三臂凿岩台车在隧道开挖施工中的应用研究
三臂凿岩台车是一种高度机械化、自动化的隧道掘进设备，集钻孔、装药、爆破、通风、除尘、渣碴清理功能于一体，大大提高了隧道掘进效率，缩短了工期，降低了人工成本，改善了作业环境。目前，三臂凿岩台车已经在国内外众多隧道工程中得到应用，取得了显著的经济效益和社会效益。然而，如何充分发挥三臂凿岩台车的技术优势，优化其在不同地质条件下的施工工艺参数，确保隧道开挖施工的安全高效，仍需要进行深入研究。
１ 三臂凿岩台车的基本结构与工作原理
三臂凿岩台车是一种高度集成化的隧道掘进设备。其主体结构由行走机构、供电系统、控制系统、顶靠桅杆、工作臂以及凿岩装置等部件组成，如图１所示。
三臂凿岩台车的核心部件是３个独立的工作臂，每个工作臂都装配有１台凿岩钻机。工作臂采用伸缩臂结构，通过液压缸的驱动实现伸缩和摆动，可以覆盖整个隧道掌子面。凿岩钻机多采用液压驱动方式，冲击频率为每分钟３０００～４０００击，单台钻机的凿岩进尺达１５０～２００ｍｍ／ｍｉｎ。钻机配备除尘装置。钻孔径向一般为４０～５０ｍｍ。整个设备配置可编程逻辑控制器（Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｌｏｇｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ，ＰＬＣ），可以实现钻孔参数设定和全自动钻进作业。
工作时，三臂凿岩台车先通过行走机构（履带或轮胎）精准定位，而后顶靠桅杆伸出将台车紧固于掌子面，由３个工作臂根据设计图纸进行钻孔作业。三臂凿岩台车完成１个循环作业的时间为３０～４０ｍｉｎ，可以钻孔８０～１００个，完成２０～４０ｍ²的掌子面凿岩，综合凿岩效率为每台班５０～８０ｍ³，是人工凿岩的１０倍以上。凿岩完成后，工作人员可以在炮孔中装填炸药，台车自动或靠人工后退到安全位置，然后引爆炸药，完成爆破作业。通风除尘后，出渣机将渣碴运出，完成１次开挖循环。三臂凿岩台车为全液压传动，采用集中动力系统，台车载质量为４０～５５ｔ，配备１１０～１６５ｋＷ柴油发动机，油箱容积为８００～１０００Ｌ，续航时间为２０～３０ｈ，满足长距离掘进作业需求。
２ 三臂凿岩台车在隧道开挖施工中作用与优势
三臂凿岩台车的应用彻底改变了传统隧道施工的作业模式，显著提升了隧道开挖的机械化、自动化水平。与人工凿岩或单臂凿岩机相比，三臂凿岩台车具有诸多优势。第一，三臂凿岩台车凿岩效率极高，单台设备的综合凿岩效率为每台班５０～８０ｍ³，是人工凿岩效率的１０倍以上，大大缩短了隧道掘进工期。第二，三臂凿岩台车可以实现钻孔、装药、爆破、通风、除尘以及渣碴清理等多项工序的一体化作业，减少了工序间的衔接损耗，提高了施工的效率和连续性。第三，三臂凿岩台车采用液压驱动、ＰＬＣ控制，可以实现钻孔参数优化和全自动钻进作业，减少人为因素干扰，确保凿岩质量的稳定性。综上所述，三臂凿岩台车以其高效性、集成性、自动化及环保性等优��，有力推动了隧道工程的技术进步，已经成为大断面、长隧道施工的首选装备，在未来的隧道工程建设中必将发挥重要作用。
３ 三臂凿岩台车在隧道开挖施工中的应用
３．１ 工作面设计与布孔方案优化
