不同工法全电脑凿岩台车施工关键技术研究
０ 引言
在隧道施工中，不同的地质条件和工程要求需要采用不同的施工工法，如全断面法、台阶法等。每种工法都有其独特的施工流程和技术要求，而全电脑凿岩台车在不同工法下的应用，需要深入研究其关键技术，以实现设备与工法的最佳适配，充分发挥设备的优势。研究不同工法下全电脑凿岩台车的关键技术，对于推动隧道施工行业的发展具有重要的现实意义。
１ 工程概况
盐源隧道为Ｇ７６１１西昌至香格里拉（四川境）高速公路的控制性工程。隧道左线桩号ＺＫ５２＋３２５～ＺＫ６６＋４８２，全长１４１５７ｍ；出口设计高程２６２１.５５ｍ；右线桩号Ｋ５２＋２５５～Ｋ６６＋４０５，全长１４１５０ｍ，出口设计高程２６２１.８２ｍ；平行导洞桩号Ｋ５２＋３３８～Ｋ６６＋５２０，全长１４１８２ｍ，属于特长隧道。
２ 全电脑凿岩台车概述
全电脑凿岩台车主要由钻臂、推进器、底盘、凿岩机、电气系统、液压系统以及智能控制系统等核心部分组成。钻臂是全电脑凿岩台车的执行机构，采用三臂或多臂结构设计，如常见的三臂凿岩台车，每个钻臂都具备独立的运动能力。
凿岩机是全电脑凿岩台车的核心工作部件，全电脑凿岩台车通常配备高性能的液压凿岩机，凿岩机采用模块式结构，将冲击、回转和冲洗分别设计为三个独立的模块，结构简单，便于各模块的独立维修保养。案例工程配置情况如表１所示。
３ 不同工法特点及全电脑凿岩台车的适配性
３．１ 全电脑凿岩台车在全断面法中的适配性
在钻孔效率方面，每个钻臂都能独立进行钻孔作业，且各钻臂之间可实现协同工作。在全断面法施工中，需要一次性完成大量的钻孔任务，全电脑凿岩台车能够充分发挥其多臂优势，在短时间内完成众多炮孔的钻进。
钻孔精度方面，全电脑凿岩台车采用了先进的激光定位与三维建模技术，能够精确确定钻孔的位置和角度。在台车作业前，通过对隧道掌子面进行三维扫描建模，将设计的炮孔位置和参数输入到智能控制系统中。在钻孔过程中，激光定位系统实时监测钻臂和凿岩机的位置和姿态，确保钻孔按照预设的参数进行。
３．２ 全电脑凿岩台车在台阶法中的适配性
在分段作业方面，全电脑凿岩台车的灵活机动性使其能够很好地适应台阶法施工中上下台阶不同的作业空间和施工要求。其钻臂可３６０°旋转，且具有较大的升降范围，能够在不同高度的台阶上进行精准的钻孔作业。在上台阶施工时，钻臂可以向上伸展，准确地定位到各个炮孔位置，进行钻孔作业。由于上台阶空间相对较小，全电脑凿岩台车的紧凑设计和灵活操作性能，使其能够在有限的空间内自由移动，避免与其他施工设备和结构物发生碰撞。当下台阶施工时，钻臂可以向下调整角度，满足下台阶的钻孔需求。
在多工序协同方面，全电脑凿岩台车���智能控制系统能够实现与其他施工设备的信息交互和协同作业。在钻孔完成后，台车可以通过无线通信系统将钻孔数据实时传输给爆破人员，爆破人员根据这些数据进行精确的装药和连线操作，提高爆破效果。在出渣工序中，全电脑凿岩台车可以与装载机、运输车辆等设备协同作业，当凿岩台车完成一个区域的钻孔后，装载机可以迅速进入该区域进行出渣作业，运输车辆则及时将石渣运出洞外。在支护工序中，还可以与湿喷机组等设备协同工作，当隧道开挖完成后，凿岩台车迅速撤离，湿喷机组及时就位，进行喷射混凝土支护作业。
４ 不同工法下全电脑凿岩台车施工关键技术
４．１ 隧道开挖技术
４．１．１ 爆破设计优化
在确定钻孔深度时，隧道的设计要求是首要考虑因素，不同的隧道工程在断面尺寸、用途等方面存在差异，这决定了钻孔深度的基本范围。围岩的性质也至关重要，坚硬的围岩需要较大的钻孔深度，以确保炸药能够有效地破碎岩石；而软弱围岩则需要适当控制钻孔深度，防止因钻孔过深导致围岩失稳。全电脑凿岩台车的性能参数，如凿岩机的功率、冲击能等，也对钻孔深度产生影响。一般来说，功率较大、冲击能较强的凿岩机能够实现更深的钻孔。根据工程经验，在坚硬岩石中，钻孔深度可达到３～５ｍ；而在软弱围岩中，钻孔深度通常控制在２～３ｍ。
