公路隧道三臂凿岩台车应用阶段性及改善措施探讨
１ 引言
随着国家政策对工程质量和施工安全要求的日益提高及人力成本的逐年增加，隧道施工机械化的要求迫在眉睫。未来隧道施工人力资源投入减少、机械化普及是行业的发展趋势。三臂凿岩台车的使用能够使隧道开挖的机械化程度大大提高，然而在不同隧道断面开挖时三臂凿岩台车所表现出的经济性不同。因此，开展公路隧道三臂凿岩台车不同阶段经济性分析并基于此进行改进措施研究具有重要意义。
刘军辉等针对高寒地区隧道，从施工、经济、效率等方面探讨了三臂凿岩台车类型和方案比选和经济性。李东华对比分析了三臂凿岩台车在双线隧道的工效和经济性，并提出了改进措施的建议。郭国钢针对不同围岩级别情况，对台车开挖的进度和成本的主要经济技术指标进行了分析，三臂凿岩台车是最先进的设备，但不同的操作队伍熟悉程度不同，所发挥的经济性效益存在较大的差异。加强对三臂凿岩台车经济性分析，有助于对台车开挖进度、超挖、成本等主要技术经济指标进行控制，并进一步分析三臂凿岩台车在提高开挖速度、降低开挖成本、控制超挖等方面的措施。田海龙结合某隧道工程，从效率与效益两个方面，对比分析了人工钻孔与台车钻孔的差异，发现：机械开挖在提高很小造价的基础上，可以大大缩短施工时间，从而提高施工的经济性。余进等在成本、进度、安全、质量方面对隧道人工开挖和机械开挖进行对比，发现三臂凿岩台车机械开挖相较于人工开挖具有工作强度低，进尺快的特点。郭继怀对全电脑三臂凿岩台车的经济性进行了分析，并提出了台车开挖中存在的问题，为后续改进施工工艺提供了参考。
为探究三臂凿岩台车在隧道开挖中的经济性，并针对此提出相应的改善措施，本文将分阶段进行隧道三臂台车机械开挖和人工开挖的效率和效益对比，并探讨各阶段存在问题及应对措施，为施工单位提升隧道机械化施工水平提供参考方案。
２ 公路隧道三臂凿岩台车经济性分析
２．１ 公路隧道三臂凿岩台车优劣势
（１）三臂凿岩台车施工优势三臂凿岩台车凿岩效率高，能够有效缩短钻孔时间，提高施工效率，而且安全性好，能够降低人员数量，大大降低人员受伤几率及安全事故率。另外，可减少在洞口的空压机投入，电费成本大幅降低。
（２）三臂凿岩台车施工劣势
三臂凿岩台车操作手技术要求高，目前国内经验丰富、技术好的操作手较少，且工资较高，因此人工费高。结合目前调查研究获取数据及类似单位交流反馈情况，全面推行机械化施工成本高于人工开挖成本。另外，保养要求高，凿岩台车的设备保养及维修要求较高，故障、损坏需及时更换维修，配件厂家数量少、质量参差不齐。
２．２ 三臂凿岩台车在公路隧道的应用阶段性
通过调查研究现阶段行业内三臂凿岩台车的使用情况，可以发现，在不同使用场景及隧道不同开挖阶段，三臂凿岩台车所表现出来的经济性有所不同。因此，根据行业内三臂凿岩台车的使用情况��进行经济性分析具有重要意义。如图１所示，可以从“学习准备阶段”、“上台阶应用阶段”、“全断面应用阶段”这三阶段展开，对行业内三臂凿岩台车在隧道机械开挖中的应用方法及存在问题进行分析。
（１）学习准备阶段
学习准备阶段是指在三臂凿岩台车正式用于隧道开挖之前，施工人员及相关负责人通过外派学习和聘请专家的方式，对三臂凿岩台车操作方式、性能及注意事项进行学习的阶段。本阶段主要推进工作如下：
①外派学习，选派拟任该设备的操作手（开挖班钻工及毕业生）及项目设备管理人员等到厂家进行专业培训。同时，选派人员到相关有类似经验的单位及项目进行现场学习；
②聘请专家，向厂家技术员及聘请的专业操作手进行操作学习；
③现场模拟，设备进场后于现场隧道外模拟操作，个别循环进洞进行施工，达到初步的操作水平和进洞施工能力。
（２）上台阶应用阶段
上台阶应用阶段是指在台阶法开挖隧道过程中，使用三臂凿岩台车在上台阶位置进行隧道开挖，在此过程中记录台车开挖的成本、进度、遇到的问题。本阶段主要推进工作如下：先选择一个洞进行试验，提前发现并解决问题为后续全面推进机械化施工；针对存在问题制定相关考核指标、进行过程跟踪；确定机械化开挖中影响成本的主要控制指标及类型。
