高速铁路隧道钻爆法机械化施工关键技术和装备
截至２０２３年底，我国投入运营的高速铁路隧道４５６１座，总长７７３５ｋｍ，其中长度大于１０ｋｍ的特长隧道１１５座；在建高速铁路隧道１５３４座，其中特长隧道７８座；规划铁路隧道５４６０座，其中特长隧道８３座。
随着铁路建设向西部地区转移，隧道工程面临更加复杂的地质环境，建设难度增大，工程灾害事故频发。作为控制性工程，长大铁路隧道的施工质量和效率对确保施工进度及安全运营至关重要，需要不断创新隧道施工技术。
我国大量铁路隧道采用钻爆法建成，近十年建成的铁路隧道中８０％以上采用凿岩台车或多功能台架配合人工风枪钻爆施工，存在投入人员多、劳动强度高、作业环境条件差、能源消耗高、掘进速度慢等问题。近年来，随着人口老龄化的加剧及隧道建造环境的恶化，隧道机械化施工代替人工作业的需求愈发迫切。与传统施工技术相比，采用机械化设备可以显著提高钻爆法铁路隧道施工效率和安全性。
目前，大型机械化配套施工主要应用于硬岩或围岩稳定性较好的全断面法隧道，对软弱围岩和土质隧道的适应性较差。不同围岩条件下机械化设备无法连续施工，难以完全代替人工，导致两者并存；单次开挖进尺短，施工效率未能充分发挥；锚杆和钢拱架的施工效率低，无法实现快支护、早封闭。这些问题限制了隧道机械化施工的全面推进，有必要对现有施工技术进行优化，提高施工效率和质量。
本文依托渝昆高速铁路渝宜段缙云山隧道工程，开展凿岩台车功能适应性研究和拱架拼装台车改进工作，提升机械化施工对不同围岩等级和工法的适应性，形成改进的三臂凿岩台车代替传统人工开挖、早强锚固剂和注浆锚杆植入工艺、多功能拱架台车与“一长两中两短”拱架铰接式安装等机械化施工成套技术，为国内高速铁路隧道机械化高效施工提供技术支撑。
１ 工程概况与机械化施工主要难点
缙云山隧道位于重庆市江津区，全长３４５３ｍ，最大埋深约２２０ｍ，见图１。隧道穿越区超过９０％的围岩为Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级围岩，其中Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级围岩段长度分别为１５４５、８４０、１０３０ｍ。缙云山隧道机械化施工主要难点见表１。
２ 三臂凿岩台车机械化施工技术
２．１ 三臂凿岩台车改进
根据现场施工环境，在不改变原设计方案的情况下，对现有凿岩台车进行改装升级，研制出适用于二台阶法、三台阶法、全断面法开挖的三臂凿岩台车。改进的三臂凿岩台车整车尺寸为１７.６ｍ（长）×２.９ｍ（宽）×３.６ｍ（高），钻臂长１０.３ｍ，伸展臂总长１５.１ｍ，推进梁长７.５ｍ，钻杆长６.０ｍ。主要技术参数见表２。
改进的���臂凿岩台车技术优点如下：
１）高智能化。系统在电脑中生成爆破设计图，不必手动描点，通过对钻孔角度、位置和深度的高精度控制，实现满功率下３～５ｍ／ｍｉｎ快速成孔。
２）适应性强。整车可实时在多种工法间变换，兼顾洞口和洞内管棚作业，同时配置自动接杆机构，以实现超前钻探。
３）大惯量柔性臂架高精度定位。通过机器人运动学建模和误差补偿，实现臂架高精度定位。
４）臂架前端可多自由度调节。臂架前端能够进行多自由度调节，速度灵活控制，满足辅助装药、辅助测量等多功能需求。
２．２ 改进的三臂凿岩台车在台阶法施工中的应用
在缙云山隧道Ⅳ级、Ⅴ级围岩段采用改进的三臂凿岩台车，分别进行两台阶法和三台阶法开挖作业。
２．２．１ Ⅳ级围岩段两台阶法开挖
根据围岩实际情况，采用两种两台阶开挖方法：①岩性好且无水时，上台阶高８ｍ，下台阶高３ｍ，长度均为５～６ｍ。②岩性差或有水时，上台阶高６ｍ，下台阶高５ｍ，长度均为５～６ｍ。改进的凿岩台车停靠在下台阶底部，按照上台阶、下台阶、仰拱的顺序逐步开挖和支护，直至封闭成环。
