２０１３年第３２卷第４期．ＤＷＲＨＥ水利水电工程设计 ·ｌ５· 阿特拉斯３５３Ｅ型三臂凿岩台车 在某隧道开挖工程中的应用 李文富 郭晓轩 摘 要 在隧道开挖施工中，如何加快工程进度、实现快速掘进，主要取决于施工机械配置、工序作业时间及工序 衔接等。常规的隧道开挖机械主要采用风动气腿式的手持凿岩机，施工效率低。研究采用三臂凿岩台车施工技术， 从台车改造、爆破参数设计优化和增设洞室等方面进行论证，从而实现了隧道的快速、安全和高效施工。 关键词 隧道 三臂凿岩台车 钻爆法 快速施工 中图分类号ＴＶ５３ 文献标识码Ｂ文章编号１００７—６９８０（２０１３）０４—００１５—０３ 目前对于隧道钻爆法开挖施工，主要还是采用风动气 腿式的手持凿岩机钻孑Ｌ，施工效率较低。要实现隧道的快 速掘进施工，主要需解决的问题是如何缩短施工工序的作 业时间和工序衔接时间．因此。必须选择配套作业的施工 机械．提高配套作业的整体效率，减少工序转换时各种机 械的相互避让时间，同时选择大功率、高效率的施工机械， 提高单机作业能力和效率，缩短主要施工工序的作业时间。 三臂凿岩台车是隧道钻爆法施工中最先进的开挖设备，在大 断面隧道及地下洞室开挖中应用较多．但在较小断面隧道 施工中，由于空间有限，影响台车的机械效率发挥，因此 还未见有文献资料报道。随着劳动力成本节节攀升，以及 对工程质量、工期，尤其是对安全的高度重视，液压凿岩 台车施工技术成为专业化施工队伍做大做强理应发展的技 图１Ⅲ类围岩开挖断面图（单位：ｍｍ） 术，从降低人工开挖劳动强度、改善作业环境和充分发挥 机械设备效率来说。进行机械化作业也是今后隧道施工的发 展方向Ⅲ。针对这种现状。本文对某工程隧道进行施工应用 ２三臂凿岩台车应用技术研究 ２．１ 液压凿岩台车特点及改造 台车进场前采用人工钻爆法开挖到桩号０＋３２６．５处． 为了加快施工进度，决定从０＋３２６．５开始采用台车开挖。 工程现场进场１台瑞典阿特拉斯３５３Ｅ型三臂凿岩台车．其 基本特点及工作条件为：阿特拉斯３５３Ｅ型全液压三臂凿岩 台车整车由底盘、钻臂、推进梁、凿岩机、服务平台、液 压控制系统、空压机及水泵等组成。作业时钻臂覆盖面积 可达１６８ ，钻孔直径范围４３～１０２ ｍｍ。可以进行钻爆孔、 总结．采用三臂凿岩台车施工技术．从台车改造适应断面 形式、爆破参数设计优化、与手持式风动凿岩机经济技术 比较等方面进行试验、统计分析，从而解决了三臂凿岩台 车在小断面隧道中的灵活应用，实现了隧道的快速、安全 和高效施工。 １工程概况 某隧道长度２ １２４．３７３ ｍ，开挖断面为圆拱直墙形，高 ７．９２ ｍ，宽６．８４ ｍ，其中直墙高４．５０ ｍ，圆弧高３．４２ ｍ。 开挖断面面积４９－４５ ，纵向坡度５．５７％，洞室埋深为 锚杆孔、注浆孑Ｌ、管棚施工、装药、安装锚杆、灌浆以及 安装风水管等高空作业。该设备作业海拔最高为３ ０００ ｍ， 作业环境温度为一２Ｏ～４５℃，可以在多粉尘及潮湿的隧道、 １００～３００ ｍ之间。洞室围岩岩性主要为太古代混合花岗岩， 以弱风化一微风化为主，节理较发育，节理面多平直光滑。 微张或闭合，一般无充填，主要以Ⅲ类围岩为主。岩体完 整性差一较完整，局部较破碎，一般为镶嵌结构一块状结 构，属中硬一坚硬岩。