在隧道开挖施工中应用三臂凿岩台车，首先需要对工作面进行科学设计和布孔方案优化。设计人员需要综合考虑隧道断面尺寸、围岩地质条件、地应力状态等因素，合理确定凿岩循环进尺、炮孔数量、孔径、孔深、角度、排距等参数。一般情况下，隧道掌子面采用中深孔梯段式布孔，周边“眉部”和掌子面中心设置光面孔，呈现六角形＋十字形的布孔形态。三臂凿岩台车的布孔方案通常将掌子面划分为７～９个区域，每个区域由１个工作臂负责，布孔密度为每平方米１.０～１.５个孔。大断面隧道还可以采用双台阶双侧壁导坑法进行布孔，利用三臂凿岩台车的多工作臂优势，实现台阶与侧壁同步作业。
基于三臂凿岩台车的技术特点，在工作面设计时应优化布孔参数。周边“眉部”控制孔采用小角度（５°～１５°）、小孔距（５０～７０ｃｍ）布设，中心区域采用大角度（１５°～２０°）、大孔距（８０～１００ｃｍ）布设，既能有效控制超欠挖，又能实现快速掘进。此外，炮孔直径应与凿岩钻机性能相匹配，一般选择４０～５０ｍｍ。凿岩循环进尺应控制在２.０～３.０ｍ，孔深一般不超过４.０ｍ，以保证钻孔质量和台车的稳定性。经优化设计，三臂凿岩台车单循环作业时间可以控制在３０～４０ｍｉｎ，凿岩效率可提升２０％～３０％。科学合理的工作面设计与布孔方案是三臂凿岩台车高效发挥性能的基础，也是隧道开挖施工成败的关键。
３．２ 设备安装调试与定位
三臂凿岩台车进场后，需要经过严格的安装调试和精确的定位，才能投入正式施工作业。首先，要根据设备总装图在专用安装平台上组装台车。三臂凿岩台车结构复杂、部件繁多，因此其安装过程必须严格遵守装配工艺和技术规范，将紧固件的力矩控制在规定范围内（一般为１００～１５０Ｎ·ｍ），并仔细检查液压管路和电气线路的连接，确保无渗漏和故障。其次，要对台车各系统进行单机调试，包括供电系统、行走机构、顶靠桅杆、工作臂及凿岩装置等，检测其运行状态是否正常。调试过程中，凿岩钻机空载转速应达到额定转速的９０％以上，顶靠桅杆展开力不低于３００ｋＮ，行走速度不低于５ｋｍ／ｈ。最后，整机联动调试，模拟实际作业工况，优化协调各部件的工作参数，使其满足隧道掘进要求。
在开挖作业前，还需要精确定位台车。首先，利用全站仪或激光指向仪，根据控制网和隧道中线，测定凿岩工作面中心位置的坐标，并用激光投点仪投射在掌子面上。其次，操作台车行走机构，使凿岩钻机中心对准投射点，偏差控制在±２０ｍｍ以内。再次，调平台车机架，使其与隧道轴线垂直，高程误差不超过±３０ｍｍ。最后，伸出顶靠桅杆，将台车紧固在掌子面上，４个支撑点位置偏差不得超过５０ｍｍ，顶靠力不应小于５００ｋＮ。经过精心安装调试与精确定位，三臂凿岩台车方可高效、高质量地完成隧道凿岩作业。
３．３ 凿岩作业工艺参数选择
三臂凿岩台车在隧道掘进中的凿岩作业效率和质量，在很大程度上取决于凿岩工艺参数的选择。工艺参数主要包括凿岩钻机转速、推进力、冲击频率、给进量等，需要根据岩石强度、风化程度、节理裂隙发育情况等地质条件进行优化组合。一般来说，岩石强度越高，采用的钻机转速越低，推进力越大，给进量越小。例如：对于强度为８０～１２０ＭＰａ的硬岩，钻机转速宜控制在１５０～２５０ｒ／ｍｉｎ，推进力为３０～５０ｋＮ，给进量为３０～５０ｍｍ／ｍｉｎ；而对于强度为３０～８０ＭＰａ的中硬岩，钻机转速可以提高到２５０～３５０ｒ／ｍｉｎ，推进力降低为２０～４０ｋＮ，给进量增大到５０～８０ｍｍ／ｍｉｎ。此外，需考虑钻头直径与岩石硬度的匹配性。钻头直径过小则钻进效率较低，而过大则容易卡钻。通常，在硬岩中凿岩使用Φ４２～４８ｍｍ的钻头，在中硬岩中凿岩采用Φ４８～５５ｍｍ的钻头。