本阶段主要存在问题及原因分析如下：
①操作空间狭窄，上台阶净空较小，凿岩台车在掌子面打钻时，钻杆臂不能活动自如，影响对孔的时间；
②电压不稳，随着隧道进尺的深入，洞内掌子面电压已不能满足台车正常工作的电压提供，电压不稳会导致施工时间加长；
③人员操作不熟练，设备厂家技术人员培训时间较短，操作熟练、水平高的技术工人短缺，从而导致循环时间加长。
（３）全断面应用阶段
全断面应用阶段是指在全断面隧道开挖时，完全使用三臂凿岩台车进行机械开挖，并在此过程中记录台车使用的成本、耗时、问题等。
本阶段主要推进工作如下：两洞全面推行凿岩台车开挖，局部循环人工辅助开挖；班组合并，减少施工人员，降低人工费成本；增加专业操作手，提高操作熟练度，提高施工效率；邀请业内专业有类似专家进行指导，外出针对性学习。
本阶段主要存在问题及原因分析如下：
①超欠挖难控制，凿岩台车开挖超欠挖控制对比人工有差距，主要原因为施钻时无法通过经验从后方确定施钻角度，只能根据施钻经验来确定；
②耗材成本大，凿岩台车开挖在补打欠挖过程中对配件损耗较大，尤其钻头钻杆的损耗比正常打钻增加较多，成本增加偏大；
③炸药消耗大，炸药量消耗较人工开挖会偏多，主要原因为人工开挖钻头多采用φ３０的钻头，而机械开挖多采用φ４２的钻头，钻孔较大，现市场供应的炸药直径多为φ３２，钻孔太大影响爆破效果，只能增加用药量。
２．３ 改进措施探讨
针对各阶段出现的问题，可结合工程项目实际采取以下改进措施，以提高台车施工的经济性。
（１）加强人员管理。
提高操作手熟练度，积累实战经验，以提高炮眼角度准确率。此外，增加专门人员负责欠挖处理，减少配件损耗，并固定专人对凿岩台车进行保养维修。
（２）降低炸药成本。
通过沟通解决炸药的匹配性问题，并采取其他科技手段及爆破施工工艺（聚能爆破）、研究机械装药及排险设备应用等方式，提高炸药利用率、降低损耗，最终实现降低成本、有效控制超欠挖的目的。
（３）降低耗材成本。
通过试验数据及调查，确定物美价廉、供货可靠的配件及耗材供应商，确保耗材及配件性能稳定、及时供应。
（４）坚持总结分析。
每日收集数据，每周分析总结，持续改进施工方法，定期核算成本，每期进行成本对比并总结原因。
３ 结合工程实际的三臂凿岩台车经济性分析
为在实践中检验三臂凿岩台车经济性的理论分析，本文结合某工程隧道项目，对三臂凿岩台车的应用情况进行探讨。
３．１ 工程概况
隧道项目位于低山丘陵地区，是双洞单向交通。该隧道进出口对向施工，进口均为Ⅳ、Ⅴ级围岩，不适宜凿岩台车使用；出口左右洞均有较长距离的Ⅲ级围岩，经综合分析，将三臂凿岩台车应用于该隧道出口段施工。
３．２ 三臂凿岩台车阶段性应用
（１）学习准备阶段
在本阶段该项目主要工作进展为三臂凿岩台车操作方法的学习和三臂凿岩台车机械的准备。在本阶段，该项目用３个月时间选派了台车的操作手和设备管理员到台车厂家及其他正在使用三臂凿岩台车进行施工的隧道项目进行学习，为日后高效率地进行机械施工打好了基础。
（２）上台阶应用阶段
本阶段为该项目三臂凿岩台车初始应用阶段，实行时间为一个月。隧道左洞使用三臂凿岩台车进行机械开挖，右洞使用人工开挖以作为对照。经成本分析发现，该阶段投入凿岩台车设备较人工开挖总成本增加为２１.１８元／ｍ³，其中消耗性成本、设备折旧成本、人工成本为主要成本偏差项。在经济成本方面，三臂凿岩台车在该阶段的优势尚未体现出来。
在项目进度方面，应用三臂凿岩台车机械开挖的优势也没有体现出来。在每循环时间中，断面排险、开挖断面扫描、立拱架、锚杆施工、喷射混凝土、扒渣底、出渣和其他准备等几项工序中，人工开挖和机械开挖耗时相同。在开挖放样工序中，三臂台车放样做标记人员需站立在操作台上进行打点，需要移动时间，机械开挖则会耗时更多。施工准备及结束退场时，机械开挖需等掌子面挖机、装载机退出掌子面栈桥后，三臂凿岩台车才能行至掌子面，相比人工开挖会更耗时。在钻孔时，使用机械开挖，爆破炮孔数会多于人工开挖，另外对孔定位时间会多于人工开挖。因此在钻孔工序中，机械开挖会多耗时。在装药放炮工序中，机械开挖孔眼内残留碎石粒径较大，需人工清孔才能装药，因此也会多耗时。总体而言，机械开挖在每循环中相比于人工开挖会更多耗时一些。
