抽水蓄能电站大跨度地下洞室钻爆法开挖智能化配套设备
０ 引言
当前，抽水蓄能电站建设已成为“十四五”期间，规模巨大的基建建设市场。而地下厂房作为抽水蓄能电站的心脏，是安装可逆式水泵／水轮机、发电／电动机机组和各种辅助设备的建筑物，既是水工建筑物、机械和电气设备的综合体，又是运行人员进行生产活动的场所。因此，地下厂房的开挖直接决定了抽水电站建设的质量和效率。目前，钻爆法在隧道施工中的应用最为广泛。从挖掘施工技术的内容看，存在着多种施工工艺，其中钻爆开挖技术则能够为更好应对岩质隧道施工难题提供技术支撑。隧道钻爆法开挖机械化配套已成为一种发展趋势，对隧道施工机械配置的升级，已成了我国目前隧道施工机械化作业的当务之急。
１ 工程概况
１．１ 项目概况
依托广西贵港抽水蓄能电站，针对地下厂房钻爆法开挖，提出机械化配套施工方案。地下厂房设主副厂房、主变洞和尾闸洞，采用三心圆弧拱设计。围岩以中硬至坚硬岩为主，较完整。施工原则为分层开挖，配备先进设备实现全机械化作业，提高施工效率和质量，降低劳动强度与危险性，优化施工环境，控制超欠挖问题。借鉴其他电站经验，该项目将实现高效、安全、优质的地下厂房开挖。
１．２ 存在的难点问题及改动方向
１）成熟的智能化配套案例较少，其中几个关键设备还有待实际应用检验，具有较大的难度和风险。
２）岩锚梁开挖目前完全依赖经验和人工作业，智能化是其未来发展方向，但短期内取得突破还有较大难度。
３）施工工况多为水系丰富的岩层，支护系统作为其关键工法需要进一步研究和应用实践。
２ 依托项目实施可行性分析
２．１ 设备技术可行性分析
地下厂房智能化配套方案，包括超前地质钻机，智能型三臂凿岩台车、智能型锚注一体台车、智能型湿喷台车以及智能型注浆台车。
２．１．１ 智能型凿岩台车
为中铁装备研发的智能型三臂凿岩台车设备，其具有如下功能特点。
１）适应钻孔类型。爆破孔、锚杆孔、管棚孔、超前地质预报孔、辅助装药等。
２）智能化功能。自动导航定位，机载系统实现台车精准定位。全电脑台车自动布孔、钻孔，精确控制位置、角度、深度，防卡钻防空打，确保施工安全高效。
２．１．２ 智能型锚注一体台车
１）适应作业类型：锚杆施工、超前小导管施工、注浆等。
２）智能化功能。①自动导航定位：机载系统，实现台车自动定位；②自动钻孔、安装锚杆、注浆，一体化施工：具有自动钻进、防卡钎、自动退钻，自动推送锚杆、安装垫板、螺帽，自动注浆，服务平台吊篮自动调平等功能；③自动拌浆，自动计量：具有精确控制水量、骨料的配比，自动计量注浆数量等功能；④实时成像系统：利用高清摄像头实时显示锚杆施工情况，危险状态自动报警、保护；⑤自动生成钻孔日志，信息实时存储、传输：机载系统自动记录、生成施工日志。工序信息实时存储，锚杆编码识别及存储。数据联网分析、传输和打印。
２．１．３ 智能湿喷台车
适应多种工作类型，包括洞外边坡防护与洞内喷射混凝土支护。智能化功能丰富，如自动导航定位、自由选择喷射路径、故障预警、优化外加剂掺量、自动生成施工日志与信息共享、３Ｄ轮廓扫描及方量计算等。这些功能有效提升了工作效率，保障了作业安全，实现了施工数据的实时采集、处理与共享，为智能化信息管控提供了有力支持。
２．１．４ 智能型注浆台车
机械施工灵活转场，凿岩机高效破岩；吊篮轻便助灌浆，台车进出自如。智能配套操控简，信息化显示调节便；动态储浆减浪费，智能监测数据全。钻孔灌浆自动化，全程记录质量保；数据公开透明化，施工规范质量高。