岩体透水性一般为微一弱透水．地 下水多呈渗水一滴水状态，局部呈线状流水状态。断面型 式见图ｌ 地下等环境中正常作业。台车性能参数见表１。 按规范中的要求．当采用楔形掏槽时．台车推进梁的 角度ａ＝６０。时为爆破最佳效果，由于台车配置的标准推进 梁长度７．３ ｍ，而隧道开挖断面宽度只有６．８４ ｍ，经计算无 法满足楔形掏槽施工时的掏槽眼成孔。因此在台车进场后． 根据隧道的实际断面尺寸情况，为满足楔形掏槽眼的成孔。 经研究对台车的 臂推进梁进行了改装．由７．３ ｍ的标配 ·ｌ６· 水利水电工程设计ＤＷＲＨＥ·２０１３年第３２卷第４期 表ｌ台车性能参数表 项目名称 参数值 项目名称 参数值 整机质量／ｋｇ ３９ ０００ 水流量，（Ｌ－ｓ ） ３ Ｘ １．１ 整车尺寸 １３７０５× 最大作业 １４ ３４０ （长Ｘ宽Ｘ高）／ｍｒ． ３ ０５０×３４５０ 宽度／ｍｍ 液压泵 ３个双联泵 最大作业 １２０３０ 发动机 １７０ 高度／ｍｍ 额定功率／ｋｗ 最大行车 １８ 电力系统 １５０ 速度／（ｋｉｎ·ｈ ） 总功率／ｋＷ 最大爬坡能力 。） １５ 钻臂质量／ｋｇ ２ ７００ 钻臂摆动角，（ｏ）４５注、萄 空气流量，（ ｓ ） ２．５ 钻臂翻转角度，（。） ３６０ 推进梁改成了５．３ ｍ的推进梁，采用３．７ ｍ的标准钻杆。以 适应隧道的宽度及单循环进尺要求。 ２．２供电、供排水配套 ２＿２．１施工用电 由于台车对电源质量要求特别高，根据台车功率和洞 内排水流量，采用（１５０ｘ４＋７５）ｍｍ２铝芯电缆，以提供台车 动力和掌子面排水电源。进洞５００ ｍ后，由于电压降较大。 为保证相间电压，采用３５ｘ３ ｍｍ 高压电缆及１０ ｋＶ变压器 进洞。以保证凿岩台车的用电电压。 ２．２－２施工供水、排水 由于凿岩台车用水量较大。在洞口安装１个１０ ｍｓ储 水罐，洞内台车施工前，从水井内向储水罐内注水，直至 洞内用水结束。在水罐上安装１台ＩＲＧ５０—２００立式离心泵 （流量１２ ｍ３／ｈ，扬程为４４ ｍ）向洞内供水，洞内采用 １００ ｍｍ 供水管。 洞内排水采用多级抽水站，排水管采用 １２０ ｍｍ水 管，掌子面采用多台７．５ ｋＷ潜水污水泵（型号：６５—３Ｏ一 ４０—７．５）将污水抽至集水箱内，在集水箱内安装多级抽水机 向洞外沉淀池内排水。隧道洞外修建２座２０ ｍ３沉淀池， 用于洞内污水的沉淀净化。 ２．３测量准备工作 为了保证开挖的施工速度．改变了以往常规的施工测 量方法．采用全站仪测量与激光导向仪相结合的方法来控 制开挖。洞顶中心线位置安装１台激光指向仪，调整其激 光束方向与隧道轴线方向一致。台车定位后，测量人员站 在台车配备的多功能升降吊篮内，采用全站仪进行周边眼 的放样。同时．台车司钻人员根据激光指向仪投射在掌子 面上的激光点位置，先行成孔掏槽眼和辅助眼。通过这种 方法．测量放样就不再占用工序循环时间。每循环可节省 ３Ｏ～４５ ｍｉｎ测量放样时间。 ２．４爆破设计 为确保爆破安全，根据工程特点，对不同的爆破部位 选取不同的爆破参数和装药结构。对不同位置的炮孔的爆 破参数按其爆破破碎标准试爆后调整。以机械和人工相结 合的方法清理爆破现场。爆破开挖施工顺序：施工设备和 材料进场一爆破施工一清理爆破现场。 