基于信息化检测系统的双曲臂凿岩台车隧道开挖技术
０ 引言
近年来，随着计算机和微电子技术的飞速发展，地质雷达技术（简称ＧＰＲ）已广泛应用于隧道施工中，通过有效识别围岩结构、岩层界面、地下水等信息为隧道设计和施工提供依据。然而，由于地质雷达技术极度依赖于电磁波的传播，而在某些复杂地质条件下，如高阻抗地层、含水地层、地下金属物体等，电磁波传播特性可能受到影响，导致探测结果的准确性降低，严重影响隧道围岩类别的判断准确性。同时，目前市场上的地质雷达设备在探测深度、分辨率等方面仍存在一定的局限性，且地质雷达图像的解析主要依赖人工识别，这在一定程度上也限制了其在隧道围岩类别判断中的应用，无法满足隧道围岩类别判断的需要。因此，如何将地质雷达技术与其他围岩判别方法进行有效结合，科学、精准、高效完成围岩等级判断是当前研究的一个难点问题。
１ 工程概况
Ｇ０６１１高速公路青海省同仁至赛尔龙（青甘界）段ＴＳＥＰＣ-１标瓦浪隧道位于青海黄南藏族自治州同仁县扎毛乡，属左右线分离式岩质隧道。右线起讫里程为Ｋ４２＋７１９～Ｋ４４＋２６５（含短链），全长１５４５.７２２ｍ，最大埋深为１１９.０ｍ。
２ 信息化凿岩台车工艺原理
在隧道掘进过程中，利用安装在双曲臂凿岩台车上的激光测距机构和姿态检测仪，实时记录钻孔深度，监测钻孔角度，自动计算分析成孔总深度及成孔质量，并利用控制系统采集现场钻进参数，如钻孔深度、成孔时间、数量、质量及遇到岩层的判断等，把监测到的各项数据直观反馈出来，为判断前方围岩岩性、硬度、裂隙特征等提供依据。
地质雷达向隧道围岩发射高频电磁波，当电磁波在传播过程中遇到不同性质的地质界面时，会形成相应的反射回波，分析反射波的波形、振幅和相位等信息，判断围岩中的地质构造，如岩层、裂隙、地下水等，为预报隧道不良地质提供参考。
通过将凿岩台车钻进参数实时测量和地质雷达技术相结合，可以更准确地判断隧道围岩的等级、性质和稳定性，为隧道工程施工提供可靠依据（见表１）。
基于凿岩台车围岩实时反馈的隧道高效施工工艺流程如下：双曲臂凿岩台车监测系统安装与调试→钻进参数实时测量→地质雷达探测→数据分析与处理→监控与反馈。
３ 关键施工工艺及操作要点
３．１ 钻进参数测量
３．１．１ 施工准备
施工前根据围岩条件开展试钻作业，明确冲击压力、推进压力及旋转压力等关键参数。
上一循环（拱架）支护须预留一定作业空间，做厚度５ｃｍ的初喷混凝土，根据围岩稳定情况和台车钻臂长度确定预留空间距离，确保下一循环施工时掌子面周边眼的钻孔开孔角度可以精确定位。
３．１．２ 钻进施工
炮眼数量与间距依据钻爆设计精确控制。周边眼的布置根据实际爆破���果及时调整优化。锁脚锚杆、超前锚杆及系统锚杆的孔位按设计角度、间距与排距进行放样定点，用油漆标记孔位。
测量放样后借助人工辅助定位炮眼。
按机械臂数量分区分块、自上而下顺序钻设炮眼，如图１所示，周边眼沿隧道设计断面轮廓线的间距允许偏差≤５０ｍｍ，外斜度控制在５０ｍｍ／ｍ以内，眼底不得超出开挖轮廓线１００ｍｍ。锚杆钻孔须垂直于岩面或节理面，角度偏差不得超过１５°，孔位偏差不大于５０ｍｍ。
根据设计规范检验锚杆孔孔径与孔深，对不符合质量要求的孔眼须重新钻孔。
用高压风将孔内残余泥浆、存水及石粉吹净。
３．１．３ 参数获取
在隧道掘进过程中，凿岩台车会实时采集钻进参数，如钻孔深度、成孔时间、数量、质量及遇到岩层的判断等。这些参数可以反映围岩的物理力学特性，通过分析这些参数，可以判断围岩的岩性、硬度、裂隙等特征，快速确定围岩等级。
３．２ 地质雷达探测
３．２．１ 测线布置及方法
根据现场掌子面情况和隧道地质复杂程度，一般水平方向布置１～３条测线，必要时竖直方向可在中心线布置１条。
采用地质雷达系统进行掌子面超前探测时，基本不受工频交流电及机械振动等干扰。为获得高质量探测信号，需确保掌子面表面尽可能平整。
掌子面不平整时可根据“尽可能靠近掌子面轴心位置，使测线距离尽可能长”原则进行测线调整。
全断面法开挖测线主要布设于拱顶附近及掌子面下部２条，借助开挖台车，对掌子面中部区域（主要为左右侧部）的测线探测进行必要控制。
两台阶法开挖时主要在上台阶掌子面布设上下２条测线：拱部１条，下部１条，利用开挖台架中部左右侧进行适当长度的控制性探测。