钻孔间距确定需要考量炮孔的类型，周边孔、辅助孔和掏槽孔的作用不同，其间距也应有所差异。周边孔主要用于控制隧道的轮廓线，其间距一般较小；辅助孔用于进一步破碎岩石，其间距可适当增大；掏槽孔则是为了创造自由面，提高爆破效率，其间距通常最小。岩石的性质对钻孔间距也有显著影响，坚硬岩石的整体性较好，钻孔间距可以相对较大；而软弱岩石的破碎性较强，钻孔间距则需要减小。爆破器材的性能也不容忽视，不同类型的炸药在威力、爆速等方面存在差异，需要根据炸药性能合理调整钻孔间距。在实际工程中，周边孔的间距一般控制在３０～５０ｃｍ，辅助孔的间距为５０～８０ｃｍ，掏槽孔的间距为２０～３０ｃｍ。
装药量的计算通常采用体积公式法，即根据岩石的体积、炸药的单耗以及炮孔的利用率等参数来确定装药量。岩石的体积可根据隧道的断面尺寸和钻孔深度计算得出；炸药的单耗则需要根据岩石的性质、爆破器材的性能以及工程经验来确定。一般来说，坚硬岩石的炸药单耗较高，可达到１.０～１.５ｋｇ／ｍ³；而软弱岩石的炸药单耗较低，约为０.５～１.０ｋｇ／ｍ³。炮孔的利用率是指实际参与爆破的炮孔体积与总炮孔体积的比值，一般在０.８～０.９之间。
为了进一步优化爆破方案，还可以采用先进的爆破设计软件，如ＳａｎｄｉｖｉｋｉＳｕｒｅ软件。该软件能够根据隧道断面数据、激光数据、隧道曲线设计等资料，自动计算确定钻孔位置、钻孔方向以及多臂凿岩台车钻孔顺序和钻臂旋转角度。
４．１．２ 钻孔精度控制
激光定位技术通过在台车上安装激光发射装置和接收装置，实现对台车位置和姿态的精确测量。在钻孔作业前，先在隧道掌子面设置激光靶，激光发射装置向激光靶发射激光束，接收装置接收反射回来的激光信号，通过计算激光束的传播时间和角度，确定台车与激光靶之间的距离和相对位置关系。同时，利用激光定位系统还可以实时监测钻臂和凿岩机的位置和姿态，确保钻孔按照预设的参数进行。
三维建模技术利用三维激光扫描仪对隧道掌子面进行扫描，获取掌子面的三维数据。通过专业的建模软件，将这些数据转化为三维模型，在模型中精确设计炮孔的位置、角度和深度。在钻孔过程中，全电脑凿岩台车的智能控制系统将实际钻孔数据与三维模型中的设计数据进行实时对比，一旦发现偏差，立即自动调整钻臂和凿岩机的位置和姿态。
全电脑凿岩台车的智能控制系统是实现钻孔精度控制的核心。该系统集成了先进的传感器技术、自动化控制技术和信息技术，能够实时采集和分析钻孔过程中的各种数据，如钻孔位置、角度、深度、推进力、回转速度等。根据这些数据，智能控制系统自动调整钻臂和凿岩机的动作，实现对钻孔精度的精确控制。当钻孔过程中遇到岩石硬度变化时，智能控制系统会根据传感器反馈的数据，自动调整推进力和回转速度，保证钻孔的垂直度和深度精度。同时，智能控制系统还具备故障自诊断和预警功能，能够及时发现和解决钻孔过程中出现的问题。
钻孔精度控制能够保证爆破效果，使岩石按照设计要求破碎，减少超欠挖现象。
４．１．３ 出渣效率提升
全电脑凿岩台车的扒渣系统通常采用高效的扒渣结构，如链式扒渣机或螺旋扒渣机。链式扒渣机通过链条带动扒齿，将石渣从掌子面扒起并输送到运输设备上；螺旋扒渣机则利用螺旋叶片的旋转，将石渣从掌子面推送至运输设备。这些扒渣机构具有结构紧凑、扒渣效率高、适应性强等优点，能够在不同的隧道施工环境中发挥良好的作用。
为了实现扒渣系统与运输设备的高效协同作业，需要建立合理的作业流程和调度机制。在爆破完成后，扒渣系统迅速启动，将石渣从掌子面扒起并输送到指定位置。装载机及时将石渣装入运输车辆，运输车辆在调度人员的指挥下，按照预定的路线将石渣运出洞外。通过合理安排扒渣、装载和运输的顺序和时间，减少设备之间的等待时间，提高出渣效率。
４．２ 支护协同技术
４．２．１ 湿喷机组与台车的高效工序衔接
湿喷机组与全电脑凿岩台车的协同作业是施工进度与质量的关键。当全电脑凿岩台车高效完成钻孔作业后，迅速且有序地从掌子面撤离至关重要，这一步骤不仅避免了设备间的相互干扰，还为湿喷机组提供了充足的作业空间和时间。湿喷机组需在接收到作业指令后，立即调整至最佳位置，启动喷射混凝土作业，确保混凝土能够均匀、快速地覆盖于开挖面，形成有效的初期支护层。这种紧密的工序衔接不仅缩短了施工周期，还有助于提高喷射混凝土的质量，增强隧道的整体稳定性。