台车进场后，针对凿岩台车施工进行了钻爆设计，采 用楔形掏槽，并在实际施工中不断地对周边眼的间距、装 药量、掏槽眼的角度、最小抵抗线等进行优化。实际最大 进尺达到３ 循环，平均单循环进尺２．９ ｍ／循环，单位耗 药量达到１．４５ ｋｇ／ｍ 。如图２所示。 图２楔形掏槽眼布置示意图 图２中。为隧道宽度：ｂ为靠近隧道中心线的掏槽眼眼 底距离；Ｃ为循环进尺＋０．２ ｍ；Ｌ为推进梁的长度； 为楔 型掏槽时，推进梁的角度。 上述５个参数的数学关系如下： １ 循环进尺ｃ＝ （ａ－２Ｌｃｏｓ 一２ｂ）￣ｔａｎ ｏ／ 一般情况下：ｂ＝０．１ ｍ。 推进梁的角度 在６０。时，爆破效果最好。 隧道宽度ｏ＝６．８４ ｍ，按６．８ ｍ计算。 推进梁长度Ｌ＝５．３ Ｉｎ。 经计算：Ｃ＝Ｉ．１６ ｍ，循环进尺为Ｏ．９６ ｍ．不满足实际 进尺要求。 考虑实际情况，经计算：ａ＝６８。时才可满足台车施工进 度要求。 经过计算：循环进尺＝Ｃ一０．２＝３．０５ ｍ。 经过现场实践，爆破效果较好。 针对这种小断面隧道施工，为了发挥凿岩台车的成孔 性能，为以后类似工程积累经验，在施工过程中，还分别 进行了２个中空孔、３个中空孑Ｌ和４个中空孔的直眼掏槽 试验。直眼掏槽区域的炮孔间距小，成孔精度要求高，在 实际操作中控制难度大。直眼掏槽区的单方耗药量达到了 ２１ ｋｇ／ｍ ．全断面需要布置１３０～１４０个炮孔，全断面单方耗 药量达到２．１ ｋｇ／ｍ 左右。经比较，直眼掏槽在经济上不可 取．因此本工程一直采取楔形掏槽方式进行开挖。全断面 钻孔布置如图３。 ２．５增设洞室 为减少工序的衔接时间，在进洞方向左侧每隔２００ ｍ 设置会车洞，每隔５００ ｍ设置变压器洞室。 会车洞：一方面，正常洞宽段，出渣重车和空车在洞 内会车无法保证安全，如果待出渣重车出洞后，另一辆出 渣车倒车行驶到掌子面装渣，车辆进洞时间会大大增加， 延长出渣时间。因此在洞内每隔２００ ｍ设置一处会车道， 李文富等·阿特拉斯３５３Ｅ型三臂凿岩台车在某隧道开挖工程中的应用 ·ｌ７· （１）采用楔形掏槽，装药眼直径４５ Ｉｌｔｌｍ；（２）装药结构：周边 眼采用不偶合间隔装药，其余采用不偶合连续装药；（３）采 用乳化炸药 图３隧道全断面开挖钻孔布置图（单位：ｅｍ） 等待装渣的运输车辆提前在会车道内掉头，待重车驶过后。 立即倒车行驶到掌子面装渣。节约了出渣时间。另一方面， 在出渣结束后。挖掘机要进入到掌子面排险，平整底板剩 余石渣，然后凿岩台车进洞。由于装载机、挖掘机和凿岩 台车在正常洞段无法会车；因此，装载机和挖掘机、挖掘 机和凿岩台车在会车道内会车，大大节约了工序衔接时间。 通过设置会车洞．每个循环可以节约ｌ ｈ左右时间 变压器洞室：凿岩台车和掌子面抽水、掌子面照明等 用电负荷超过１５０ ｋＷ，随着洞室的不断掘进．凿岩台车供 电的低压电缆需要不断加长，台车处的电压迅速降低，降 低最大值达到８０ Ｖ以上。无法满足３台钻机同时使用．严 重地影响了凿岩台车的正常和安全使用。为了保证台车的 安全使用，需要每隔５００ ｍ在洞内设置一处变压器洞室． 采用１Ｏ ｋＶ高压进洞的方式，保证凿岩台车的使用电压． 提高了施工的进度。 ２．６台车强制保养制度 为确保机械使用率，必须加强台车日常保养。