公路隧道大型机械化施工技术研究
１ 依托项目概况
１．１ 工程概述
Ｇ４２１６线沿江高速白鹤滩隧道为一座上下行分离的４车道高速公路特长隧道，位于金沙江左岸，沿江穿越金沙江左岸山体，全长６７１４.５６５米，净空１１.０×５.０米。隧道洞顶最大埋深约８６３米，隧道轴线总体走向为１６４度。出口端左线施工任务３３０５.０８９米，右线施工任务３３３９.５６５米，逆坡施工，最小纵坡１.７％。
１．２ 隧道地质条件
白鹤滩隧道洞身段穿越二叠系中统峨眉山玄武岩（Ｐ２β），节理裂隙发育，洞身段地层产状主要为单斜构造，隧址区内地下水丰富，设计建议白鹤滩隧道单日最大涌水量按２０５４６７.９０米／天考虑抽排水设备。
１．３ 隧道施工方法
白鹤滩隧道出口端采用钻爆法（光面爆破）开挖，隧道的主要工序均采用机械化作业。隧道围岩以Ⅳ级为主，占比５７％，Ｖ级围岩约占２３.５％、Ⅲ级围占１９.５％。洞身Ｖ级与Ⅳ级围岩较差段采用主洞留核心土法开挖，Ⅳ级围岩一般段采用主洞台阶法开挖，Ⅳ级围岩较好段与Ⅲ级采用全断面法开挖。
２ 设备概况
２．１ 设备配置情况
隧道的主要工序均采用机械化作业，采用全电脑３臂凿岩台车、智能拱锚一体化台车、液压仰拱栈桥、混凝土湿喷机、装载机、自卸汽车、挖掘机、挂布台车、智能衬砌模板台车等大型机械设备配套，完成钻爆、装运、喷锚支护、衬砌等机械化施工。
１）全电脑３臂凿岩台车
铁建重工ＺＹＳ１１３全电脑３臂凿岩台车自动化程度高，功能完备，整机重量５２吨，整机尺寸（长×宽×高）１７.６米×２.９米×３.６米，电装机总功率３２５千瓦，凿岩机型号３×ＨＣ１１０，冲击功率３１.９千瓦，最大钻孔深度５.２５米，钻头直径４５毫米；设备工作范围为１１.３米×１６米。
２）智能拱锚一体化台车
铁建重工ＧＭ１３３智能拱锚一体化台车集立拱、锚杆孔施工功能于一体，采用３臂３抓手２吊篮结构，搭载单锚杆系统，整机重量４５.５吨，整机尺寸（长×宽×高）１６米×２.７米×３.５米，电装机总功率６３千瓦，主臂最大举升重量１.５吨，辅臂最大举升重量０.７吨，最大安装高度１３米，配置凿岩机１台，冲击功率１８.５千瓦，最大钻孔深度４米，钻头直径４５毫米。
２．２ 设备使用情况
白鹤滩隧道出口于２０２２年５月投入１台全电脑３臂凿岩台车、１台智能拱锚一体化台车至右洞施工。全电脑３臂凿岩台车电总功率较大，是原来洞内用电负荷的４.５倍，设备进洞前首先完成了洞内供电线路改造，新敷设了３×４００平方毫米＋２×１８５平方毫米的国标铝芯线专用电缆。３臂凿岩台车正常工作时需水量≥２０立方米／小时，为此现场增加增压泵１台，２０立方米水箱１个。使用１年以来，３臂凿岩台车运转正常，安全防护可靠，基本满足施工工艺要求，单班设计钻孔数量１５０孔，周边眼孔深４.４米，钻孔工作时间平均３.５小时，打钻整工序时间平均４小时。３臂凿岩台车单孔钻进速度快，可进行自��化测量，信息化程度高，但相比于人工打钻，开挖成本增加较多。智能拱锚一体化台车立架抓手灵活，安全风险低，满足施工工艺要求，但设备对开挖断面的要求较高，相比于人工成本更高。以单班３榀Ｉ１６工字钢为例，工作前准备时间平均３５分钟，立架工作时间平均１小时１０分钟，网片焊接平均需５０分钟，锚杆施工平均需３０分钟，设备退出平均需１０分钟，共历时约３小时２０分钟，比人工立架节约３０分钟，工字钢越粗，设备立架的时间优势更明显。
３ 设备使用优化
全电脑３臂凿岩台车、智能拱锚一体化台车投入白鹤滩隧道出口端右洞使用之初，在钻爆开挖工序时间、单班炸材、单循环进尺、光面爆破效果、钢架就位、立架工序时间等方面的性能亟需改善。项目以光面爆破理论为基础，本着提质增效的原则，通过现场不断地尝试与试验，对影响施工效率及爆破效果的各工序环节进行了深入研究优化。
３．１ 接电优化
