全电脑三臂凿岩台车在高铁软弱围岩隧道的开挖技术及主要技术经济指标分析
１ 工程概况及隧道围岩地质情况
郑万高速铁路重庆段干溪沟隧道位于重庆市奉节县白帝镇和朱衣镇辖区内，全长１１８８３ｍ，工期５５个月，单洞双线布置。辅助坑道采用“１＃横洞＋２＃横洞＋３＃横洞”的方案，分１＃横洞、２＃横洞、３＃横洞小里程、３＃横洞大里程、出口五个作业面组织施工。
隧道穿越巴东组二段地层，岩性为泥岩夹砂岩，岩层产状为Ｎ２８°Ｗ∠１１°Ｎ（１０°），地下水以基岩裂隙水为主，围岩级别为Ⅳ级，节理较发育，围岩较破碎。正洞开挖Ⅳ级围岩段采用台阶法，辅以拱部设置Φ４２小导管和全环型钢钢架加强支护。３＃横洞小里程正洞长１８００ｍ，以Ⅳ级围岩为主，为泥岩夹砂岩，相对其他四个口，围岩整体性略好，少水。开挖断面１５８.９ｍ²，上台阶１０８.９ｍ²，采用２台Ｅｐｉｒｏｃ安百拓ＢｏｏｍｅｒＸＥ３Ｃ全电脑三臂台车，双机并打进行钻爆法开挖，下台阶开挖断面５０ｍ²，采用人工风钻开挖。其他四个工作面因围岩较差，使用传统的“人工风钻＋开挖台架”方式开挖。
２ 全电脑台车开挖钻爆设计
（１）炮孔布置。隧道爆破施工属动态调整工序，钻爆参数根据围岩变化及时动态修正和动态管理。为减少爆破振动对围岩的扰动，根据围岩特点，合理选择周边眼间距及周边眼的最小抵抗线，辅助炮眼交错均匀布置，周边炮眼与辅助炮眼眼底在同一垂直面上，采用斜眼掏槽的方式，掏槽眼加深２０ｃｍ，根据揭露围岩情况，现场周边眼间距取４５ｃｍ，周边眼最小抵抗线Ｗ＝５５～６０ｃｍ，详见爆破炮眼布置图，见图１。
（２）爆破参数（图２）。
（３）爆破器材。主爆药采用爆炸性能、抗水性能、安全性能较好及环境污染小的２号岩石乳化炸药，规格为Φ３２ｍｍ×２５０ｍｍ。周边眼采用直径２０ｍｍ低爆速的光爆药卷。装药结构用竹片绑扎，导爆索传爆，间隔装药，根据围岩情况，对间隔距离和药量进行调整。
３ 全电脑台车开挖方式及设备、人员配置
干溪沟隧道３＃横洞小里程正洞Ⅳ围岩采用大断面开挖方法施工，上台阶高度９.００ｍ，下台阶高度３.３８ｍ，上台阶长度约３５～４５ｍ，下台阶与上台阶同步施工。上台阶采用三臂凿岩台车钻设炮孔，开挖延米量为１０８.９ｍ³。下台阶采用人工风钻开挖。
上台阶配置２台Ｅｐｉｒｏｃ安百拓ＢｏｏｍｅｒＸＥ３Ｃ全电脑三臂台车，钻设掌子面炮孔、超前探孔和系统锚杆孔，装药仍然采用开挖台架人工装药。配置了一辆皮卡车，用于运送生活物资、维修配件、人员进出洞等。配备台车操作手６人（其中２名为学员），台车电工１名，维保人员２名，炮工１０名（台车装药兼下台阶风钻开挖）。
４ 全电脑台车供电、供水及移动栈桥的改进
（１）供电：２台全电脑台车总用电功率为４５０ｋＷ，用７０ｍｍ²的１０ｋｖ高压电缆进洞，洞内配置６３０ｋｖＡ箱式移动变压器１台，距离掌子面始终保持在２００～５００ｍ，确保末端电压降不低于５％，即给电脑台车供电电压不低于３６０Ｖ；每个台车供电采用独立的回路，在移动栈桥近端设两台移动配电箱，从箱式变压器以２４０ｍｍ²的三相五线制铜芯绝缘电缆引入电源，每个配电箱内设１个８００Ａ的可见触点漏电断路器，设两个６３０Ａ的漏电断路器开关（一用一备），并设电表一个，用于台车耗电统计。配电箱至台车利用台车电缆卷筒自带的１００ｍ电缆线，沿移动栈桥栏杆外侧铺设。
（２）供水：全电脑台车钻孔时的冲渣水压不低于８ｂａｒ，且要求供水充足，否则冲渣不畅台车会报警并自动停钻。在洞内距掌子面２００～５００ｍ处设３０ｍ³可移动式水箱１个，由洞外引入清洁水源蓄于水箱，用２２ｋＷ管道加压泵向台车水泵供水，供水压水不小余２ｂａｒ，管道直径为１００ｍｍ，在移动栈桥附近分为两路直径５０ｍｍ水管，设水阀，装水表，接入台车自带的供水软管。水箱平时应蓄满水，水阀可改为声控或遥控，以节约供水时间。
