂凿岩台车的施工研究成果评价三臂凿岩台车在隧道机械化施工中的作用。
２ 工程概况及地质
郑万高铁苏家岩隧道位于湖北省襄阳市保康县黄堡镇境内，全长５３６０ｍ，最大埋深约４３９ｍ，设计纵坡２５‰，１９.７‰的单面上坡，隧道地处荆山山脉，属构造侵蚀剥蚀中山地貌区，洞身顶部以灰岩、页岩互层为主，其下为页岩夹砂岩，再下为砂质页岩，洞身段主要穿过地层为砂质页岩，隧道进口段洞身主要为Ⅳ、Ⅴ级围岩。隧道设计为铁路客运专线双线隧道，隧道断面按３５０ｋｍ／ｈ速度设计。
３ 全电脑三臂凿岩台车功能
（１）全电脑三臂凿岩台车具有施工参数存储共享，自行走、炮孔位置确定等功能，具备隧道图纸参数与现场施工参数比对的动态管理系统，根据建筑信息模型（ＢＩＭ），实现图纸数据与现场隧道掘进里程的动态转换，大幅度提升了凿岩台车定位和作业准确性。
（２）全电脑三臂凿岩台车采用大惯量柔性臂架高精度定位技术，通过定位误差补偿实现了凿岩台车臂架的高精度定位，实现了臂架运动学参数的最优匹配，以及钻孔的高精度定位。
（３）全电脑三臂凿岩台车通过实际钻孔与设计参数的比对，总结不同地质条件下的钻孔参数，确定钻孔最优控制参数并进行动态管理，妥善解决了卡钻、空打问题。
４ 全电脑三臂凿岩台车施工技术
４．１ 施工工艺流程
随着三臂凿岩台车设计制造技术及其智能化的不断提高，隧道机械化施工工艺日趋成熟，全电脑三臂凿岩台车钻爆作业施工流程示意图如图１所示。
４．２ 施工方法及控制要点
４．２．１ 测量放样
全电脑三臂凿岩台车配有一个多功能作业平台，在钻孔前２名测量人员站在吊篮内按照钻爆设计进行炮眼放样并用红色喷漆标识，采用配有先进断面测量程序的ＴＳ０６全站仪，可实现隧道掘进断面的快速放样。现场测量放样图如图２所示。
４．２．２ 钻孔
（１）钻爆设计。以某隧道Ⅲ、Ⅳ级围岩台阶法施工、锚网喷支护型式为例，各类孔眼炸药使用量如表１所示。
（２）全电脑三臂凿岩台车钻孔。钻孔深度根据围岩软硬程度、节理发育、掌子面的平整度进行适当调整，宜在同一断面上布设孔底，单循环进尺３.８ｍ时单个钻孔深４ｍ所用时间约为１ｍｉｎ３０ｓ，上台阶每循环钻孔时间约为１ｈ３０ｍｉｎ，在局部围岩破碎区段易出现塌孔现象，应合理调整钻进速度，必要时采用冲钻处理钻进中的塌孔问题。台阶法上台阶炮眼布置示意图如图３所示，Ⅳ级围岩炮孔布置示意图（图中Ａ１～Ａ３、Ｂ１～Ｂ３为炮眼分区）如图４所示。
（３）安装炸药及爆破。掏槽眼、辅助眼、底板眼采用连续装药，周边眼采用间隔装药，其间距为５０ｃｍ，用透明胶带将药卷固定在竹片上，间隔药卷之间通过导爆管串连，三臂凿岩台车的作业平台作为装药平台以确保施工安全。
４．３ 控制要点
４．３．１ 操作控制要点
（１）严格执行操作规程，停车时应支起千斤顶支腿，钻孔作业时严禁人员从大臂下通过，严禁在台车上放置爆破器材或利于台车大臂进行其他作业。
（２）台车的起步与行驶应严格遵守《全电脑智能三臂凿岩台车》使用说明书相关要求，设备行走应留意各类仪表指示，及时处理异常问题，以规避设备事故；操作人员应熟悉施工环境，实时掌控车辆运行状态，发现异常及时处理。
４．３．２ 质量控制要点
（１）测量放样是控制隧道超欠挖的关键因素之一，根据爆破设计的炮孔间距，在掌子面标示开挖断面中心线、轮廓线及隧道轴线，以方便司钻操作及提高钻孔质量。
（２）根据掌子面围岩情况及时完成初支护，尽早封闭岩面，形成初支与围岩共同承载地层应力以保证围岩的稳定性，有利于控制围岩变形浸入净空造成欠挖。
（３）按照爆破设计方案，掏槽应落实设计参数，拱顶、起拱、边坡等位置为基准孔位，周边炮孔参照基准孔位司钻。
