凿岩台车在隧道开挖施工管理中的应用
我国铁路隧道施工机械化配套技术的发展可追溯至２０世纪８０年代初期。以衡广复线大瑶山隧道工程为契机，首次从国外引进液压凿岩台车、混凝土喷射三联机和模板台车等大型施工装备，标志着我国隧道施工装备现代化迈出了关键一步。然而，受限于当时国内劳动力价格较低以及机械化施工初期投入成本偏高等因素，隧道钻爆法施工的机械化进程在相当长的一段时期内发展缓慢。目前，随着共建“一带一路”和“交通强国、铁路先行”等国家战略的持续推进，并明确“２０２０年率先实现铁路现代化”的阶段性目标。在此背景下，中铁十九局集团华东工程有限公司在玉磨铁路首先推进隧道施工技术与装备的引进、吸收与再创新，通过持续的工程实践，逐步实现隧道施工智能装备的系统化研发和成套化配置，并在宜涪铁路项目广泛应用。
文章围绕三臂凿岩台车在隧道开挖施工管理中的应用展开研究，重点分析其在施工效率、安全性、环境友好性及施工质量方面的优势。通过系统介绍凿岩台车的结构组成与工作原理，结合实际工程数据对其与传统风钻爆破法在施工人员配置、超挖控制、作业时间等方面进行对比分析。同时，针对凿岩台车施工流程中的关键环节，包括台车就位、炮眼布置、钻眼与装药爆破等，提出具体的管理与操作策略，并从施工组织和设备维护角度探讨了保障措施。研究旨在为隧道施工机械化水平的提升提供理论支持和实践指导，推动我国隧道施工向智能化、标准化发展。
１ 三臂凿岩台车的施工优势
１．１ 工作原理及基本结构
三臂凿岩台车是１种高度集成的现代化隧道掘进设备，其结构设计紧凑，功能模块协同作业。整机主要由行走系统、供电装置、控制模块、顶推桅杆、作业臂及凿岩机构等核心部件构成，其总体构造如图１所示。
三臂凿岩台车的核心组成部分为３条相互独立的作业臂，每条作业臂均配备１台高效凿岩钻机。作业臂采用可伸缩式设计，并通过液压缸驱动实现前后伸缩及多方向摆动，从而实现对整个掌子面区域的全面覆盖。凿岩钻机普遍采用液压驱动方式，具备较高的冲击频率，可达３０００～４０００次／ｍｉｎ；在实际作业中，单台设备的岩石钻进速度一般维持在１５０～２００ｍｍ／ｍｉｎ的范围内。每台钻机均配有专门的除尘系统，钻孔直径一般控制在４０～５０ｍｍ。整套设备配备有可编程逻辑控制器（ＰＬＣ），支持钻孔参数的设置，并可实现全自动化钻进操作。
１．２ 功能完善
随着“自动化替代人工”和“机械化施工”政策的持续推进，隧道施工的效率与安全水平显著提升。与传统人工操作的气腿式风钻相比，三臂凿岩台车具备更为全面的功能配置，尤其在实施大管棚钻孔、超前水平探孔及锚杆安装等工序方面表现突出。施工单位无需单独采购管棚钻机和水平钻设备，从而在保障作业质量的同时，显著降低了设备采购和施工整体成本。此外，该设备还可用于注浆孔的施工，仅需更换配套钻头即可完��作业，且能够精确控制钻孔角度。
相比之下，传统风钻施工通常需要多名工人协同作业，单次进尺深度约为３.２～３.３ｍ，钻孔速度为２.５ｍｉｎ／根。而三臂凿岩台车的单次推进深度可达４.５ｍ左右，每根钻孔时间仅需１.５ｍｉｎ，大幅提升了开挖效率，加快了施工进程，有效缩短了工期。
在使用凿岩台车进行掌子面开挖时，一般只需少量操作人员到场。台车配备防护顶棚，为作业人员提供安全保障，使人员远离掌子面，在设备操作平台上完成作业，显著降低了因落石造成安全事故的风险。此外，与人工风钻作业相比，三臂凿岩台车省去了风钻安装、台车定位等繁琐步骤，钻孔质量更有保障。综上所述，该设备实现了资源配置的科学化，不仅提升了施工效率，还有效压缩了开挖循环周期，从而在一定程度上降低了工程成本。
