長大隧道三臂鑿巖臺車快速施工方案

王文利

摘 要：在京沈高速鐵路客運專線三棱山隧道施工中，針對圍巖較破碎、開挖斷面較大的Ⅳ級圍巖采用鉆爆法進行開挖，上下臺階法分部平行開挖，采用上臺階三臂鑿巖臺車與下臺階人工鉆爆相結(jié)合的方式，充分利用三臂鑿巖臺車快速、定位精確、安全的特點，各臺階進行平行交叉作業(yè)，通過優(yōu)化鉆爆參數(shù)，有效縮短循環(huán)作業(yè)時間、加快作業(yè)效率、提高鉆爆精度減少超欠挖，減少對圍巖的損傷，同時也節(jié)約初期支護成本，較好地實現(xiàn)了洞室的快速開挖。

關(guān)鍵詞：京沈客專 IV級圍巖 臺階法 三臂鑿巖臺車

中圖分類號：TV53 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）06（a）-0097-02

隨著我國高速鐵路建設(shè)的迅猛發(fā)展，在地形復(fù)雜的地區(qū)會興建越來越多的長大隧道，長大隧道施工工期長、投資大，合理的機械化施工方案通過減少勞動力的投入，降低能源和資源的消耗，提高施工效率，能夠保證經(jīng)濟效益提高和安全質(zhì)量可靠。鐵路隧道施工常用鉆爆法開挖，當前鉆爆法發(fā)展的一個方向為：利用多臂鉆（常用三臂鑿巖臺車）加快開挖成洞的速度，對于縮短循環(huán)作業(yè)時間、加快作業(yè)效率、提高鉆爆精度減少超欠挖、節(jié)約初期支護成本有著非常積極的作用，因此研究多臂鑿巖臺車在長大隧道中的施工方法顯得極為迫切和必要。

1 工程概況

中國路橋承建京沈客專遼寧段TJ-1標三棱山隧道位于遼寧省朝陽市、阜新市境內(nèi)，隧道全長8 888 m。隧道進口位于北票市馬友營鄉(xiāng)東臺子村，與101國道相鄰。隧道進口起始里程為DK493+415，設(shè)計縱坡為4.8‰的單面下坡，共承擔2 930 m的施工任務(wù)。其中開挖里程為DK493+880-918，圍巖等級為IV級，襯砌類型為IVa-2、IVa-1。該地段工程地質(zhì)情況為：凝灰?guī)r，局部夾凝灰質(zhì)砂頁巖，強至弱風化，灰色，凝灰質(zhì)結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體較破碎，塊石碎石狀鑲嵌結(jié)構(gòu)。隧道開挖斷面面積為147.03 m2，其中三臂鑿巖臺車開挖上臺階斷面面積為86 m2，臺階高度7.53 m，開挖寬度15.06 m。

2 施工準備

2.1 超前探孔

為及時掌握施工掌子面前方的地質(zhì)情況，對不良地質(zhì)地段要做好超前地質(zhì)預(yù)報工作，超前地質(zhì)預(yù)報采用了地質(zhì)調(diào)查法和地震波反射法，分析圍巖的穩(wěn)定情況，據(jù)此預(yù)報掌子面前方圍巖的工程地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件。

2.2 用水用電

施工用電直接從臨近電網(wǎng)中接入施工現(xiàn)場。鑿巖臺車開挖所用的高壓電纜線架設(shè)在隧道右側(cè)拱墻以上，進洞500 m處放置50 kW的變壓器，進洞500 m后，采用（3×240+1×120）mm2鋁芯電纜給三臂供電，用電電壓為380 V。

在洞內(nèi)550 m處安裝一個5×2.5×2.5=31.25 m3的儲水罐，在水罐上安裝一臺功率為22 kW的水泵向洞內(nèi)供水，洞內(nèi)水罐前采用Φ100mm供水管，水罐后采用Φ80mm供水管，洞內(nèi)臺車施工前從水井向儲水罐注水，直至洞內(nèi)用水結(jié)束。

2.3 測量放線

測量人員應(yīng)嚴格按設(shè)計放線，放線利用全站儀精確放出上、下臺階開挖輪廓線、隧道中線，用紅色油漆畫開挖輪廓與布置炮眼，測量組應(yīng)在鉆眼前及時對上一循環(huán)輪廓線進行復(fù)核并做標記，便于三臂鑿巖臺車操作手鉆孔作業(yè)。

3 三臂鑿巖臺車的施工要點

3.1 鉆爆設(shè)計

3.1.1 爆破材料

炸藥種類及藥卷直徑。三棱山隧道爆破采用二號巖石乳化炸藥，光面爆破周邊孔采用φ32mm直徑普通藥卷，掏槽孔及輔助孔均采用φ32mm直徑藥卷。

3.1.2 掏槽形式及裝藥結(jié)構(gòu)

掏槽眼采用4排對稱斜眼掏槽的形式，周邊孔與輔助孔的孔底在同一垂直面上。為更好地達到爆破效果，周邊孔采用縱向間隔綁扎在竹片+導(dǎo)爆索上進行空氣間隔不耦合裝藥結(jié)構(gòu)，其他炮孔采用連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)。炮孔堵塞采用炮泥堵塞，長度不小于20～25 cm，松緊適度。

3.1.3 炮眼數(shù)量

上臺階掏槽眼采用4排對稱的斜眼掏槽的形式，孔口距50～80 cm，孔深為2.2 m，炮眼數(shù)量為16個。輔助眼間距第一排為50 cm，后排眼間距為60 cm，炮眼數(shù)量為98個。周邊眼炮眼的數(shù)量為54個，炮眼間距為40 cm，炮眼深度為2 m。底眼設(shè)置一排，垂直于開挖面打眼，炮眼間距為80 cm，炮眼數(shù)量為19個。下臺階輔助眼橫向間距為80 cm，縱向間距為100 cm，孔深為2 m，炮眼數(shù)量為25個。周邊眼間距為40 cm，數(shù)量為25個，底板眼間距為70 cm，數(shù)量為25個。鉆爆設(shè)計圖見圖1。

