三臂凿岩台车自调节气雾排渣技术在长大深埋隧道中的应用研究
１ 工程概况
新建高原铁路某隧道２号斜井：斜井长５５５ｍ，坡度ｉ＝-５.２％，洞口高程３５８３ｍ；进入主洞后，向小里程方向施工２１８２ｍ，向大里程方向施工３６７０ｍ，隧道最大埋深１３１９ｍ，为长大深埋隧道，隧道断面类型ＤＰ－４０００－Ⅳ［ａ２］复合式衬砌断面（见图１）。
本隧道谱系机械化配套工装，采用全断面法施工，主要配备了三臂凿岩台车、锚注一体机、拱架安装台车、湿喷机械手、多功能钻机等。其中掌子面钻爆开挖采用高原型全电脑ＺＹＳ１１３Ｇ三臂凿岩台车钻眼，三臂凿岩台车在钻孔过程中，钻孔单臂排渣耗水量达６５～１００Ｌ／ｍｉｎ，用水量过大；因反坡施工泥水易堵塞底板眼，增加钻孔、装药工序时间；积水长时间浸泡围岩不仅影响掌子面稳定且严重影响现场文明施工。基于以上情况，进行了三臂凿岩台车钻孔自调节气雾排渣技术的应用研究。
２ 应用背景
２．１ 三臂凿岩台车
在隧道工程施工中，三臂凿岩台车的应用能够较大程度的提高施工效率，为隧道安全提供保障。随着国内装备制造技术的发展，国产化三臂凿岩台车技术逐渐成熟，使用三臂凿岩台车进行长大深埋隧道钻爆开挖已成为隧道凿岩技术发展的重要趋势。与人工钻爆相比，三臂凿岩台车施工作业环境大大改善；作业安全系数明显提高；钻孔质量明显提高；降低装药量、显著提高光面爆破效果；劳动力投入大大减少、劳动强度降低、施工效率有所提高；可同时满足超前锚杆、系统锚杆钻孔等明显优势。
２＃斜井使用一台高原型全电脑ＺＹＳ１１３Ｇ三臂凿岩台车进行掘进施工。车身长１７.６ｍ，宽２.９ｍ，高３.６ｍ，整机重量５２ｔ，整机功率３２５ｋＷ，钻杆长５.３ｍ，钻深５ｍ左右，钻头为可拆卸式，有４５ｍｍ、６７ｍｍ、７６ｍｍ，根据需要可合理配置。ＺＹＳ１１３Ｇ全电脑三臂凿岩台车具有智能定位、自动钻孔、３Ｄ轮廓扫描、地质钻探与分析、远程监测、故障诊断等功能，主要特点有自动化、信息化程度高、工作范围大、钻臂定位准确、方便并且可以随时调整，安装有自动保护的防卡钎装置，安全性能高。
２．２ 气雾排渣
三臂凿岩台车钻孔施工时，通常采用高压风钻进、高压水降温排渣，高压水消耗量大、同时从掌子面抽排至洞外消耗大量电力资源、同时易造成环境污染。而纯采用气排渣又会导致灰尘污染大，影响作业人员身体健康。三臂凿岩台车钻孔施工中采用自调节气雾排渣利用了水雾与粉尘碰撞、凝集、黏附、静电吸附等综合作用提高尘沉重量与表面积的比值，从而达到降尘和消尘的目的，同时也降低了水资源的消耗，减少浪费。
钻孔气雾排渣对水雾量要求非常高，特别是４５ｍｍ的钻孔，水量大易造成卡钻，��量小粉尘大，而掌子面围岩是复杂多变的，单独使用一种水量往往无法完成整个掌子面钻孔排渣，因此采用气雾排渣技术需要能够实时无级调节水量。一般的气雾排渣系统，大多采用水和高压气直接混合形成水雾，水雾易受负载波动的影响，形成的水雾不均匀、不稳定，也容易导致卡钻；且现有系统水量大多无法调节，即使水量能无级调节，也只能依靠人工判断，但由于人工调节影响滞后，极易造成卡钻，影响钻孔效率。
３ 自调节气雾排渣主要工艺及控制要点
３．１ 系统组成及工艺原理
ＱＷＰ４５气雾排渣系统装置是一种自调节型气雾排渣系统（见图２），其可根据围岩情况进行自适应调节，解决水雾不均匀、不稳定，容易导致卡钻的问题。ＱＷＰ４５自调节型气雾排渣系统包括电气控制系统（１）、钻孔参数检测装置（２）、三臂凿岩台车钻机（３）及水雾除尘系统（４）（见图３）。