１．３ 安全环保
在使用三臂凿岩台车进行隧道开挖时，操作人员可在远离掌子面的固定操作平台上操控钻机，作业距离通常在１０ｍ以上，仅在装药等特殊环节时需靠近掌子面。而传统气动凿岩机作业则要求工人贴近掌子面操作，距离往往不足１ｍ，不仅作业强度大，而且安全系数较低。同时，由于施工人员数量较多（每班次多达３０人），在发生突发情况时极易引发群体性伤亡事故。此外，气动凿岩设备在冲击岩体过程中易产生较强振动，对于稳定性较弱的掌子面区域，可能引发拱部岩体松动，进而诱发落石或局部坍塌现象。在此类突发情况下，作业人员往往难以及时撤离，存在较高的人员伤亡风险。
相比之下，三臂凿岩台车的作业人员劳动强度明显降低，施工过程噪声较小，掌子面环境整洁，视线良好，空气流通性佳，且设备运行过程中极少发生卡钻现象，有助于保障文明施工。台车采用液压驱动系统，无需依赖高压气体进行作业，从源头上避免了严重的空气污染。其运行过程中产生的噪音较低，废水排放量也相对有限，通过配置相应的废水处理系统，并在处理达标后排放，可有效减少施工过程中对水环境造成的影响。而气动凿岩设备，由于依赖大量高压气体驱动，其运行过程中往往产生显著的噪声和空气污染，不符合绿色施工的环保要求。因此，从安全性、作业环境以及生态友好角度看，三臂凿岩台车更具优势。
此外，现代化凿岩台车普遍配备先进的计算机控制系统，集成多种传感器与信号解析单元，能够将作业过程中臂架的位置参数与推进梁的角度实时转换为数字信号，并同步显示于驾驶室内的监控界面。通过该系统，可实现对钻臂和推进梁的自动控制与动态调节，确保钻孔定位的高精度与作业过程的智能化。施工过程中，所有钻孔均依据预设的布孔图自动完成，钻孔精度高，有效避免了超挖或欠挖现象的发生。
２ 隧道施工中三臂凿岩台车的管理
２．１ 施工工艺流程
依据新奥法施工理论，并结合隧道所处区域的地质特征，开挖作业采用三臂凿岩台车实施。根据围岩稳定性与类别差异，可灵活选择全断面法或两台阶法进行开挖作业。针对不同类型的围岩条件，分别制定相应的光面爆破技术方案，旨在确保开挖后的隧道断面轮廓清晰，达到理想的光爆效果。在控制超欠挖范围的同时，实现较大的单次进尺，提高施工效率。整体施工工艺流程如图２所示。
２．２ 三臂凿岩台车施工方法
（１）台车定位。在每个开挖循环开始前，需完成施工准备工作，主要包括在掌子面周边设置３个控制点，作为定位基准，以实现凿岩台车的精准就位。台车通过识别控制点，结合掌子面姿态信息，自动或人工辅助调整至最佳施工位置。
（２）炮眼布设。施工断面的各项参数应完整录入台车控制系统。根据设计图纸及现场地质条件，选择适用的炮眼布置方案，并生成详细的炮眼分布图。台车依据该图进行炮眼位置的动态跟踪和引导，确保司钻人员能够科学、高效地完成布设任务。
（３）钻孔作业。根据掌子面实际情况，选择合理的开眼位置，密切监控不平整区域，并确定适当的钻孔深度。结合凿岩台车的性能特点，在掏槽作业中推荐采用楔形水平斜孔布置方式。在钻孔施工前，需编制相应的爆破设计方案。钻孔过程中，台车将依照布孔图，持续引导司钻人员完成孔位的精准定位。
（４）装药与爆破。钻孔工作由三臂凿岩台车完成，钻孔直径为４５ｍｍ。装药阶段选用直径３２ｍｍ的乳化炸药，并对炮孔口进行密封处理。可采用由砂土与黏土按比例混合制成的炮泥进行封堵，增强密闭性。光面爆破参数如图３所示。
凿岩台车施工保障措施：