２．１．５ 智能潜孔钻机
开发或者配置一体化智能潜孔钻机设备，其具备如下功能特点。
１）智能化控制系统。配置智能化控制系统，能够实时记录施工参数，并将施工参数实施传递给其他设备，实现施工过程安全可控。
２）大扭矩动力头。配置大扭矩动力头和高效能冲击头，能够满足各种岩层和孔径的开挖需求和现场要求。
２．１．６ 智能化装药台车
１）现场混装炸药装填。采用机械化装药技术，避免了人工进行炸药装填，减少了现场作业人员数量，提高了现场作业的安全性。
２）智能化控制系统。装药台车配置信息化控制系统，能够根据不同类型的炮孔提前预设装药参数，并实时记录每个炮孔的实际装填参数。
３）自动化送管系统。装药台车配置自动化送管装置，能够根据提前预设的参数实时调整装药管的收放管参数，实现不同炮孔耦合度装填。
２．１．７ 机械化岩锚梁设备
岩锚梁是地下厂房施工的关键，岩锚梁施工的好坏直接关系着地下厂房施工的质量和效率。开发一款快速进行岩锚梁施工的设备，使其具有如下特点。
１）精确定位钻孔。新型岩锚梁施工设备能够快速根据岩锚梁外型轮廓进行精确定位钻孔，钻孔位置精度能够保持连贯。
２）施工参数信息化管理。新型岩锚梁施工设备具有施工数据记录功能，通过数据传输方式能够把数据反馈给后台控制系统，能够实时对岩锚梁的施工参数进行调整控制。
２．２ 设备技术改进／研制分析
２．２．１ 智能装药台车研制分析
现场混装炸药台车目前在矿山领域应用较为普遍，但在隧道、地下厂房等开挖中计划没有应用。装药台车目前已经有较为成熟的方案和设备，但受限于国家相关政策和使用要求。因此，在水电站地下厂房开挖中能否应用取决于能否满足国家政策要求。
２．２．２ 岩锚梁开挖设备研制分析
岩锚梁作为地下厂房开挖的关键，其开挖质量和效率直接决定了整体施工质量和效率。目前，传统的岩锚梁开挖施工中需要先进行爆破试验，明确爆破孔的炸药装填参数。同时，为了保证岩锚梁开挖精度会设置台架，采用人工打孔的方式进行开挖。因此，岩锚梁开挖对经验及人工的操作水平要求极高。
岩锚梁开挖设备是一种替代人工开挖的装置，能够实现精准连续钻孔。但设备的研制与现场施工连续较为密切，需要详细调研现场需求和施工人员经验。设备研发难度较大。
２．３ 效率分析
机械化配套施工相比与传统人工配套，施工工法上保持不变，其工序时间主要集中在机械化钻孔速度相比人工速度的提升。地下厂房第一层主要进行断面开挖，主要采用钻爆法开挖。中间区域先开挖，两侧边导洞后续开挖的原则，分部进行分段开挖。
２．４ 劳动生产率分析
２．４．１ 开挖作业线
在隧道开挖作业中，选择适合的钻爆方法对于提高施工效率、保证工程质量和降低安全风险至关重要。通过表１开挖作业线对比，为实际施工中做出更为明智的选择。
综合表１所知，使用全电脑凿岩台车能够大幅度减少作业人员数量，工程质量能够有效保证的同时降低了施工安全风险；开挖效率较高，能够减少作业循环进尺时间，加快施工进度；同时机械化施工过程中经济性也优于人工钻爆。
２．４．２ 装运作业线
按照工程施工绿色施工导则要求，装运作业线采用新型清洁能源装运设备，采用电动挖掘机、电动装载机、电动自卸车等工程运输车进行出渣作业，使用智能装运作业设备能够大幅度减少作业人员数量，电动装运设备采用电力驱动，作业时间快，可有效减少作业循环时间；采用清洁能源，可降低对环境的破坏，同时控制施工成本，提高经济效益。
