基于复杂地质隧道施工机械化的三臂凿岩台车高效掘进性能分析
０ 引言
某项目隧道施工区域岩溶分布于构造侵蚀溶蚀低中山区。隧道上方含水层包括寒武系岩溶裂隙水和变质岩裂隙水，水文地质条件复杂。隧址区岩溶发育情况为：地表见溶洞２８处，形状大小各异，最大直径达１０～１５ｍ，一般直径１.０～５.０ｍ，溶洞内无充填物，尤其在河床标高以上３～５ｍ的范围内溶洞发育更为集中。据估算，洞穴发育密度４个／ｋｍ²。张凯翼认为隧道开挖过程中遇到溶洞，由于溶洞发育的隐蔽性和不规则性，难以通过调查和钻探完全查明，为正常施工造成了困难。
传统钻爆开挖方式存在的问题有：手持风钻成孔速度慢，施工工效低，施工人员距离掌子面比较近，上面没有遮挡物且风钻钻孔时对围岩稳定性有较大扰动，容易造成岩石掉落从而威胁人员安全，此外，王斌等认为高压风、高压水易产生高分贝的噪声，并导致施工人员身上淋湿，对施工人员的身体造成长期伤害。基于此，该文以三臂凿岩台车为研究对象，对复杂地质隧道施工机械化高效掘进性能进行了分析。
１ 三臂凿岩设备主要功能
全电脑三臂凿岩台车为四轮驱动自行走设备，并配有可升降式防护顶篷的标准服务作业平台。
１．１ 设备组成
设备包括主机装置、升降平台装置、履带车体平台、泵站部分、电气起动箱、操纵台装置等部分。
１．２ 主要功能
凿岩台车动臂举升缸、平衡缸由先导系统操纵，工作泵输出的压力油通过减压阀减压至４ＭＰａ后进入先导系统从而实现先导操纵手柄对动臂的升降和左右摆动的控制，其技术参数见表１。
２ 三臂凿岩设备工作机制与工序要点
２．１ 三臂凿岩设备工作机制
三臂凿岩台车动臂移动及定位由两个动臂举升缸和两个平衡缸控制，以实现推进梁各个方位的动作。动臂举升缸同时一伸一缩时，两个平衡缸与动臂举升缸同步一伸一缩可使动臂摆动时推进梁保持与凿击面垂直。两个动臂举升缸一伸一缩可使动臂摆动。
（１）工作泵输出的压力油进入动臂举升液压系统驱动动臂移动，两个动臂举升缸平行排列在动臂的下方，两个动臂举升缸同时伸缩，可使动臂升降，其过程如图１所示。
（２）两个平衡缸与推进梁支座连接，动臂举升缸同时伸缩时，两个平衡缸与动臂举升缸同步伸缩，可使动臂举升时推进梁保持水平状态，其过程如图２所示。
２．２ 三臂凿岩设备工序要点
凿岩台车动臂用于托举推进梁，推进梁上安装凿岩机，动臂的升、降及摆动可控制凿岩机凿孔位置。该凿岩台车工作泵输出的压力油由先导系统控制，通过执行机构驱动动臂托举动作。其过程如图３～图６所示。
３ 三臂凿岩技术创新性与先进性分析
３．１ 三臂凿岩技术创新性分析
（１）能自动高效钻进，轮胎自行式铰接底盘进出洞灵活方便，就位快速，全站仪定位自动钻孔基准设定快捷。
（２）超欠挖控制，雷鹏研究表明：凿岩台车开挖周边眼时可通过旋转钻架、人工干预来减小周边眼的外插角从而避免由于拱架距离掌子面太近而造成的周边眼外插角过大。钻爆孔孔底可自动保持在同一平面，其光爆效果佳，能严格控制开挖质量，降低了喷射混凝土用量。
３．２ 三臂凿岩技术先进性分析
（１）劳力投入少。在同等条件下，利用台车开挖约需１０人（２～３个司钻工、７个炮工）；而人工手持风钻开挖则需１８人左右，节省了大量劳力，降低了劳动强度。
（２）施工效率高。用台车钻孔有强大的推进力，平均钻速为每分钟２～３个孔。
（３）文明施工效果好。凿岩台车机组人员劳动强度低，掌子面噪声小，空气较清新，大大促进了掌子面的文明施工。
４ 三臂凿岩设备的优缺点
４．１ 三臂凿岩设备的优点
（１）整体结构设计合理、强度高、作业覆盖面积大、操作人员安全性高、操作环境好、无需断面孔位专门人工标注，电脑自动对孔调整简单、快捷。
（２）钻孔快捷、全站仪自动定位准确、钻爆效果好，能快速实现隧道钻爆孔、锚杆孔、锁脚锚杆孔。