４．２．２ 围岩形变监测与动态支护调整
为了确保隧道施工过程中的安全，采用ＦＬＡＣ３Ｄ数值模拟技术进行围岩形变监测与动态支护调整显得尤为重要。ＦＬＡＣ３Ｄ作为一款先进的岩土工程数值分析软件，能够构建出高度精确的隧道施工三维数值模型。通过输入围岩的物理力学参数（如弹性模量、泊松比、内摩擦角等）、施工工法（如钻爆法、盾构法等）以及支护参数（如锚杆长度、间距、喷射混凝土厚度等），ＦＬＡＣ３Ｄ能够模拟隧道开挖过程中围岩的应力场、应变场和位移场的动态变化，为施工决策提供科学依据。
为了实时监测围岩的实际状态，需要在隧道内合理布置各类监测仪器，包括但不限于全站仪用于测量围岩表面的三维位移、水准仪监测垂直位移、压力盒测量支护结构所受压力、应变计监测支护结构的应变情况等。这些监测数据能够实时反馈围岩的变形趋势和支护结构的工作状态，一旦发现监测数据异常，如围岩变形速率加快或超过预设的预警值，应立即启动动态支护调整机制。
动态支护调整措施可能包括但不限于：加密锚杆布置以提高围岩的整体稳定性；加厚喷射混凝土层以增强支护结构的强度；增设钢支撑以抵抗更大的围岩压力；调整施工顺序、降低掘进速度以减少对围岩的扰动。通过这些灵活且针对性的调整，可以有效控制围岩变形，确保隧道施工的安全进行。
４．３ 特殊工况应对技术
自适应钻孔压力调节技术是根据高应力围岩的特性，实时调整钻孔压力，以确保钻孔作业的安全和高效。在高应力围岩中，岩石的抗压强度和变形特性与普通围岩有很大差异。当钻孔压力过大时，可能会导致岩石破碎加剧，甚至引发岩爆；而钻孔压力过小，则无法保证钻孔的速度和质量。通过在全电脑凿岩台车的凿岩机上安装压力传感器和智能控制系统，能够实时监测钻孔过程中的压力变化，并根据岩石的实际情况自动调整钻孔压力。在某隧道施工中，当遇到高应力围岩时，传感器检测到钻孔压力异常升高，智能控制系统立即自动降低钻孔压力，避免了因压力过大导致的岩石破碎和岩爆风险。同时，通过对钻孔压力的实时监测和调整，还能够及时发现岩石的软硬变化，为施工人员提供准确的地质信息，以便调整施工方案。
微震监测技术是通过在隧道周围布置微震传感器，实时监测围岩内部的微小地震活动，从而提前预测岩爆等地质灾害的发生。在高应力围岩环境下，岩石内部的应力集中会导致微破裂的产生和发展，这些微破裂会产生微小的地震波，即微震。微震监测系统能够捕捉到这些微震信号，并通过数据分析和处理，判断围岩的稳定性和岩爆的可能性。当监测到微震活动异常增加时，系统会及时发出警报，提醒施工人员采取相应的措施，如加强支护、调整施工工艺等，以避免岩爆的发生。在某高应力围岩隧道施工中，微震监测系统提前监测到围岩内部微震活动的异常变化，施工人员及时加强了支护措施，并调整了钻孔和爆破参数，成功避免了一次岩爆事故的发生，保障了施工安全。
自适应钻孔压力调节与微震监测技术的结合应用，为高应力围岩环境下的隧道施工提供了双重保障。通过实时监测和调整钻孔压力，以及对围岩微震活动的监测和分析，能够及时发现和处理施工过程中出现的问题，有效降低施工风险，保障施工安全和工程进度。
５ 结论
文章深入探讨了不同工法下全电脑凿岩台车的施工关键技术，通过对全电脑凿岩台车的技术原理、工法适配性、关键技术以及工程案例的详细分析，取得了以下重要研究成果：
在隧道开挖技术方面，基于台车参数进行爆破设计优化，运用激光定位与三维建模技术提高钻孔精度，研究扒渣系统与运输设备的协同作业模式提升出渣效率。在支护协同技术方面，优化湿喷机组与台车的工序衔接，基于ＦＬＡＣ３Ｄ数值模拟与现场量测数据进行围岩形变监测与动态支护调整。在特殊工况应对技术方面，针对高应力围岩环境，采用了自适应钻孔压力调节与微震监测技术。研究成果表明，全电脑凿岩台车通过技术创新与工法适配，显著推动了隧道施工的机械化与智能化进程。