（１）电力与供排水系统配置。为确保凿岩台车在隧道内部施工过程中电压稳定，当开挖深度超过５００ｍ时，应采用高压电源入洞供电策略。同时，考虑到凿岩台车用水量较大且对水压有一定要求，需配置充足的供排水设施，并在洞口设置高位蓄水池以保障持续供水压力。为保证炮眼布置的精度，掌子面附近应布设不少于３个控制点，以支持台车自动建站与位置复核功能的正常运行。
（２）作业协同与施工效率提升。在满足施工安全前提下，若装药孔与钻孔间的最小安全间距达到３ｍ以上，二者可同步作业，以提升作业效率并加快施工进度。
（３）炮孔标识与定位。炮眼成孔后，易受泥浆、水流等干扰物遮挡，尤其是周边及底部孔位常难以辨识。为提高装药效率，应在钻孔完成后及时采用纸盒、竹片等简易物品进行孔口填塞与标记，便于后续定位与装药操作。
２．３ 施工现场机械管理
当前，机械操作手需具备较高的专业技能水平，必须接受规定时长的系统培训并通过严格考核后，方可参与实际施工操作，以确保施工过程中设备运行的安全性与作业效率。此外，操作人员需熟练掌握钻臂控制技巧，特别是在进行手动微调时，能够精准保证钻孔间距的均匀分布。在连续作业需求较高的施工场景中，需科学制定维保计划与人员作息机制，以保障施工连续性。合理的组织架构对于作业流程的顺利衔接至关重要。为提高施工组织效率，建议建立职责明确、分工合理的管理体系。组织结构可设置１名队长与１名副队长，分别兼任施工调度及设备库房管理职能；作业班组由主操作手、副操作手及１名辅助工人组成，同时配备２组专职的设备维保人员，确保施工与维护工作的高效协同。各工作班在完成任务后，应按规定流程进行设备运行状态记录，并采用“一一对接”的方式完成班次交接，确保接班人员可迅速了解前一班组的工作进展与设备使用情况，从而保障作业的延续性与安全性。
所有工作应严格遵循制定的管理制度执行，全面实施“１＋１”交接管理模式，即每班次完成后由接班人员与交班人员逐项核对设备状态，识别潜在故障，确保作业安全及设备性能的稳定发挥。在三臂凿岩台车进场前，应完成水、电等基础设施的接入准备，并安排相关岗位人员提前就位。施工开始前，需完成测量放样及地质条件的详细调查，为后续作业提供数据支持。钻孔完成后，应立即进行吊篮清孔与装药作业，保障爆破环节的连贯性。支护施工需合理控制材料进场节奏与设备出洞时间的协调，以避免施工冲突。爆破作业结束后，应及时完成出渣与测量数据的收集，反馈至技术人员进行分析，从而掌握爆破效果并据此安排后续修复作业。同时，对施工初期的各项关键环节进行质量控制，确保工程质量达标。此外，利用超前地质预报系统获取掌子面前方地质信息，并结合现场实测数据进行对比与分析，动态修正参数设置，从而提高钻爆作业的准确性和施工质量。
３ 机械化施工方案的效果分析
３．１ 施工人员成本
以玉磨铁路安定隧道为例，该隧道全长１３.５０８ｋｍ，位于云南省墨江县，隧道线路穿越磨盘山、哀牢山、无量山，跨元江、阿墨江、把边江、澜沧江，沿线地形地貌变化大，施工便道修建条件差，雨季持续时间长，运输条件困难。为应对高风险、高难度的地质挑战，采用三臂凿岩台车与湿喷机械手等成套机械化装备替代传统风钻作业，全面提升作业效率与安全水平。
以Ⅳ级围岩条件下采用台阶法进行隧道施工为例，若采用传统气腿式风钻爆破工艺，根据相关施工规范，掌子��同时作业人数不得超过９人。然而，在实际施工过程中，为完成１次循环的上台阶钻孔作业，通常需９人同时作业持续约５ｈ。为缩短工期，提高作业效率，部分施工单位可能超员作业，以压缩作业时间，但此举无形中增加了掌子面区域的人员密度，显著加大了作业期间的安全风险。传统风钻爆破施工，完成１次循环作业所需人员数量如图４所示。成套机械化施工，完成１次循环作业所需的人员数量如图５所示。