（３）非常适合中短距离地质超前探测、小导管注浆等作业，设备运行效率高、经济性好。
４．２ 三臂凿岩设备的缺点
（１）装药时间长：传统掌子面装药作业可以１８个工人同步作业，三臂凿岩台车仅能保证２个工作面同步作业，装药时间较长。
（２）设备维修成本高：钻头、钻杆、连接套、油管这些易损件采购成本远高于传统人工钻机，使用成本受月进尺影响较大（折旧影响）。
５ 适用场景
（１）隧址区处于易崩塌地段，适用采用三臂凿岩技术，避免了爆破掘进方式带来的安全隐患，如某隧道施工中，隧址区穿越五台山区，五台山区的地层岩性主要为距今１８亿年前的变质岩和距今４.５～６.０亿年前的石灰岩、白云岩。五台山区以岩石为主的岩性特征形成了普遍的山坡陡峭地貌景观。在漫长地质历史中，受复杂的地质构造运动的影响，陡峭的山坡岩体破碎，易产生崩塌和落石。崩塌地质灾害对项目的影响主要表现在两方面：
１）隧道掘进方式
崩塌地质须避免爆破掘进方式带来的安全隐患。施工过程中须及时进行支护作业，如图７、图８所示。
２）隧道洞口仰坡
岩头隧道出口仰坡、鹅岭隧道进口仰坡，以及峡口至瑶芝段隧道进出口仰坡容易出现崩塌和落石，三臂凿岩技术能够避免这些仰坡坡面存在的崩塌和落石隐患。隧道洞口施工如图９所示。
（２）隧道穿越采空区，如某隧道路线经过区域存在采空区的平面范围为ＡＫ３１＋０５０～ＡＫ３１＋５００，剖面方向上采空区标高分别为１３１０～１３２０ｍ、１２９５～１２９９ｍ、１２７７～１２８３ｍ、１２５０～１２６５ｍ、１２２０～１２４５ｍ，其中１２９５～１２９９ｍ采空区位于桥梁保护治理区域之外，对桥梁有影响的采空区共４层。ＡＫ１５＋０００～ＡＫ１５＋１００段以隧道形式从山西凯鹏实业公司铁矿矿区和宝山石灰石矿矿区中间经过，不存在压覆资源和对工程有影响的采空区。ＡＫ２３＋４２０～ＡＫ２３＋９１０段以隧道形式从代县双羊矿业公司矿区经过，该矿区目前尚未开采，存在压覆矿产资源问题。政府和矿方提供的采掘资料显示铺上铁矿未在路线经过区域开采，但是矿方提醒路线经过区域可能存在越界或私挖乱采采空区，该矿已开采区域主要为羊角沟一带的原双羊铁矿矿区、原康家沟铁矿（西区）和原康家沟铁矿。针对上述问题初勘阶段采用调查、资料收集、物探和钻探的方法进行了初步勘察。经专家论证推荐采用三臂凿岩技术。
（３）依据隧道与采空区的关系，采用全孔一次注浆方式提高了该区段岩体整体强度，注浆工程深度范围为采空区之上１０ｍ至采空区底板５ｍ，此种注浆方式的设计保证了注浆质量，且定量注浆，满足了隧道工程对围岩强度的要求。
①工效优势：经统计分析凿岩台车平均钻孔速度为２～２.５ｍｉｎ／孔·４ｍ，平均１８６ｍ／月，比人工手持风钻风动开挖进度快（人工风动凿岩速度快５８％）、耗电量消耗低且不需要工作辅助平台可节约非钻孔时间，凿岩台车钻孔可实现多孔同时推进，工期有保证，一次成多孔，以台车开挖最高月达２０４ｍ时计算，凿岩台车开挖只需５个司钻工和８个炮工，而人工手持风钻开挖则需４０人以上，节省人力的同时减少了钻孔时间。
②质量优势：与人工风动凿岩相比，大大提高了钻孔质量。
ａ平均线性超挖情况：三臂凿岩台车８０ｍｍ，人工风动凿岩１２０ｍｍ；
ｂ半眼痕迹率：三臂凿岩台车达９２％，人工风动凿岩８０％。
③环保优势：因为采用了闭式油路系统，凿岩台车没有风钻排出的湿雾状的废气噪声小，施工时掌子面视线较好，改善了洞内作业环境，场地相对简洁整齐，有利于隧道掌子面的文明施工。
６ 结论
综上所述，该文针对复杂地质隧道三臂凿岩台车设备的性能进行了分析，凿岩台车钻眼机具选配以及冲击凿岩时的凿岩参数匹配随着岩石硬度与钻进深度的不断增加，成为影响钻进效率的关键因素，该研究对于凿岩台车钻头破岩机理研究具有一定的工程实用价值。