高铁隧道工程两种凿岩机械技术经济性能比较研究
０ 引言
软弱破碎岩层、岩溶地质、高地应力区等复杂地质条件给隧道施工带来了诸多挑战，不仅增加了施工难度，也对施工质量和安全提出了更高要求。因此探索复杂地质条件下的机械化配套施工技术及质量控制方法，对于保障隧道工程的顺利进行具有重要意义。
钻孔作业是隧道工程施工过程中的关键环节，直接关系到隧道的开挖效率、施工质量和施工成本。随着机械化施工水平的不断提高以及隧道工程规模的不断扩大，手持式或者气腿式凿岩机在钻孔速度、钻孔精度和劳动强度等方面的局限性逐渐显现，取而代之的是三臂凿岩台车等先进钻孔机械。三臂凿岩台车作业高效、精准、安全，具有强大的钻孔能力和稳定的钻孔精度，能够在短时间内完成大量的钻孔作业，可显著提高隧道施工效率。
本文通过气腿式凿岩机与三臂凿岩台车在隧道作业中的施工质量和施工成本的对比，分析这两种机械的技术性能和经济适用性。通过深入研究这两种机械的应用效果，为复杂地质条件下的隧道工程配置机械设备提供科学依据。
１ 工程概况和地质构造
１．１ 工程概况
西安至成都高速铁路ＸＣＴＪ２标段位于甘南藏族自治州碌曲县境内，南起拉仁关乡，向北经过则岔村、西仓镇，终至双岔镇，紧邻省道３２６、县道４０２，起讫里程为ＤＧＫ２０４＋１２０～ＤＫ２２８＋８３０，正线线路长度２４.７１１ｋｍ，最大埋深约２１２ｍ。本标段包含则岔隧道、坚希库合隧道、绒克隧道、恰日隧道，隧道的Ⅲ级围岩采用全断面掘进法，Ⅳ级围岩采取微台阶开挖，Ⅴ级围岩则实施三台阶开挖法。
１．２ 地质构造
该标段地层复杂多样，涵盖三叠系至泥盆系的多套岩层，包括板岩、砂岩、灰岩及白云岩等，且分布有第四系全新统的冲洪积细角砾土。则岔隧道、坚希库合隧道、绒克隧道及恰日隧道均位于秦岭地槽褶皱系的不同褶皱带内，地质构造复杂多变。其中则岔隧道、恰日隧道经历晚古生代-三叠纪的海盆裂陷和印支运动，形成以北西向为主的复杂构造带；坚希库合隧道处于碌曲-宕昌-两当褶皱带，以三叠系为主并伴有印支期花岗岩群，发育逆断层；绒克隧道虽同属碌曲-宕昌-两当褶皱带，但地质构造相对单一，局部受构造影响岩体揉皱发育。
２ 凿岩机械选用和钻爆流程制定
２．１ 凿岩机械选用
在隧道施工中，钻孔作业是至关重要的环节，其中气腿式凿岩机和三臂凿岩台车是两种常见的钻孔设备。ＹＴ２８型气腿式凿岩机具有灵活性高、操作简便、适应性强等特点，适合于隧道三台阶开挖法施工。然而，随着施工规模的扩大和施工效率要求的提高，气腿式凿岩机在钻孔速度、钻孔精度和劳动强度等方面逐渐暴露出不足。ＹＴ２８型气腿式凿岩机如图１所示。
ＺＹＳ１２３型全电脑三臂凿岩台车专为隧道钻爆开挖设��，适合于隧道全断面开挖法施工。凭借其智能精确定位、高质高效自动钻孔、超前地质分析、开挖面３Ｄ轮廓扫描、凿岩参数记录与数据传输等数字化科技优势，已成为目前隧道工程的首选设备。该型凿岩台车集行走、凿岩钻孔、锚杆注浆、管棚加固、浮石处理以及辅助装填炸药等功能于一身，具有整体运行平稳、操控简便、驾驶舒适、功能整合度高、施工费用低、安全保障强等特性。因此，将ＺＹＳ１２３型全电脑三臂凿岩台车作为该标段最主要的机械化智能化施工机械。ＹＳ１２３型全电脑三臂凿岩台车如图２所示。
２．２ 三臂凿岩台车钻爆流程制定
ＺＹＳ１２３型全电脑三臂凿岩台车执行隧道钻孔作业，适用于各种钻爆工艺，与ＹＴ２８型气腿式凿岩机相比，其对围岩稳定性的干扰更低。该型凿岩台车具备近距离地质超前探测功能，可有效预测软岩区域的地质情况。ＺＹＳ１２３型全电脑凿岩台车钻爆流程如图３所示。
３ 施工质量与施工成本对比分析
３．１ 施工质量对比分析
在隧道掘进施工中，成孔的质量受多重因素的制约，其中钻孔精确度不足成为超挖的主因。在精确度和效率方面，ＺＹＳ１２３型全电脑三臂凿岩台车展现出显著优势。该型凿岩台车可自动执行钻孔任务，内置系统负责收集、整理钻孔数据；能够根据岩石特性的变化，灵活调节钻进力度，从而优化钻孔质量。
相比之下，ＹＴ２８型气腿式凿岩机虽体积小巧、操作便捷，但需依赖气腿辅助，钻孔速率较低，且对操作人员的技能要求较高，人为因素对钻孔质量影响较大。
本文对不同围岩的超挖现象开展了测量，通过对比ＹＴ２８型气腿式凿岩机与ＺＹＳ１２３型全电脑三臂凿岩台车的开挖效果可知，该型凿岩台车的超挖量在整体上优于气腿式凿岩机。通过对施工记录中的超挖数据进行统计、计算和分析，得出这两种凿岩设备的平均线性超挖量。
两种凿岩机械超挖曲线如图４所示，这两种凿岩机械超挖数据对比如表１所示。从图４和表１可以看出，该型凿岩台车的平均线性超挖量相对较小，表明该型凿岩台车的成形效果优于气腿式凿岩机。