水雾除尘系统是装置中主要系统，调节钻孔中水和高压气的配合工作，包括水支路和气支路（４.１、水箱，４.２、球阀，４.３、过滤器，４.４、水泵，４.５、压力调节阀，４.６、第一单向阀，４.７、水流量调节阀，４.８、雾化装置，４.９、气量调节阀，４.１０、第二单向阀，４.１１、空压机），钻孔参数检测装置用于实时检测钻孔时的钻孔参数数据，并将数据反馈到电气控制系统，电气控制系统根据反馈的数据对水雾除尘系统的水雾参数进行实时自调节，可实现自调节控制水雾。
３．２ 工艺流程（见图４）
①水支路：水支路用于控制水流量、水压参数，调节其中至少一个参数可实现改变水雾量。驾驶室中设置调节旋钮，可根据围岩变化、粉尘情况实时调节排渣降尘水量，通过雾化装置在钻孔时实现由水流到水雾的转变。水支路主要包括供水单元和雾化装置４.８，供水单元包括水箱４.１过滤器４.３、水泵４.４和压力调节阀４.５。
水箱、过滤器和水泵通过管路依次连接，水箱用于提供水源，过滤器用于过滤水中的杂质。过滤器连接有排渣支路，排渣支路上设有球阀４.２，正常工作时球阀处于关闭状态，需要排除杂质时打开球阀进行排渣。
水泵一端连接水源，另一端通过压力调节阀连接雾化装置；水泵用于泵送压力水，压力调节阀用于控制水支路中的水压雾化装置用于将水雾化成喷雾，雾化装置的出口端与气支路的出口端连通后通过一个出口与三臂凿岩台车３的前端连接，从而实现喷雾与高压气在三臂凿岩台车的前端进行混合形成水雾，水雾再进入钻孔内部与钻孔过程中形成的粉尘混合后由高压气携带排出。压力调节阀与雾化装置之间设有水流量调节阀４.７，通过水流量调节阀可以精确调节水支路中的水流量；同时，若不设置水流量调节阀，也可通过水泵来调节水流量。
②气支路：气支路用于控制气流量和气压参数。气支路包括空压机４.１１和气量调节阀４.９，气量调节阀一端通过管路连接空压机，另一端通过管路与雾化装置的出口端以及三臂凿岩台车连通。空压机压缩空气提供高压气通过管路与三臂台车配置的快速接头配合，通过手动球阀开关，将外接高压气送至气路分流块，将外接气分为三路，分别连接至左中右三臂，每个气路配置球阀可单独控制通断。
③检测控制：喷雾和高压气混合形成水雾后再进入钻孔，钻孔时，由电气控制系统控制水雾量由小缓慢增大至最佳钻孔预设水雾参数值，此时钻孔效率及除尘效果最佳；钻孔过程中，若遇围岩变化，钻孔参数升高至防卡钻设定值，快速降低水雾除尘系统的水流量及钻机设备的钻孔参数，待钻孔参数恢复正常后再自动调大水流量及钻孔参数，自动钻孔。
同时气支路和水支路上均设有用于防止倒灌的单向阀，防止高压气倒灌进入水支路中，同时也防止压力水倒灌进入气支路中；空压机与气量调节阀之间设置第二单向阀４.１０，压力调节阀与水流量调节阀之间设置第一单向阀，第一单向阀和第二单向阀的设置位置并不局限于以上方式，单向阀的位置可以根据实际进行调整，如单向阀均设置在水支路和气支路的出口端同样可以防止倒灌。
④自调节：电气控制系统将接收到的数据与防卡钻设定值比较，实时调节水雾流量，响应快速，实现钻孔过程中的排渣水雾量与围岩自适应；通过调节水雾参数（水流量、水压、气流量和气压）满足不同岩层与工况的除尘需求，大幅降低卡钻几率，提高钻孔效率，达到钻孔效率及除尘效果最佳。
３．３ 施工要点
①外接气源要求：压力≥１.２５ＭＰａ；气量≥１２ｍ³／ｍｉｎ。
②排渣水量要求：在使用过程中水压控制在１.８ＭＰａ左右，水量稳定保持在０.５～１.０Ｌ／ｍｉｎ，三个臂排渣降尘耗水量≤３Ｌ／ｍｉｎ。