炮眼共设置１８２个，炮眼垂直深度３.２ｍ。周边眼间距为０.５０ｍ，掏槽眼间距０.３～０.６ｍ，倾斜角度４０°～６０°，辅助眼间距０.８～１.３ｍ。
Ⅳ级围岩两台阶法施工区段在钻孔数量多的情况下，改进的三臂凿岩台车机械化施工与人工风枪钻爆施工情况对比见表３。可知，与人工风枪钻爆施工相比，机械化施工人数、施工时间、钻孔时间在无水情况下分别减少８５.７１％、４８.１５％和７３.３３％，在有水情况下分别减少８５.７１％、４７.４６％、６８.７５％。钻孔数量在无水、有水区段分别增加２６.６７％、３３.３３％。
基于施工人数（ｘ）和施工时间（ｙ）的施工效率提高率（λ）计算式为
经计算，采用两台阶法施工时，Ⅳ级围岩段无水、有水情况下机械化施工效率比人工风枪钻爆施工分别提升９２.５９％、９２.４９％。
２．２．２ Ⅴ级围岩段三台阶法开挖
Ⅴ级围岩段采用三台阶法开挖时，上台阶长３ｍ、高５ｍ，中台阶长２５ｍ、高４.３７２ｍ，下台阶（含仰拱）长３～１５ｍ、高３.４９ｍ。按照上台阶、中台阶、下台阶、仰拱的顺序逐步开挖和支护，直至封闭成环。
炮眼共设置１９０个，炮眼垂直深度２ｍ，周边眼间距０.４５ｍ，掏槽眼间距０.３～０.６ｍ，倾斜角度４５°～６０°，辅助眼间距０.７～１.２ｍ。
Ⅴ级围岩三台阶法施工区段在钻孔数量多的情况下，改进的三臂凿岩台车机械化施工与人工风枪钻爆施工情况对比见表４。可知：与人工风枪钻爆施工相比，机械化施工人数减少８５.７１％，降低了劳动强度和人员直接接触风险作业环境的概率；施工时间和钻孔时间分别减少４８.１５％和６６.６７％，大幅提高了施工效率；钻孔数量增加２４.００％。
缙云山隧道采用改进后的三臂凿岩台车进行机械化施工和人工风枪钻爆施工效率对比见表５。可知：与人工风枪钻爆施工相比，机械化施工Ⅲ级、Ⅳ级和Ⅴ级围岩段月进尺分别提高３３.３３％、３７.５０％和５５.５６％。这说明机械化施工可大幅提升隧道施工作业效率。
综上所述，与人工风枪钻爆施工相比，采用改进的三臂凿岩台车施工具有劳动强度低、效率高、安全风险小等优点，能够满足高速铁路大断面隧道不同工法施工要求，解决了以往隧道施工在不同工法间转换困难的问题，有助于提升铁路隧道工程质量与效益。
２．３ 改进的三臂凿岩台车在软岩超前预支护中的应用
为有效控制冒顶、坍塌等风险，在初喷混凝土后立即使用改进的三臂凿岩台车和注浆机进行锚杆施作。在拱顶施工时，将传统的径向组合中空锚杆调整为径向ϕ２２预应力锚杆和斜向ϕ２２全长黏结型砂浆锚杆，同时为锚杆配备配套的钢垫板、锚头和止浆塞。施工时钢垫板与混凝土基面密贴，并施加预应力，通过径向预应力锚杆的钻孔测试，确定锚杆所能承受的预应力值。
早强锚固剂和注浆锚杆植入工艺，使锚杆与围岩共同作用，尽早形成超前预支护体系，提高围岩的稳定性。超前预支护的具体步骤：
１）初喷混凝土。台阶法爆破和出砟完成后利用高压风清除拱顶和掌子面的浮石，随后立即初喷混凝土，封闭拱顶、掌子面和边墙。
２）钻孔并施作锚杆。台车置于下台阶拱脚，根据设计的锚杆参数和放置位置，凿岩台车的三个钻臂同步进行锚杆的钻孔施工，并在钻孔完成后施作锚杆。锚杆纵向间距为１ｍ，每个循环施作长３.５ｍ的径向ϕ２２预应力锚杆和长５.０ｍ的斜向ϕ２２全长黏结型砂浆锚杆，其中斜向锚杆外插角度为４５°～６０°。
３）注浆。采用三臂凿岩台车进行快硬Ｍ２０水泥砂浆的注浆作业，砂浆中掺有早强锚固剂。注浆完成后，对浆液凝固的锚杆施加预应力。
按照上述步骤在缙云山隧道进行超前预支护测试。结果表明：采用上述超前预支护体系、注浆１３ｈ后单根锚杆抗拔力由普通锚杆的６.９７ｋＮ提高至３７.０５ｋＮ，提高了４.３２倍。
３ 拱架安装机械化施工技术
３．１ 拱架安装台车简介
为保障钢拱架拼装作业的顺利进行和满足机械化施工要求，研发了可伸缩长臂拱架安装台车。可伸缩长臂拱架安装台车主要由中间主臂架、左右臂架和底盘构成，其中中间主臂架俯仰角度３５°，长１０.４ｍ，左右臂架左右偏摆角度４０°，俯仰角度２１°，长１１.３ｍ。主要参数见表６。底盘为四轮驱动、两轮转向。