为解决台车接电速度慢的问题，采用电钻螺丝刀拧紧。全电脑３臂凿岩台车在用电负荷、电缆线截面、配电箱内接线端子、机手使用常规扳手接电时拧螺丝速度、螺丝拧紧程度等方面有待改善，可能会出现接线端子因为接触不良而过载损坏的问题。针对此问题，项目采用电动螺丝刀，机手接电操作更高效、安全，拧紧程度可控，连接质量更稳定。同时积极与设备厂家联系，探索符合规范要求的承插式快速接头，使设备接电更快捷高效。
３．２ 供水管优化
拱锚台车在收放８０米水管的过程中，由于管身与地面摩擦导致水管时常被割伤（割破），割伤（割破）处在工作中可能破裂漏水，导致水管的损坏及缺水卡钻，从而降低了施工效率，增加了施工成本。为解决这个问题，项目采用钢丝编织软管及快速接头的措施，水管分为４段，采用快速接头连接，更换迅速，使用时间增长。
３．３ 逆坡施工优化
白鹤滩隧道为逆坡施工，钻孔产生大量携带钻渣的泥浆将堆积于底板孔孔口处，底板孔被覆盖且易被堵塞，如果炮孔堵塞导致炸药装填不到位，爆破后底板可能会欠挖隆起。为解决这个问题，项目采用增加集水坑、人工封堵底板孔并做标记，从下往上钻孔的措施。在掌子面近端设置水沟１处，在远端设置集水坑，设备每完成１个底板孔，工人同步用预制的土工布封堵炮孔，土工布外露５０厘米长。设备钻孔完成退出后，工人可通过土工布快速确定炮孔位置，清掏后立即完成装药，爆破效果好，底板不欠挖、不补炮。
３．４ 施工工序调整优化
由于设备臂架粗大，原施工工艺打钻时钢架紧贴掌子面，成孔后周边眼外插角度较大，超挖严重。前端预留３米未支护段钻孔，即可保证外插角度达到最小值，但装药时工人完全暴露于裸露围岩下，安全风险极高。围岩等级为Ⅳ级时，为保证超挖可控，可将洞内施工工序调整为打钻→立架→喷浆→爆破→出渣→打钻。工序调整后，前端预留长度钻孔，成孔后先立架喷浆，再装药爆破，既能保证超挖可控，也保证了装药工人的安全。
３．５ 炮孔优化
根据爆破专项施工方案，设计周边孔４８孔，间距５５厘米，白鹤滩隧道穿越岩层为玄武岩，岩石单轴抗压强度≥１００兆帕，炮孔设计越多，钻孔作业时间越长，同时设备成孔直径增大，不耦合系数增大，炸药用量随之增大。为合理减少炮孔，提高作业效率，减少炸药用量，在保证光面爆破效果的前提下，作业过程中从４个方面试验调整优化炮孔布置：拱架与掌子面的预留距离从０.５～１米调整至３米；周边眼外插距离从０.２５米调整至０.１米，间距从固定５５厘米调整至分段设置；掏槽孔通过角度优化及间距调整，从６排减少至５排，每排数量从４／３／２／３／２／２调整至４／３／２／２／２；底板孔从２排调整至１排。经过长期的爆破实践，得到了最优爆破参数，周边眼间距参数为地坪以上０～４米高度；周边眼间距６０厘米，高度４～８米时，周边眼间距８０厘米；８～９米高度时，周边眼间距９０厘米；优化后周边孔减少１５孔至３３孔。设备作业效率在提升的同时，大幅降低施工成本，提高设备使用经济性，同时也保证了光面爆破效果。
３．６ 钻杆、钻头优化
设备配置的钻杆直径３８毫米，钻头直径４５毫米，成孔直径４５～５０毫米，现场爆破使用的药卷直径为３２毫米，爆破不耦合系数为１.４１～１.５６，相比于规范推荐值偏大，在相同的爆破断面下，炸材用量增加。为解决这一问题，需要减小不耦合系数，一是减小炮孔直径，二是增大药卷直径。爆破公司无法提供直径更大的药卷，只能选择减小炮孔。与设备厂家协商交流后，将钻头由内径４５＊９-Ｒ３２调整为内径４１＊７-Ｒ３２。现场使用后，发现效果并不理想，钻头在磨耗完前即被扭断，断点位于钻杆钻头的连接处。分析原因为钻头变小后连接处截面变薄，连接部位的抗扭强度变小，导致发生扭剪破坏。为此可对大机设备配套小直径钻头做专项研究，寻求更高强度及更小直径的钻杆及钻头投入现场使用，达到进一步开源节流、降本增效的目的。
３．７ 凿岩机优化
铁建重工ＺＹＳ１１３凿岩台车钻机的配置功率为３＊３０千瓦。根据大量市场调研，结合项目现场实际使用情况，钻机功率改配为１个３０千瓦＋２个１８千瓦，中臂选配超前探孔需要的加杆装置及对应钻杆钻头，即可满足超前探孔钻探、大管棚钻孔及日常开挖钻孔的需要，改配后３臂凿岩台车的整体电总功率可减少至２６５千瓦，设备的整体售价降低１００～２００万元，洞内同步配套的电力系统费用降低，达到降低整机成本及降低水电配置成本的目的。