③水源要求：采用外接气气雾排渣时对供水要求压力０.２～１ＭＰａ，水量不低于１８０Ｌ／ｈ。
④安装要求：装置安装过程中注意三臂台车内部管线布置，避免出现错误搭接导致电力故障。
４ 优点及应用成效
４．１ 节约用水
采用水流量调节阀和气量调节阀，可以精准调节所需水流量，实现水流量无级调节，保证作业效率及除尘效果；不仅可以节水环保，还能在最大限度提高钻孔效率的前提下保证除尘效率。
在高原型全电脑ＺＹＳ１１３Ｇ三臂凿岩台车上进行加装ＱＷＰ４５自调节气雾排渣装置后，钻孔时单孔用水量０.５～１.０Ｌ／ｍｉｎ，对比水排渣单孔用水量６５～１００Ｌ／ｍｉｎ，钻孔节水率可达到９０％以上。对缺水地区、遇水不稳定岩层钻孔施工有巨大优势。
４．２ 提升了掌子面文明施工标准
通过使用ＱＷＰ４５自调节型气雾排渣装置，采用先将喷雾与高压气混合形成水雾再进入钻孔的方式，气雾排渣替代了水排渣和气排渣，减少水量的消耗和浪费，保护环境。
ＱＷＰ４５自调节型气雾排渣装置形成的气雾均匀稳定，降尘效果好，施工粉尘污染小，改善隧道内作业环境，与之掌子面积水大大减少，综合提升了掌子面文明施工水平。
４．３ 节省成本、加快进度
三臂凿岩台车钻孔能更好地控制外插角，将外插角控制在４°以内，控制超欠挖量，减少处理欠挖时间，采用ＱＷＰ４５自调节型气雾排渣装置无需改变原有钻孔作业方式及钻具，实现高效钻孔排渣除尘。
同时经采取钻孔自调节气雾排渣方式后，掌子面反坡排水量大大减少，节省了抽水费用；因掌子面积水减少，底板眼清孔工序时间减少１５ｍｉｎ，加快了施工进度，从而节约施工成本。
４．４ 提升掌子面安全性
三臂凿岩台车开挖工作面人员密度小且主要操作人员处于三臂凿岩台车防护顶棚保护之下，降低了掌子面落石、危石伤人的可能性。面对岩爆等不良地质情况，掌子面施工人员的减少，大大降低了危险发生的可能性。采用自调节气雾排渣系统后，一方面减少粉尘同时减少了废气排放，空气较清晰，工人作业环境好，安全性高，另一方面减轻掌子面积水长时间浸泡软弱围岩，降低风险，提升掌子面安全性。
４．５ 功效对比
三臂凿岩台车安装ＱＷＰ４５自调节型气雾排渣装置后，通过多个循环与原三臂凿岩台车水流钻孔进行比对，发现气雾排渣其施工功效与原水流钻孔功效持平，钻孔时间维持在１.５ｈ左右，见表１，气雾排渣在发挥多种优秀成效时功效还与水流钻孔持平，ＱＷＰ４５自调节型气雾排渣装置适合进行推广应用。
５ 创新点及成果
与常规三臂凿岩台车大机钻孔水流排渣工艺相比，自调节气雾排渣节水工艺优势明显，节能环保、减少水资源的使用，减少了掌子面钻孔产生的污水量，也减轻反坡隧道掌子面积水浸泡带来的安全风险。
６ 经济与社会效益
① 经济效益：ＱＷＰ４５自调节型气雾排渣装置４.８万元。增加该装置后：每循环减少用水３９９６０Ｌ；减少污水抽排２９９７０Ｌ；减少工序时间１５ｍｉｎ，单循环总计节省费用约３０７５元。１６个循环后可收回设备投入费用。
②社会效益：三臂凿岩台车钻孔气雾排渣技术的应用，节能环保、减少水资源的使用，对缺水地区、遇水不稳定岩层钻孔施工有巨大优势。
ＱＷＰ４５自调节型气雾排渣系统根据围岩情况进行自适应调节，有效解决水雾不均匀、不稳定，容易卡钻问题，不仅使钻孔粉尘污染小、洞内作业环境得到改善，同时用水量与掌子面积水同步减少，减轻了反坡隧道掌子面围岩长时间浸泡风险，提高了隧道安全性；相应的减少了隧道抽排水费用，降低了施工成本。