（４）高度注意凿岩台车推进梁的定位，在凿岩机的作业空间充足的条件下，保证推进梁与隧道轴线平行，减少外插角；确保推进梁顶端和末端“两个基本点”不发生偏移，若发生偏移应调整推进梁或重新钻孔，以保证周边炮孔符合要求。
（５）底板孔施钻应控制好推进梁尾部与地面的高度，开孔处的位置满足设计标高要求，以保证隧道底部超挖在允许范围内。
（６）把握好“冲击与推进”。要根据围岩情况与司钻经验，适时调整冲击与推进，钻进方向易偏移的位置，要低冲击、低推进钻进并及时检查钻进方向；围岩较差时要低冲击、低推进钻进，围岩较好时钻进一定深度后采用高冲击高推进钻进。
（７）周边炮孔施钻时应调整好各项参数，顶盘压紧开挖面，掌握超欠挖规律，板炮孔间距可根据围岩情况适当均匀调整，以保证较好的爆破效果。
４．３．３ 安全控制要点
（１）开动设备前，做好管线等各连接部位的可靠性检查，确保操作系统正常运行。
（２）操作者根据指示信号移动设备，运行中应确保平稳移动，不宜使设备过度摆动。
（３）施工操作中，要确保支腿可靠稳定，钻臂移动前应确认钻杆末端脱离工作面，人员进入作业区。
（４）施工完毕，设备安全停放在设定区域，控制杆件置于零位，进行设备清洁保养。
５ 工效对比
全电脑三臂凿岩台车与传统钻爆法相比，在进度、爆破效果、安全、环保、适用性、单循环进尺等方面优势明显，尤其在安全方面比传统的钻爆法有明显的优势。
５．１ 进度方面
三臂凿岩台车拥有先进的凿岩系统，钻孔速度快，超出传统风动凿岩机效率的２倍。三臂凿岩台车的凿岩机功率较大，成孔快，比风动凿岩机提高效率５５％～７５％，施工循环时间较人工开挖减少约４０％，凿岩台车定位快而准，降低工人劳动强度、节省了人工成本。苏家岩隧道进口采用全电脑三臂凿岩台车钻孔与出口采用传统的风动凿岩机钻孔对比表如表２所示。
５．２ 超欠挖控制方面
三臂凿岩台车的钻杆定位后，按水平或固定倾角推进，操作人员只需经过短时间的培训就可以上机操作，且通过操纵杆就能灵活调控钻孔位置和角度，较传统风动钻机更好地提高了钻孔质量，更好地控制了超欠挖。
５．３ 安全方面
与人工钻爆法相比，三臂凿岩台车大幅度减少掌子面作业人员数量，且操作人员距离掌子面有１３ｍ左右的安全距离，视线开阔，利于观察围岩变化，加上操作平台上安全顶棚的保护，有效提高了作业人员的安全防护水平。
５．４ 环保方面
全电脑三臂凿岩台车凿岩系统由电力驱动，并采用了封闭式油路系统，避免了风动凿岩机的排气噪声，消除了风钻排出的湿雾状废气，大幅降低了隧道粉尘含量，有效改善了作业环境，保证作业人员的身体健康，同时，缩短了隧道必要的降尘通风时间，大幅节约通风费用。
５．５ 适用性方面
全电脑三臂凿岩台车除日常开挖作业外，还可用于５～１５ｍ的加深炮孔、超前水平钻、锚杆、隧底钎探的施工，通过更换相应钻头还可进行小导管、中管棚的施作，适用范围广，大幅提高了设备的利用率。
６ 结论与建议
（１）全电脑三臂凿岩台车适用于常规隧道施工，在全断面施工时经济效益显著，台阶法施工时较人工钻爆施工速度也有较大提升；但在软弱围岩地段三台阶法施工时，需采用微台阶法，受空间限制，应在安全、工期、经济性方面的综合比选后确定。Ⅳ级、Ⅴ级软弱围岩段落采用超前管棚、纤维锚杆注浆等加固，根据围岩情况及时封闭掌子面，利于提高凿岩台车的施工效率。
（２）实际工程中地质情况的千变万化，在一定程度上影响了全电脑三臂凿岩台车的某些自动化功能的实现，因此应根据钻孔作业取得的岩层参数，经信息自动分类并结合掌子面的数码成像技术，获取地层信息与设计围岩情况进行对比分析，提供掌子面的稳定情况并优化超前支护设计方案及爆破设计方案，实现隧道施工的智能化动态设计。