３．２ 施工成本对比分析
３．２．１ 人工费用对比分析
与气腿式凿岩机相比，ＺＹＳ１２３型全电脑三臂凿岩台车对人工挖掘的需求大幅度减少。目前工程常采取两班倒的工作模式来安排人力。两种凿岩机械人工费用对比如表２所示。
由表２可知，这两种凿岩机械的人员配置和人工费用差异明显。由于ＺＹＳ１２３型全电脑三臂凿岩台车具有高度自动化和集成化的特点，所需的人员较少，一般在３～４人即可满足日常施工需要。而气腿式凿岩机则依赖人力操作，因此其人员配置较多，一般需要１４～２０人才能完成相同的施工任务。由于ＺＹＳ１２３型全电脑三臂凿岩台车能够显著提高施工效率，减少人工作业，因此其单位体积的人工费用相对较低，约为１８元／ｍ³。而气腿式凿岩机由于人员配置较多，且工作效率较低，因此其单位体积的人工费用较高，约为２０元／ｍ³。
３．２．２ 机械费用对比分析
ＺＹＳ１２３型全电脑三臂凿岩台车的单台购置成本约为８００万元。虽然购置成本很高，但是具有高施工质量和高施工效率。按照相关规定，机械类生产设备的折旧年限最低为１０年。单台该型凿岩台车在预留３％残值后，计算得到其月度折旧费为６.５万元。
高速铁路隧道断面面积按照１２８ｍ²计算，该型凿岩台车平均钻孔速度为３.５ｍ／ｍｉｎ，钻孔作业时间在２.５ｈ左右，每班开挖进尺在３.２ｍ以上。根据上述部分数据计算出单台该型凿岩台车每天一班开挖１ｍ³岩石的折旧费为１０.５８元／ｍ³，每天两班开挖１ｍ³岩石的折旧费为５.２９元／ｍ³。按照类似算法计算出两种凿岩机械单台各项费用，并对其进行对比。
两种凿岩机械单台费用对比如表３所示。由表３可知，该型气腿式凿岩机的单台折旧费虽然明显低于单台该型凿岩台车，但是在隧道开挖过程中，凿岩台车可同时使用２台，而气腿式凿岩机需要同时使用８～１６台，且前这些凿岩机的施工效率不如２台凿岩台车。
该型凿岩台车的月度维修费约为２.７７万元，这表明其在维护方面的成本相对较高。该型凿岩台车的月度配件损耗费约为４.３５万元，虽然这一费用不容忽视，但考虑到该型凿岩台车的高效施工能力，这一损耗成本可以被有效地分摊到每立方米的开挖成本之中。
３．３ 火工材料成本对比分析
为了更加便捷准确地对比这两种凿岩机械火工材料的成本，将该标段凿岩机械钻头直径统一设定为４５ｍｍ，确保这两种凿岩机械钻成的孔径完全一致，以减少因钻头直径不同而引起计算误差。凿岩机械可以更好的进行分布式装药，为了提高作业效率，保证施工安全，选用爆炸性能良好、成本效益稳定、直径为３２ｍｍ的乳化炸药作为火工材料。相同断面两种凿岩机械火工材料用量对比如表４所示。
由表４可知，Ⅲ级围岩在开挖深度为４.５ｍ时，使用三臂凿岩台车所需的炸药量为２７９ｋｇ，雷管数量为１１１发；而使用气腿式凿岩机时，炸药量则增加到３１６ｋｇ，雷管数量也达到了１８８发。由此说明在相同的围岩级别和开挖深度下，三臂凿岩台车在火工材料的消耗上更为节省。
为了更深入地了解这种差异对成本的影响，以炸药单价为７.５元／ｋｇ和雷管单价为４.３１元／枚为计算基础，进行全面核算，得出了在Ⅲ级围岩中，使用三臂凿岩台车进行钻岩作业时，火工材料的直接成本约为５７１.３１元／ｍ；而使用气腿式凿岩机时，这一成本则上升到了７０６.７３元／ｍ。综合看来，使用三臂凿岩台车具有更高的经济性。
３．４ 动力消耗成本对比分析
继续对这两种机械在节能降耗方面进行对比分析，发现三臂凿岩台车的动力消耗仅为气腿式凿岩机的０.６８倍，这意味着在提供相同功率的情况下，三臂凿岩台车消耗的能源更少。三臂凿岩台车具有高效的施工方式和精确的钻孔控制，可��著提升能源的利用效率，进一步降低了施工成本。
综上所述，从施工质量、施工成本、火工材料成本、动力消耗等方面，三臂凿岩台车都展现出了明显的优势，因此在未来的隧道施工中，应该更加重视和推广这种先进的凿岩机械，以提高施工效率和施工质量，降低施工成本。
４ 结束语
与气腿式凿岩机相比，三臂凿岩台车在隧道钻孔开挖作业中表现出更高的施工质量和更低的施工成本。采用全电脑控制的三臂凿岩台车具有显著的高速钻孔能力，能够精确控制钻孔位置和角度，从而确保光面爆破效果，减少超欠挖现象。
三臂凿岩台车的初期投资较高，但其高效率、低耗能、低耗材、低成本等优点，以及其高精度的钻孔能力、优越的安全性能和较低的综合成本，使其成为隧道施工中的理想选择。随着机械化施工技术的不断进步和推广，三臂凿岩台车将在未来的隧道工程施工中将发挥出越来越重要的作用。