台车保 养实行“１＋１”的保养模式。即开挖放炮、保养为一个作业 循环；实行定机、定人和定臂等保养管理模式。并制定了 “班保养”、“周保养”和“月保养”等强制性集中维修保 养，以保证台车充分发挥其机械性能，减少故障率，才能保 证施工进度。保养内容主要是：检查、清洁、紧固、调整、 润滑和防腐等国。 ３隧道三臂凿岩台车实施效果 本工程隧道采用三臂凿岩台车施工以来，经过技术人 员的共同努力，取得了很好的成绩，连续创造高产稳产纪 录，最高月进尺达到３０１．５ Ｉｎ，平均月进尺２４２ ｍ．与普通 人工钻爆相比，施工进度得到很大的提高，并且具有以下 几个方面的优点： （１）凿岩成孔速度快，开挖成型好。通常坚硬岩中凿 岩台车单臂造孔速度２．５ ｍ／ｍｉｎ，常规气腿钻每台０．２５ ｍ／ ｍｉｎ。且岩石强度越高。凿岩台车的造孔速度优势越大。在 钻孔的过程中，根据各类围岩的结构特点不断调整钻机的 推进压力和冲击压力，可以使各个钻进参数达到最佳，从而 达到快速精确的控制，提高钻孔质量，周边眼外插角控制 好则开挖成型好．减少超挖。 （２）动力消耗少。凿岩台车的动力消耗仅为风动凿岩 机的１１３～１／２。 （３）安全性好。凿岩台车操作人员在固定的操作平台 上操作机械，距离掌子面１０ ｍ以上，操作平台上设有安全 顶棚．可以避免拱顶和掌子面的塌方掉块对作业人员的伤 害。同时台车钻臂冲击力大，处理危石彻底、省时，比人 工找顶效率高，安全性好。 （４）施工环境好。三臂凿岩台车机组人员劳动强度低， 不易卡钻，凿岩台车采用湿式钻进，空气清新，无粉尘。 常规气腿钻采用高压风将钻孔过程中形成的石粉吹出孔外， 污染严重，作业环境恶劣。且凿岩车钻进时的噪音比常规 气腿钻低１０～１５ ｄＢ，噪音较小。凿岩台车施工掌子面视线 较好．简洁、整齐。大大改善了掌子面的文明施工环境网。 （５）减少欠挖处理及出渣时间。有欠挖时可以使用台 车长钻杆一次性处理完成不影响下一循环的正常开挖。平 均每循环可以节省约１ ｈ。因台车比人工钻爆台架窄，台车 仅宽２．９ ｍ左右。装最后一两车渣时。人工台架钻爆开挖 需出尽余渣，平整底面后方能台架就位，台车开挖可以将 最后余渣由挖掘机扒在两侧边墙脚处．不影响台车就位。 每循环可以节约４５ ｍｉｎ左右。 ４结语 对于断面较小的隧道施工，由于其作业空间有限，通 常采用人工钻爆法。施工效率较低，本工程尝试引进并改 造了三臂凿岩台车，通过对爆破参数、配套设施、增设洞 室等的研究和实践。成功地实现了在较小断面隧道中三臂 凿岩台车快速施工技术，效果显著。为类似工程施工积累 了经验．提供了技术参考。 参考文 献 【１】郭陕云．关于我国海底隧洞建设若干工程技术问题的思考啪． 隧道建设，２００７，２７（３）：１－３． 【２】梁战金．复杂地质条件下液压凿岩台车快速掘进技术明．山西 建筑，２０１０，３６（２１）：３０８—３０９． 【３】朱琴生．三臂凿岩台车施工技术在青岛胶州湾海底隧道中的应 用研究［Ｊ】．隧道建设，２０１０，３０（６）：６７０—６７４． 作者简介 李文富 男 高级工程师 辽宁省东水西调工程建设局 辽宁沈阳 ｌｌ０ｏＯ６ 郭晓轩 男 高级工程师 中水北方勘测设计研究有限责 任公司 天津３０ｏ２２２ （收稿日期 ２０１３—０８－２３）