对比图４和图５可知，采用成套机械化施工工艺相较于传统作业方式，能够显著减少隧道施工班组的人数，尤其是在高风险作业区域从业人员数量的压缩更为明显。这不仅有助于降低劳务用工成本，还在一定程度上减少了作业过程中人员暴露于危险环境中的概率，从而有效降低了安全事故的发生风险。
３．２ 施工质量及时间分析
对围岩开挖进行测量，凿岩台车机械化施工与人工开挖的超挖量对比如图６所示。
由图６可知，２种施工方法在控制开挖轮廓精度方面存在明显差异。在人工开挖过程中，由于钻孔定位依赖作业人员的目测经验，钻孔间距不均，角度偏差较大，造成开挖轮廓线不规整，超挖范围普遍超过设计线。进一步对比表明，人工施工产生的平均超挖面积约为０.５５ｍ²，最大达到０.８２ｍ²；而凿岩台车开挖的平均超挖面积仅为０.２３ｍ²，最大不超过０.３５ｍ²。这意味着机械化施工在保证断面成形质量的同时，减少了无效开挖量，降低了二次支护的补强需求和混凝土喷护材料的浪费。施工单位反馈，控制精度提升带来的间接经济效益明显，支护作业的返工率降低了超过４０％。因此，从开挖质量角度来看，凿岩台车技术能够有效提升隧道断面的规整性和尺寸控制水平，为后续施工工序提供了良好基础。
隧道左线采用三臂凿岩台车进行开挖作业。设备完成精确就位后，测量人员以台车中部的挂篮为基准，依次放样标定隧道中心线、开挖轮廓线的圆心点，并准确定位周边炮孔的位置。同时，对上１循环的开挖轮廓进行复测，记录超挖部位的实际偏差，为后续施工修正提供数据支持。凿岩台车所配钻机具备推进力与冲击压力调节功能，施工过程中可根据掌子面岩体结构特征进行动态调整，从而有效提升钻孔成形质量与作业精度。
凿岩台车完成１次标准循环开挖过程中的主要施工环节及其时间分布如图７所示。整个流程涵盖了从设备就位、炮眼布置、钻孔作业，到装药爆破、排渣出洞、初期支护等多个连续工序。由图７可以看出，凿岩台车施工具有明显的阶段性与组织性特征，各环节时间安排较为合理，具有良好的连续性和衔接性。
４ 结束语
文章针对传统隧道风钻爆破法存在的效率低、安全隐患大、污染严重等问题，深入分析了三臂凿岩台车在隧道开挖中的应用效果及施工管理策略，并结合实例进行定量数据分析，验证其综合优势。研究结果表明：
（１）在施工效率方面，三臂凿岩台车具有１.５ｍｉｎ／孔、每循环４.５ｍ的钻孔能力，相比传统人工气动风钻的２.５ｍｉｎ／孔、３.２ｍ进尺效率，提升幅度明显，极大地缩短了开挖工期。在施工安全方面，传统作业需要９人密集布置于掌子面，极易造成伤亡事故；而凿岩台车作业人员仅需３人远程操控，配备防护顶棚，有效降低了近掌作业风险。
（２）从施工质量来看，凿岩台车依靠计算机辅助控制，实现炮眼精准定位和均匀布置，超挖量显著低于人工作业，且钻孔质量稳定，有助于后续爆破与支护作业的高效衔接。
（３）在环保性能方面，凿岩台车采用液压驱动系统，避免了高压气体对空气的污染，且噪声与废水处理得当，掌子面施工环境明显改善，有利于文明施工管理目标的实现。在设备管理与现场组织方面，文章提出了科学的操作规程、交接制度与人员培训机制，确保了台车高效运转与故障率降低，为成套机械化施工提供了切实可行的管理模式。
综上所述，三臂凿岩台车作为隧道施工机械化转型的重要工具，凭借其高效率、高安全性、低成本及环保优势，已成为隧道钻爆施工中不可或缺的核心装备，为推动我国隧道工程向智能化、标准化发展奠定了坚实基础。