3.2 臺車作業(yè)

該隧道采用鉆爆法施工，Ⅳ級圍巖采用正臺階光面爆破施工，上臺階施工采用自制簡易臺車配合1臺三臂鑿巖臺車施鉆，下臺階采用4臺風動鑿巖機鉆眼。由于掌子面存在不平整的情況，盡量保證眼底在同一平面上，每個孔完成鉆鑿后，鉆臂自動進行水霧吹渣清孔。為防止后期鉆眼過程中危石掉落使掌子面底部堆滿影響底眼鉆進先進行底板眼施工，然后再同時施工周邊眼及其他炮眼。在右半面底板眼鉆完后，1號、3號臂分別鉆上部周邊眼、下部周邊眼，2號臂鉆掏槽眼。周邊眼鉆完之后1號臂鉆上部輔助眼、3號臂鉆下部輔助眼。鉆孔時應(yīng)避免兩作業(yè)臂在一個垂直面上下作業(yè)，以免在作業(yè)過程中因上方施鉆擾動可能的掉落巖塊將下方作業(yè)臂砸損。在鉆進過程中需要注意的事項如下：（1）在上臺階對掌子面及周邊輪廓進行鉆孔的過程中，上循環(huán)的爆破導(dǎo)致存在開挖面不平整的情況，這就加大了鉆頭鉆進的難度，在施工時應(yīng)先沿弧面低沖擊低推進開一個淺孔，在卡好位之后控制好鉆頭方向進行鉆進。（2）鉆頭鉆進過程中鉆進方向發(fā)生變化或者發(fā)生坍孔導(dǎo)致卡鉆現(xiàn)象，應(yīng)立即停止鉆進，進行清鉆工作并重新選取眼位。鉆眼過程中應(yīng)根據(jù)掌子面圍巖的具體情況來選擇開眼位置以及調(diào)整輔助眼間距。（3）鉆進方向易偏移的位置，要低沖擊、低推進慢慢鉆進并隨鉆進隨時檢查鉆進方向；開孔或圍巖較差時，要低沖擊、低推進鉆進；圍巖較好，鉆進一定深度后，采用高沖擊、高推進鉆進。

3.3 通風出渣

隧道施工通風采用AD-三速木林森壓入式風機，直徑為1.5 m，來實現(xiàn)盡快的出渣作業(yè)。爆破后及時進行通風排煙，達到規(guī)范要求后，隨著循環(huán)進尺的推進，增加自卸卡車的數(shù)量以滿足施工的進度，滿足生產(chǎn)需要。上臺階采用2臺裝載機配合自卸汽車，下臺階采用1臺挖掘機配合自卸汽車進行出渣作業(yè)。

4 與人工鉆爆法施工對比分析

（1）進度方面。對于中、硬巖每分鐘1.5 m，三臂鑿巖臺車鉆進單孔時間約為2 min，而人工成孔約為10 min/孔，三臂鑿巖臺車開挖Ⅲ級圍巖最高紀錄為171 m/月。

（2）安全方面。人工開挖時，操作工人距離掌子面較近，直接暴露在初支后的巖體下，掌子面圍巖及以開挖的巖體受到震動容易發(fā)生掉塊、塌方等現(xiàn)象，作業(yè)工人安全性差。操作人員在操作平臺上進行作業(yè)，距掌子面較遠，極大地增加了操作人員安全系數(shù)，另一方面三臂鑿巖臺車鉆進過程中，掌子面工作人員為1名觀察員+3名司鉆工，而人工開挖掌子面需要至少14把風槍，配備不少于16名作業(yè)人員，總的受風險人數(shù)上大大降低。

（3）質(zhì)量方面。人工開挖受工人技術(shù)水平及勞動強度限制，周邊眼間距經(jīng)常出現(xiàn)超出爆破設(shè)計，外插角度也會由于作業(yè)工人責任心問題出現(xiàn)外插角過大，影響爆破效果。三臂鑿巖臺車打孔作業(yè)時，采用機械臂定位，開孔位置準確，鉆孔間距全部在爆破設(shè)計要求范圍內(nèi)，外插角用機械臂控制，標準統(tǒng)一，相同進尺情況下，三臂鑿巖臺車開挖效果好于人工開挖。

（4）作業(yè)環(huán)境方面。人工開挖采用空壓機風動提供動力，作業(yè)時排出的是濕霧狀廢氣，空氣質(zhì)量差。通常采用的YT-28風槍重量28 kg，作業(yè)工人勞動強度大，風槍噪音大，雖沒有實測，感覺從事開挖作業(yè)人員幾乎無法承受，初步估計超過90 Hz，作業(yè)環(huán)境也較臟。三臂鑿巖臺車采用封閉式油路系統(tǒng)，空氣較清新，污染少，為施工人員提供了一個良好的作業(yè)環(huán)境。

5 結(jié)語

在隧道機械化施工技術(shù)不斷進步的今天，三臂鑿巖臺車應(yīng)用于Ⅳ級圍巖臺階法光面爆破中，鉆眼單循環(huán)速度快、安全性能高、超挖量少，通過鉆爆參數(shù)的不斷優(yōu)化，很好地實現(xiàn)了隧道洞身開挖鉆孔作業(yè)，實現(xiàn)隧道洞身開挖支護的快速施工，改善作業(yè)環(huán)境，節(jié)約工程成本，為相關(guān)隧道機械化開挖施工提供工程經(jīng)驗借鑒。

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