对于风化岩体，凿岩参数应适当降低，以避免钻孔坍塌和掉块。在破碎岩体中，可以采用小进尺、多循环的凿岩方式，控制每循环进尺在１.５ｍ以内。在节理裂隙发育的岩体中，要注意钻头偏斜问题，应适当增大推进力和减小给进量。
３．４ 凿岩过程中的安全防护
在应用三臂凿岩台车进行隧道凿岩作业的过程中存在诸多安全风险，如岩石坍塌、掉块与飞石、粉尘和噪声污染、设备故障及炮孔装药爆破等，必须采取严格的安全防护措施。首先，作业人员应佩戴安全帽、防尘面罩、耳罩等个人防护装备，操作台车的驾驶员还需要穿戴防振手套和安全带。台车上应配备照明灯、警示灯，以确保在昏暗环境或夜间施工时照明充足。其次，台车工作范围内严禁无关人员进入，并设置安全警戒线，且警戒线与掌子面距离不应小于５ｍ。凿岩钻机工作时，操作人员不得在钻机前方停留，避免飞石伤人。再次，凿岩过程中应保持良好的通风环境。隧道掌子面风速不应小于０.２５ｍ／ｓ，粉尘浓度应控制在５ｍｇ／ｍ³以下，必要时启用台车自带的湿式除尘装置。对于凿岩噪声，应采取隔音、消声等措施加以控制，确保噪声低于８５ｄＢ。最后，要加强台车的日常维护和保养，定期检查液压系统、钻机部件、电气线路等，若发现故障应及时修复。此外，在每个凿岩循环结束，工作人员要仔细检查炮孔质量，清理孔内岩粉并测量孔深，对于不合格的炮孔应重新进行钻凿。装填炸药时，严禁携带金属工具和明火，同时要单独存放和运输雷管和导爆索。爆破时严格执行撤离制度，等待所有人员撤离到安全位置后方可起爆。通过建立健全的安全管理制度和作业规程，加强现场监管和技术培训，使得三臂凿岩台车能够在隧道施工中安全、高效运行。
３．５ 后期循环施工管理
三臂凿岩台车在隧道掘进中的高效运行，离不开科学合理的后期循环施工管理。施工管理的核心是缩短凿岩爆破循环时间，减少辅助工序衔接的无效时间损耗，最大限度提高掘进效率。为了缩短循环时间，可以采取如下管理措施：第一，缩短台车移机和调整位置的时间；第二，通过优选凿岩工艺参数，加快单臂钻机的钻进速度，进而提高凿岩钻机的钻进效率；第三，合理安排爆破和通风时序，在装药的同时进行通风，并在爆破结束后立即开启通风机，尽快完成排烟；第四，装载机和出渣汽车采用流水作业的方式，避免相互干扰和等待，加快出渣速度；第五，加强设备的日常养护和管理，建立台车运行状态数据库，实时监测和统计分析钻机、发动机、液压泵等关键部件的工作参数，以便及时发现异常磨损和故障隐患，进而降低设备损坏率。通过优化循环时间和加强设备管理，建立高效协同的凿岩爆破出渣运输一体化作业体系，将进一步提高三臂凿岩台车在后期施工中的掘进效率，为隧道工程的快速推进提供有力保障。
４ 结语
三臂凿岩台车具有高效、机动性强、自动化程度高等优势，大幅提高了隧道掘进效率，改善了施工作业环境，推动了隧道工程建设的机械化、智能化发展。但是，三臂凿岩台车的施工工艺还有进一步优化的空间，如提高多臂协同作业效率、加强设备的智能化控制和故障诊断功能以及开发与台车配套的快速装药和出渣设备等。未来，随着人工智能、大数据、物联网等新兴技术的发展，三臂凿岩台车有望实现更加智能化、无人化的操控，并与全断面硬岩隧道掘进机（Ｔｕｎｎｅｌ Ｂｏｒｉｎｇ Ｍａｃｈｉｎｅ，ＴＢＭ）、掘进机器人等设备进行互联互通和协同作业，最终建立全过程自动化的隧道掘进施工体系，为我国隧道工程的建设提供更加先进高效的装备。