通过对上台阶施工阶段三臂凿岩台车的应用情况进行分析，可以得知，Ⅳ级围岩上下台阶施工，因断面影响，凿岩台车施工受限，不适宜使用三臂凿岩台车，建议进行人工开挖。
（３）全断面应用阶段
该项目本阶段实行时间为一个月，该阶段隧道开挖进入全断面施工阶段，两洞全面推行凿岩台车开挖，局部循环人工辅助开挖。由于进洞深度的增加，该项目此阶段将高压电引入洞内。同时，在总结上一阶段机械开挖落后项目的基础上，该项目改进了施工方法，并邀请业内专业人士进行指导、外出针对性学习。
通过对该阶段这一个月的成本进行分析可以看到，投入凿岩台车设备与人工开挖相比总成本增加为１４.７９元／ｍ³，与６月份偏差总额２１.１８元／ｍ³相比，成本下降６.３９元／ｍ³，下降比例３０％。虽然在整体上来说，该阶段机械开挖成本是大于人工开挖的，但是可以看到该阶段经过施工方法的改进及开挖断面的变化，机械开挖相对于人工开挖的经济成本偏差有所减小。从而说明通过改进施工方法及选择更适宜的施工场景可以有效地减少应用三臂凿岩台车机械开挖的经济成本。
在项目进度方面，通过多次统计可以发现，在全断面开挖阶段，机械开挖较人工开挖仍无法体现出时间效率上的优势，机械开挖每循环用时略微高于人工开挖。与上一阶段相同，在每循环时间中，断面排险、开挖断面扫描、立拱架、锚杆施工、喷射混凝土、扒渣底、出渣和其他准备等８项工序人工开挖和机械开挖耗时相同。开挖放样、施工准备及结束退场、装药放炮这三项机械开挖比人工开挖耗时略多。
此施工时间以洞内正常施工工序全断面开挖所需时间计算，目前左右洞均采用全断面机械开挖，因项目仅有１台凿岩台车设备，过程中存在开挖时间冲突，施工时间因调整工序会有所延误，装药放炮时间耽误较长，主要因为人工吹孔不能和打钻同时进行，且机械开挖过后，需推台车进入掌子面才能进行吹孔、装药等工序。同时，为保证钻孔角度有效控制，一台凿岩设备全断面钻孔需左、右侧半断面施工，存在挪车、定位等时间消耗，若两台凿岩台车则可避免此耽误时间。
总体来说，１台设备单循环比人工开挖所需时间更长，通过提高工序衔接可消除此影响，达到与人工循环实际相同。
通过分析本阶段运行结果，可得到以下结论：全断面开挖方式下，单循环总时间较人工开挖更多，但通过优化工序可在后续实现时间相等或超越人工开挖；相比于人工开挖使用三臂凿岩台车进行机械开挖安全性大幅度提高；全断面开挖适宜推行凿岩台车开挖。
３．３ 工程实践结论
在上台阶施工阶段不适宜使用三臂凿岩台车进行机械开挖，而全断面开挖及无拱架段落则适宜使用。鉴于全面推行机械化施工，项目及公司一次性投入设备多、成本大，可以考虑：由班组投入设备，以机械化单价进行专业分包，将设备融入开挖班当中，切实降低保养维修费的不必要浪费；将钻头钻杆等主要易损材料纳入开挖班综合单价中，将耗材不必要浪费降至最低；让开挖班组进行操作手管理，切实减少人工成本，达到设备最大利用率。
４ 结语
通过对公路隧道工程进行分阶段经济性分析可以得知，相比于人工开挖，借助于三臂凿岩台车的隧道机械开挖在全断面隧道开挖时能明显缩短钻孔时间，并在总的单循环时间微增的前提下，安全性大幅度提高，减少和避免了因安全事故带来的高额成本，因此三臂凿岩台车在隧道全断面开挖时大大提高了经济性。
三臂凿岩台车在隧道上下台阶法施工时有一定的局限性，不能很好的提高施工效率和减少成本，因此上下台阶法施工时更适合采用人工开挖的方法。此外，通过对隧道开挖进行阶段性分析可以发现，虽然当前使用三臂凿岩台车机械开挖在单方成本上略高于人工开挖，但是可以通过提高操作手熟练度，以及降低耗材成本等方法进一步提高机械开挖的经济性，最终优于人工开挖，同时兼顾安全性和经济性。