可伸缩长臂拱架安装台车优点如下：
１）安装台车可一键定位拱圈，快速高效拼装拱架，连接牢固，能够动态调节拱架姿态，施工时间比传统人工钻爆施工减少５０％，效率高。
２）整车设计满足全断面法、台阶法等多种工法作业要求，具有多种操作模块，可多功能作业。
３）拱架机械手与锚杆安装机械错位布置，互不干涉，可机械化连续作业，快速完成初期支护。
４）机械手可快速从地上夹取拱架，臂架前端能够多自由度调节，速度控制灵活。
３．２ 拱架安装方式
拱架安装方式可分为组拼式和铰接式。根据隧道施工方法采用不同安装方式，见表７。
由表７可知，三台阶法隧道拱架安装采用组拼式，即台车左、中、右臂机械手分别抓取单节或多节拱架举升至设计拱顶位置，与法兰孔精准对接，人工螺栓连接形成整体式拱架。两台阶法和全断面法隧道拱架安装采用铰接式，即台车中臂机械手抓取单节铰接式拱架，举升至设计拱顶位置，左右臂机械手辅助安装到位，自锚后形成整体式拱架。
传统的钢拱架和系统锚杆因不具备伸缩性和可动性，导致储存在隧道围岩内部的能量无法释放，较大的形变压力往往导致支护结构破坏。同时，为了减小运输时钢拱架占用空间，避免受重力影响相邻两节钢拱架张开等问题，大变形隧道应采用既能适应围岩变形要求，又能提供稳定恒阻力的新型钢拱架支护结构。
将钢拱架由原来的３根等长同尺寸Ａ单元拼接式优化为“一长两中两短”拼接式，包括１节弧长８１２２ｍｍ的Ａ单元，２节弧长６４８７ｍｍ的Ｂ单元及２节弧长１６０３ｍｍ的Ｃ单元。其中Ａ单元居中，Ｂ单元、Ｃ单元通过铰接装置连接，见图２。
当拱架安装台车抓举时，将Ｂ单元和Ｃ单元沿铰接方向向Ａ单元内侧折叠，待抓举至安装位置后展开，用螺栓连接拱架接头。
该拱架安装方式解决了钢拱架分段安装困难的问题，缩短了安装时间，实现了多节钢拱架整体吊装，同时增强了结构抗弯刚度，避免了钢拱架的拱脚失稳、脱落等问题。
铰接式钢拱架先在洞外提前预制，初喷混凝土完成后，再运输至施工现场，由拱架安装台车在洞内组装。组装步骤见图３。
３．３ 钢拱架安装试验
采用拱架安装台车在缙云山隧道Ⅳ、Ⅴ级围岩段开展钢拱架安装试验。安装现场见图４。
台阶法施工时，分别采用拱架安装台车和人工安装拱架，效率对比见表８。
由表８可知：与人工安装拱架相比，利用拱架安装台车所需人员减少３３.３３％～５３.８５％，施工时间减少３９.６２％～４８.７５％。经计算，与人工安装拱架相比，Ⅳ级围岩无水段和有水段、Ⅴ级围岩段拱架安装效率分别提高了６５.７７％～７３.５９％、７２.４１％～７４.３８％、６９.８１％～７５.９７％，这说明采用拱架安装台车可明显提高施工效率。
４ 结论
１）改造的三臂凿岩台车适应性强，能够在各工法之间灵活切换，显著提高了施工效率。Ⅳ级围岩段两台阶法施工，无水、有水情况下机械化施工效率比人工风枪钻爆施工分别提高９２.５９％、９２.４９％；Ｖ级围岩段三台阶法施工，机械化施工人数和施工时间比人工风枪钻爆施工分别减少８５.７１％和４８.１５％。
２）早强锚固剂和注浆锚杆植入工艺，使锚杆与围岩共同作用，尽早形成超前预支护体系，提高围岩的稳定性。采用该工艺后锚杆单根抗拔力比普通锚杆提高４.３２倍。
３）拱架安装台车能够一键定位拱圈，快速高效拼装拱架，整车设计满足全断面法、台阶法等多种工法作业要求，可多功能作业���“一长两中两短”拱架结构解决了钢拱架分段安装和空中对位困难问题，实现了单节拱架整体吊装，减少了吊装次数，提高了定位精度。与人工安装拱架相比，Ⅳ级围岩无水段和有水段、Ⅴ级围岩段拱架安装效率分别提高了６５.７７％～７３.５９％、７２.４１％～７４.３８％、６９.８１％～７５.９７％。
本文提出的机械化施工技术及装备已在渝昆高速铁路和西渝高速铁路中得到应用，优化了施工流程，减少了辅助设施的使用，降低了超挖风险，显著提高了施工效率和安全性。