（３）移动栈桥的改进：全电脑三臂台车自重４８.５ｔ，全长１７.３６ｍ，左右轮胎最宽处２.９３ｍ。原高铁隧道通用的２４ｍ自行式液压移动栈桥，宽度一般为３.４ｍ，两端爬梯较陡。因为全电脑台车较长也较重，在上栈桥和下栈桥时，当台车重心越过栈桥爬梯顶端，台车会出现较大的左右晃动，存在安全隐患，栈桥不做改进则不利于台车快速通过。改进前每次过栈桥需耗时３０～４０ｍｉｎ，非常影响钻爆循环时间，且危险性较大，若指挥、操作稍有不当，则全电脑台车有可能跌下栈桥，造成重大损失。经多次观察、现场测量，联系栈桥厂家，制定了移动栈桥改进方案，将栈桥由３.４ｍ加宽至４.０ｍ，前后引桥（爬梯）也随之加宽，两侧各宽出台车轮胎约５０ｃｍ，将后引桥长度由５.８ｍ加长至８.０ｍ，使坡度由１４°度降至９°；随着加宽和加长，栈桥重量随之增加了３ｔ左右，液压泵站、履带行走装置、主顶升油缸也随之加大一级。经以上改进后，台车过栈桥的时间缩短至１０ｍｉｎ以内，大大提高了通行效率和安全性，大幅缩短了钻爆循环时间。
５ 开挖作业流程及时间控制
Ⅳ级围岩立型钢拱架，台车采用Ｔ３８钻杆，Ø４５钻头。
为了对全电脑台车的使用情况进行跟踪分析，从挖掘机清完断面开始，每个钻爆循环都进行了完整的工作写实记录，进行连续的分析，钻爆作业流程及平均用时如表１。
６ 主要技术经济指标统计分析
干溪沟隧道３号横洞小里程正洞，从２０１８年６月１日开始，截至２０１９年１２月２０日，两台ＸＥ３Ｃ全电脑三臂台车开挖一个掌子面，Ⅳ级围岩（有拱架）分上下台阶开挖，共完成开挖４０２次，１９个月累计进尺１４０７ｍ，平均月进尺７４.０５ｍ，平均每循环钻孔用时２.０９小时（含锚杆孔），每循环进尺３.５ｍ，平均线性超挖２２ｃｍ，火工品单耗为０.５ｋｇ／ｍ³，平均开挖成本１１５.５元／ｍ³。其中人工费３１.２２元／ｍ³、台车内租费６２.１９元／ｍ³、钻具消耗２.５１元／ｍ³、配件及润滑油２.２９元／ｍ³、电费１.５８元／ｍ³、柴油１.８１元／ｍ³、水费０.３９元／ｍ³、人员生活费及交通车辆费２.２９元／ｍ³，小计１０４.２８元／ｍ³；火工品消耗１１.２２元／ｍ³。实际单耗为：炸药０.５ｋｇ／ｍ³，水７８ｋｇ／ｍ³，电２.１１ｋｗｈ／ｍ³，柴油０.２９ｋｇ／ｍ³。
干溪沟隧道３号横洞大里程正洞开挖，仍采用人工风钻的方式，开挖成本为５０元／ｍ³左右。从上表计算中可以看出，台车设备和人员具备两个掌子面的开挖能力，但只开挖了小里程的一个掌子面，所以人工费和台车内部租费居高不下，导致开挖成本较高。比人工风钻开挖成本高约６５.５元／ｍ³，高１３１％。
（１）全电脑台车如果能兼顾两个掌子面施工，则内租费和人工费减半，分别下降到３１.１元／ｍ³和１５.６１元／ｍ³，核算后成本能降低到６８.８元／ｍ³左右。比人工风钻开挖略高，约１８.８元／ｍ³，高３７.６％。
（２）如果台车按折旧费计算，还是只开挖一个掌子面，则台车折旧费为２４.７２元／ｍ³，核算后开挖成本为７８.０３元／ｍ³，比人工风钻开挖成本高２８元／ｍ³，高５６％。
（３）如果全电脑台车按折旧费计算，同时又兼顾两个掌子施工，则核算后开挖成本会下降到５０.０６元／ｍ³。与人工开挖成本基本持平。对于Ⅳ级软弱围岩，这是在不考虑全电脑台车投资回率或设备创利及大修理能提的情况下，最好的成本情况。
（４）每循环比人工风钻开挖节约０.５小时，１９个月４０２个循环，累计节约２０１小时，即８天左右。
