高寒地区长大隧道三臂凿岩台车方案比选
我国目前公路隧道主要以多功能台架配风动凿岩机的开挖工法为主，但因其投入作业人员多、劳动强度大、作业环境差、钻机速度慢等在长大隧道建设中应用受到局限。而凿岩台车以动力能耗小、钻孔效率高等特点逐渐在公路隧道中得到应用。
北天山隧道工程位于新疆维吾尔自治区伊犁哈萨克自治州尼勒克县境内，北天山特长隧道全长约１２.１ｋｍ，采用分离式双洞，隧道限界宽１１ｍ，建筑限界高５ｍ，隧道设置３座斜井。
随着生活水平提高，人工成本和各项环保、健康和安全要求，加之新疆偏远地区人工费用较内地更高，考虑隧道所处的地理环境和气候特征，项目拟从开挖到衬砌均采用机械化配套施工。文章对人工开挖和三臂凿岩台车开挖方案进行综合比较分析，结合目前国内外主要生产的三臂凿岩台车类型进行比较，选用适合本项目特长隧道开挖的三臂凿岩台车。
１ 隧道人工和机械开挖方案比选
１．１ 开挖效率比较
北天山隧道主要以Ⅲ～Ⅳ级围岩为主，按照Ⅲ级围岩开挖断面进行对比分析，采用全断面法开挖，开挖断面９１ｍ²，人工钻孔每循环进尺３.０ｍ，凿岩台车每循环３.３ｍ，两者的开挖功效比较见表１。
Ⅲ级围岩开挖功效比较来看，凿岩台车明显效率占优，Ⅳ级围岩采用微台阶的情况下或者按照大型机械化配套采用全断面施工，凿岩台车也可发挥其高施工效率，Ⅴ级软弱破碎围岩情况下开挖方法的改变、超挖方量的增大反而是人工开挖更灵活机动，效率更高些，相对比之下，以Ⅲ、Ⅳ级围岩为主情况下，不考虑其他突发地质灾害情况和增加其他工作面，北天山隧道采用凿岩台车预计可节约１２个月工期。
１．２ 开挖成本比较
按照Ⅲ、Ⅳ级围岩综合考虑，开挖断面９１ｍ²，平均每月完成１００ｍ，每月开挖量９１００ｍ³；凿岩台车平均每月完成１５０ｍ，每月开挖量１３６５０ｍ³。
（１）人工费用。全断面开挖需要２０名开挖工，开挖人工按７５００元／ｍ／人；凿岩台车按一台班２名司机、１名修理工、１名杂工配备，司机１６０００元／ｍ／人，修理工１００００元／ｍ／人，杂工５０００元／ｍ／人，８名装药人工费３０元／ｈ／人，考虑新疆地区人工费系数１.２。
（２）电费。人工开挖４台空压机，单机功率１６０ｋＷ／台，钻孔４ｈ；凿岩台车单机功率２５９ｋＷ／ｈ，钻孔２.５ｈ，电费按１元／ｋＷ·ｈ。
（３）设备折旧费。人工开挖配备４台２０ｍ³／ｍｉｎ空压机，以英格索兰电动螺杆空压机１５万元／台测算，凿岩台车以铁建重工全电脑９６０万元测算，按照５年折旧。
（４）设备大修。人工开挖空压机和凿岩台车开挖大修预提费用按照折旧费的４０％计算。
（５）设备摊销费。人工开挖全断面计划２０台风动凿岩机，备用５台，按照２５台１２个月进行摊销。
（６）设备维保费。人工开挖空压机维保费２０００元��月／台，２５台风动凿岩机维保费２０００元／月，三臂凿岩台车经使用单位实测开挖设备维保费为１.１４元／ｍ³。
（７）配件费用。人工开挖１００ｍ，每月平均消耗Φ４５钻头１６０个，消耗钻杆７０根，三臂凿岩台车经使用单位实测开挖易损件消耗为６～９元／ｍ³。
从成本对比来看，人工开挖较凿岩台车低３元／ｍ³，但是岩台车与人工开挖相比有以下优点。
（１）安全系数高。人工开挖作业人员需要站在开挖台架上近距离使用风钻打孔，紧靠掌子面，噪声大、灰尘大，随时可能有石块跌落，安全隐患较大；凿岩台车开挖时操作人员在全封闭驾驶室里面工作（驾驶室可以承受３ｔ重物的撞击），距离掌子面有５～１０ｍ，噪声小、操作环境好，无安全隐患。
（２）节约劳动力。隧道断面在１００ｍ²左右采用全断面开挖，人工开挖需１８～２０人，凿岩台车开挖单班只需３人，装药时额外增加８人，节约人工成本。
（３）工作效率高。隧道全断面开挖，人工开挖需要３.５～４.５ｈ，机械开挖只需２～３ｈ，同等条件下可节约工时１.５ｈ。凿岩台车开挖工作效率高，可缩短工期，进一步降低项目的管理成本。另外在富水段凿岩台车可用来打设深孔泄水、超前钻孔预探等。
综上分析，北天山隧道应优先选用三臂凿岩台车开挖方案。