３．８ 清污分流优化
白鹤滩隧道出口设计涌水量为２０５４６７.９０米／天，逆坡施工。出口端暗洞施工至１公里后，掌子面涌水量约为４００米／小时，已开挖段的二衬施工封闭后，成洞段涌水通过横向排水管汇集于中央排水沟流向洞内，通过仰拱前端污水系统抽排至洞外污水处理系统。通过现场取样检测，中心沟汇水满足《污水综合排放标准》要求，可直接排放。可采取“清污分流”的举措，在成洞段增加清水收集池，阻断中心沟汇水反流至仰拱，将污水和清水分隔、分质处理，减少外排污染物量，大幅降低污水处理成本，提质增效效果显著。同时，可在清水池旁配置２０立方米储水桶１个，为３臂凿岩台车提供优质施工用水。
３．９ 合理利用预留沉降控制超欠挖
Ⅲ级围岩及Ⅳ级围岩设计的预留沉降量为３～１０厘米，二衬混凝土的设计用量不包含预留沉降部分，若沉降值未达到设计值，将造成二衬混凝土的超耗。在施工过程中，可通过分析监控量测数据，动态调整开挖预留沉降量。尤其是在３臂凿岩台车钻孔时，外插超挖距离平均约１５厘米，通过合理减小预留沉降量，周边眼起孔的位置可内收２～８厘米。在内收５厘米的情况下，每米减少超挖量１.２５立方米，喷射砼减少１.５立方米，超欠挖的现象得到有效控制，同时也减少了喷射砼、二衬混凝土的用量，经济效益显著。
３．１０ 双机连喷
在Ⅳ级围岩较好段及Ⅲ级围岩较差段，采用全断面法开挖，开挖爆破效果较好，单班进尺最大可达４米，普通喷浆通常采用单台喷浆机，但喷浆时间过长，３榀平均需要２.５小时，６榀平均需要６小时。为提高施工效率，降低喷浆工序的施工时间，创新采用“双机连喷”工艺。使用双机连喷后６榀钢架喷浆时间缩短至４小时，喷浆时间减少１／３，效率大幅提升。
３．１１ 拱锚台车使用优化
拱锚台车钢架安装工序分为钢架吊放、钢架抓举连接、调整定位、网片焊接、锁脚施工。钢架定位结束后，设备中臂需整体托举钢架，左右臂用于钢筋网片焊接，不能同步进行锁脚锚杆施工，网片焊接与锁脚锚杆施工只能组织平行搭接施工，３根钢架锁脚锚杆施工需要约４０分钟。为优化拱架安装的工序时间，创新地采用“锁脚锚杆先行施工”工法，在设备立架焊接网片的同时，人工同步进行锁脚锚杆钻孔施工，使网片焊接与锁脚锚杆平行施工，节约工序时间。“锁脚锚杆先行施工”工艺使拱架安装工序时间总体减少约４０分钟。
４ 结论与建议
１）通过一系列优化措施后，全电脑３臂凿岩台车、智能拱锚一体化台车施工效率大幅提升，单月开挖进尺从最初的６０米，到去年每月平均８９米，再到今年单月最大进尺１４２米，喷砼超耗率由最初的３６５％降低到现在的３１５％，每班平均进尺由最初的３.４米提高至现在的４.０５米，炸药用量从３９０公斤减少至３６５公斤，炸药单耗从１.２公斤／立方米降低至现在的１.０１公斤／立方米，达到了光面爆破效果最好、经济效果最佳的目标。
２）大机设备的使用应根据每个隧道围岩情况，提前做好规划，确定可以上什么设备，对于Ⅳ级围岩或Ⅲ级围岩等硬质岩层，能够更有效、更充分地利用３臂设备的钻爆功能，如常见的灰岩、白云岩、砂岩等硬质岩层；针对水稳定性差的围岩，如泥岩、泥质砂岩、变质岩等，确需使用大机设备时，可考虑投入其他设备，比如悬臂式掘进机、铣挖机。
３）实际工程中的地质情况千变万化，炮孔的设计需根据现场实际围岩坚硬程度及完整性、节理裂隙发育情况、倾向及倾角进行针对性设计。在作业过程中，派专业工程技术人员与设备跟班作业，由技术人员对掌子面进行精确地质素描，根据岩层倾向倾角、节理（层理）面位置、裂隙大小及节理倾向倾角、岩石单轴抗压强度、设备臂展情况、上一班爆破效果检查情况、拱架与掌子面距离设计下一班爆破设计图，调整周边眼间距、外插角度，以及掏槽眼纵横向间距、掏槽眼角度、底板孔排数。同时每班在实际施工时，受现场地质素描绘图精度的影响，在实际钻孔时，机手需根据定位情况，合理微调炮孔位置，使炮孔孔口避开层间裂隙，避免卡钻，减少爆生气体溢出，保证光面的爆破效果，实现隧道开挖施工的智能化动态设计。