（５）从计算表中可以看出，因围岩较软，台车钻具消耗和炸药单耗相比硬岩较小。一般硬岩条件下，钻具消耗在６～８元／ｍ³左右，炸药单耗在１.１～１.４ｋｇ／ｍ³左右。
７ 全电脑三臂凿岩台车在高铁软弱围岩隧道的使用分析
（１）技术经济性及适应性分析：通过以上统计分析得知，全电脑三臂台车应用于高铁软弱围岩隧道，Ⅳ级大断面开挖作业，超挖比人工风钻略大，人工风钻平均线性超挖为１５ｃｍ左右，台车为２２ｃｍ左右；钻爆循环速度比人工风钻略快，含锚杆孔时间，每循环快３０ｍｉｎ左右；开挖成本较人工风钻高，如果组织得当，且不考虑设备创利及大修理能提，则与人工风钻开挖成本持平；安全、环保、劳动强度、社会效益等方面的优势是人工风钻无法比拟的。综合来看，全电脑三臂台车应用于高铁软弱围岩大断面开挖作业，是可行的。
（２）存在的问题分析：全电脑三臂台车双机并打，应用于高铁隧道Ⅳ级软弱围岩开挖，相比Ⅲ级及以上硬岩隧道开挖，其速度优势、人员减少优势不明显，且超挖量较大，开挖和喷砼成本高。问题主要表现在以下方面：一是工作面少，两台全电脑台车只有一个工作面，台车利用率低造成资源浪费，折旧摊销等费用较高，成本增加；二是单工序作业，开挖班组独立于出碴、立架、喷砼、衬砌等班组之外，开挖之外的其他工序有延误，则循环时间延长，不利于全电脑台车整体效能的发挥；三是有拱架区段，台车推进梁固有尺寸没法改变，拱架轮廓限制了钻臂外插角的调整，加之台车凿岩机的固有超挖，造成台车超挖较人工开挖大；四是隧道围岩较差，设计没有预加固，仍然分上下台阶开挖，未全断面开挖，受安全步距影响，大机配套难以施展，设备及工序之间干扰大，有时掌子面开挖要停下来等二衬或仰拱施工，台车快速开挖的优势得不到发挥，人员也没有明显减少；五是人工费尚未出现拐点，国家大机配套开挖定额未修改提高，现阶段台车开挖成本相对人工风钻开挖较高；六是全电脑台车购买一次性投入大，台车配件及钻具价格高昂，进一步加大了台车的使用成本；七是由于乳胶炸药的使用受到限制，凿岩台车虽实现了快速打眼，但是，专业的装药台车在我国应用的较少，目前，现场仍使用开挖台架或拱架安装台车来辅助人工装药，人员减少受限，且装药时间节约不多。
８ 全电脑台车的使用改进措施
（１）改变分包模式，为全电脑台车等大机配套设备创造全工序施工的条件，应至少将开挖、支护、喷砼、出渣、找顶等工序由一家隧道机械化队伍来施作，更有利于台车效能的发挥；隧道全工序由一个专业的机械化队伍来完成，更有利于工序衔接的紧密，减少内耗，发挥大机配套的优势，以实现全电脑台车的快速开挖。
（２）优化施组，一套大机应兼顾两个掌子面的开挖，大机的折旧、内租费等费用就会摊薄，成本也会随之降低。
（３）建设单位和施工单位应正视凿岩台车对围岩的适应性问题，在软弱围岩没有采取预加固，形不成全断面或大断面开挖的情况下，应正视凿岩台车真实的开挖速度和真实的成本，有限度地使用凿岩台车开挖。
（４）施工单位要持之以恒地推进光面爆破或控制爆破措施，引入奖惩机制，以减少超挖量，从而降低开挖和喷砼成本。
（５）定额问题、安全步距问题、超挖的认定等问题，施工单位应共同呼吁，促进国家对大机配套定额的修改提高，对软弱围岩开挖工艺工法的改进，对超挖有合理的界定。
（６）为节约工序时间，Ⅳ级围岩区段可合并炮孔与锚杆孔两个工序同时进行。
（７）应鼓励改革创新，以降低成本或缩短钻爆时间。比如，创造性地使用远程遥控增压水泵启停装置、台车棱镜头遮挡遥控装置，每个单循环时间可节约１５分钟左右；台车进场水电同步到位，在台车定位时底板眼、辅助眼可提前开钻，循环时间可节约８分钟左右。