２ 三臂凿岩台车选型对比
目前铁路隧道中使用比较多的主要是全液压凿岩台车��全电脑凿岩台车，全电脑三臂凿岩台车是隧道钻爆法中最先进的开挖设备，依托智能化数据采集与控制系统，实现整机在隧道内精确定位与多臂同步姿态调整，一键启动，多钻臂自动工作等功能。凿岩机以钻孔规划图设计的钻孔位置、大小、深度、角度等参数为输入，通过计算机目标路径规划与控制系统完成自动找点和高精度自动钻孔作业。
它可操控性强，安全性能、机械化程度、工作效率都很高，适用于长达隧道Ⅱ–Ⅳ级围岩无拱架的全断面或台阶法开挖，其钻爆效果显著，而且广泛用于超前预报、超前灌浆、超前支护、开挖锚杆等。项目前期对２种类型的凿岩台车进行了调查，对徐工和铁建重工的凿岩台车进行了比较，见表２。
对比之下，全电脑三臂凿岩台车更具备以下优势。
（１）自动定位钻孔。根据爆破设计参数自动定位钻孔，不需要人工测量布孔，减少钻孔准备时间。配置隧道管理者ＴＭＬ软件，便于操作司机打孔操作，提高工作效率，并且能为爆破设计优化提供依据。
（２）３Ｄ轮廓扫描。实现超欠挖分析，有针对性地通过调整钻孔角度及爆破方式，节约项目施工成本及施工大数据的收集。
（３）ＭＷＤ地质分析系统。自动采集２５ｍ钻孔数据，ＭＷＤ软件分析钻孔压力、速度、钻杆旋转速度等７个参数后形成电子地质分析云图。在特殊地段可兼做超前地质钻孔，预判前方不良地质状况。
（４）加卸杆装置。配备自动加卸杆装置，在施做超前钻孔和超前管棚支护时，降低操作人员劳动强度，提高施工效率。
（５）封闭驾驶室。配置封闭驾驶室，操作室内噪声小，工作环境好，承载能力３ｔ，安全系数高。
（６）操作系统。配备２套操作平台，４个操作手柄，操作便捷操控性好，需要２名操作司机。
（７）信息化施工。可实现远程监控、数据连通，每个台班钻孔数据可及时查看，便于爆破参数调整。
因此，在成本可控的前提下，考虑隧道高效化施工，可优先选用更具备安全性、智能化、操作性强及工作效率更高的全电脑三臂凿岩台车。
３ 三臂凿岩台车经济性分析
项目前期对徐工铁装、铁建重工、阿特拉斯和山特维克几大生产厂家的三臂凿岩台车进行了调研，并从一些凿岩台车使用单位进行了实地考察。
根据北天山隧道围岩地质情况，按照开挖断面９１ｍ²，月均进尺１５０ｍ，月开挖量１３６５０ｍ³，折旧年限１０年考虑，对Ａ、Ｂ、Ｃ和Ｄ四家厂家的全液压凿岩台车和全电脑凿岩台车分别进行了对比分析。Ａ厂家综合单价２６.２７元／ｍ³，Ｂ厂家综合单价２６.９７元／ｍ³，Ｃ厂家综合单价２６.７１元／ｍ³，Ｄ厂家综合单价２７.２０元／ｍ³。
表中主要易损件、消耗品单价与现场围岩等级及操作人员水平有关，会有一定的差异。液压凿岩台车按３名操作司机（２２０００元／月／人），１名修理工（１００００元／月），１名杂工（５０００元／月）配备，进行人工成本测算（其中不包含装药人员工费）。国内外几个厂家的全液压三臂凿岩台车开挖每立方米综合单价基本持平，主要还是在采购价格和易损件消耗上有所差别，国产凿岩台车在性能上已经能和进口设备等同考虑。
全电脑三臂凿岩台车相比之下，Ｂ厂家的凿岩台车成本方面更具优势，其采购成本低，易损件也相对容易采购，考虑新疆地区Ｂ厂家在乌鲁木齐有分厂，设备的易损件和售后服务更加便利，因此，Ｂ厂家的全电脑三臂凿岩台车更适合本项目选备。
４ 结束语
通过对正在施工的郑万线大盘山隧道实地考察，Ｂ厂家的凿岩台车性能良好，并在国内市场占有率高，售后服务好（使用设备的地方均设立服务站），比其他凿岩台车可操控性强。价格比进口设备便宜，性价比高。本项目地处新疆伊犁州地区，距离Ｂ厂家乌鲁木齐分厂约６００ｋｍ，配件采购和售后服务便利。综上分析，推荐购买Ｂ厂家的全电脑三臂凿岩台车。
随着隧道施工技术的进步，生产规模的不断扩大，人性化、智能化和安全性要求的提高，机械化施工已成为隧道施工的发展趋势。全电脑凿岩台车是近几年才研发投入施工生产的，安全系数高、自动化机械化程度高、现场实用性强，预计未来５年内将成为隧道施工必选的机械化配套龙头设备。