２．４．３ 支护作业线
支护作业线采用新型智能设备，包括智能锚杆、拱架、喷车等，相比传统设备，智能锚杆可自动定位、校准、钻孔，施工效率高；拱架台车可自动定位、扫描、立拱，抓取预制拱架精准放置；喷车喷射速度快，可自动计算方量。该作业线提升效率，改善环境，实现无人化施工，保证安全质量，信息化施工，经济性强。
３ 智能化配套设备实施效果
３．１ 现场施工效率对比
地下厂房因跨度大、高程高，常采用分层爆破技术施工，涉及空间错开、支护等步骤。智能化施工显著提升效率：自动化设备减少人工环节，降低成本；实时监测避免延误返工；智能管理优化资源配置。传统工期１８～３６个月，该项目采用全智能化设备，预计效率提升３０％。
３．２ 施工安全性对比
３．２．１ 传统地下洞室施工安全指标
在传统的地下洞室施工中，安全指标主要依赖于人工监测和经验判断。这种方式存在着监测不及时、数据不准确、反应速度慢等问题，导致安全风险的预警和防控能力有限。
３．２．２ 智能化与传统施工安全指标对比
相比传统的地下洞室施工安全指标，智能化施工安全指标具有以下几个明显的优势。
１）实时监测。传统方式需要人工巡检和监测，而智能化方式可以实现２４ｈ不间断的实时监测，大大提高了监测的及时性和准确性。
２）数据处理。传统方式依赖于经验判断，而智能化方式可以通过大数据分析和人工智能技术挖掘数据中的潜在规律，预测可能的安全风险，提高了预警和防控能力。
３）自动化控制。传统方式需要人工操作和控制，而智能化方式可以实现自动化控制，避免了人为因素导致的安全风险，提高了施工效率和质量。
３．３ 施工质量对比
地下洞室智能化施工质量指标的提升主要体现在以下几个方面。
１）实时监测与数据分析。通过布置各种传感器和监控设备，实时监测施工过程中的关键质量指标，如结构变形、应力分布、温度变化等。同时，结合数据分析技术，对实时监测数据进行处理和分析，预测施工过程中的潜在风险和问题，及时采取相应措施进行调整和优化。
２）精准控制与优化施工参数。智能化施工可以实现对施工参数的精准控制，如混凝土浇筑速度、注浆压力等。通过优化施工参数，可以提高施工过程的稳定性和可控性，从而提高施工质量。
３）智能化施工。智能化施工可以实现施工过程的自动化和智能化。通过自动化设备可以减少人为因素对施工质量的影响，提高施工精度和效率。
３．４ 施工环保情况对比
传统地下洞室施工对环保重视不足，易产生噪音、粉尘等污染物。智能化技术发展为环保施工提供了新路径，包括实时监测与控制污染物排放、应用节能减排技术降低能耗和排放、资源循环利用等。智能化施工不仅提升施工效率与质量，还降低成本、改善环境，提高管理智能化水平，为地下洞室施工带来显著效益。
４ 结束语
抽水蓄能电站地下厂房开挖现普遍采用大机配合人工方式，智能化配套应用较少。随着智能化装备在隧道施工中的应用，智能化成为抽水蓄能电站钻爆法开挖的发展方向。通过设备智能化、数据自动分析等技术，结合施工工法，应用智能型凿岩台车、智能锚注机器人等设备，建立智能化设计处理系统、智能施工系统、项目管理系统和长期监控量测系统，实现机械化和信息化深度融合。全机械化施工减少人工投入和危险，远程操控减少职业病风险。智能机械化信息控制系统等提升生产效率，保证工程质量，缩短工期，减少成本，提高施工质量。