三台阶法开挖时根据上台阶开挖高度及其变化情况，在掌子面上沿隧道（或侧壁导坑）横向设置１～２条水平探测线。
采用ＣＤ法开挖时，需分别在先行与后行上导坑的掌子面上各布设上下２条测线（拱部１条、下部１条），并借助开挖台架实施适当长度的控制探测。
３．２．２ 现场测试要求
建议选用中心频率为１００ＭＨｚ的雷达天线，必要时可辅以其他频率天线进行补充探测。仪器设备应配备指数增益功能的信号增益控制模块，其模数转换精度不低于１６ｂｉｔ，并支持８次以上的信号叠加。在连续测量模式下，扫描速率需达到１２８次／ｓ以上。应通过现场试验确定合适的仪器参数，其中采样率宜设置为天线中心频率的６～１０倍。
３．２．３ 现场探测
开展地质预报工作时，施工单位须提供必要的配合与支持。采用地质雷达ＬＴＤ-２６００进行掌子面预报，单次作业时间约为２５ｍｉｎ，可于出渣工序完成后实施。
在进洞首次测试前，应清晰标出隧道轮廓线，并对待测岩面进行平整处理。现场测试期间，须移开或尽量避开测线附近的机械设备、金属物体及导线等干扰物。支撑天线的器材须采用绝缘材料，天线操作人员亦不应佩戴任何金属物品。
测试过程中，天线需与岩壁紧密接触，水平测线应保持高度一致，垂直测线须严格铅直。采用连续测量方式时，天线应匀速缓慢移动，确保测点间距不大于２０ｃｍ；采用点测方式时，点距宜控制在１０～２０ｃｍ之间，并在采样时保持天线静止。
３．３ 数据分析与处理
收集钻进参数（如钻进速度、钻压、回转速度等）和地质雷达扫描结果（如地质剖面图像、波速、反射强度等）。
对已获取的原始数据需开展预处理，通过去噪、滤波及归一化等手段，以提升数据的可用性与质量。
分析钻进参数，评估凿岩台车的工作效率，判断围岩性质。分析地质雷达扫描结果，识别围岩的岩性、层理、裂隙等特征。
将钻进参数和地质雷达扫描结果进行数据融合，综合分析围岩性质，提高判别准确性（见图２）。
结合凿岩台车钻进参数和地质雷达扫描结果，快速判断围岩等级。
３．４ 监控与反馈
在隧道掘进过程中，持续监控凿岩台车钻进参数和地质雷达探测结果，及时发现和处理异常情况。同时，根据实际施工情况，对凿岩台车和地质雷达设备进行调整和优化，如调整凿岩台车的工作参数、采取特殊支护措施等，提高地质勘探的准确性和实时性，确保隧道施工的安全和质量。
３．５ 施工质量控制要点
加强全过程的质量监控，严把操作质量关，检测原始数据不得随意涂改，并应及时进行签字确认，以备查验。
试验过程严格按审批方案执行，不得私自调整，若需要调整必须经过重新审批。
测试数据有疑问时应暂停检测，待分析确定原因后再决定是否继续进行检测或重新进行检测。
４ 效益分析
４．１ 经济效益
采用基于信息化检测系统的双曲臂凿岩台车隧道开挖技术可以快速准确地判断隧道围岩等级，为凿岩台车工作参数调整和隧道施工方案优化提供依据，能极大加快施工速度，提高施工效率。同时，利用该方法可以显著提高工程质量，延长隧道使用寿命，减少后期不必要的维护和加固成本。如表２所示，利用该方法进行瓦浪隧道施工共节约工期３３ｄ，节约人力成本５０％，机械成本６４万元，累计节约各项成本７９.５７５万元，经济效益显著。
４．２ 环境效益
利用无线姿态检测仪实时反馈数据，可判断当前钻孔的具体情况，完美解决钻进过程中围岩等级快速判定问题，为后续光面爆破优选最佳循环进尺、最佳眼孔布置和爆破装药量等参数提供可靠依据，减少了过度破坏和能源浪费；同时有助于减少爆破产生的粉尘、振动和噪声等环境污染，完全符合国家所倡导的“工程建设节约环保，减污降耗”的社会要求。
５ 结束语
通过基于信息化检测系统的双曲臂凿岩台车隧道开挖技术的应用，能实时监测打孔深度、钻孔角度等参数，方便对围岩等级做出准确判断，避免人工判断偏差问题，还可以根据隧道围岩实际情况及时调整断面轮廓及钻眼角度，保证钻孔质量，提高光面爆破质量，主要特点如下。
１）基于信息化检测系统的双曲臂凿岩台车及配套检测系统，利用无线姿态检测仪实时反馈数据，可判断当前钻孔的具体情况，解决钻进过程中围岩等级快速判定问题，为后续光面爆破优选最佳循环进尺、最佳眼孔布置和爆破装药量等参数提供可靠依据。
２）双曲臂凿岩台车控制系统，主要控制整体参数的运行及反馈，最终把监测到的各项数据，包括钻孔深度、成孔时间、数量、质量及遇到岩层的判断等，通过显示系统直观的反馈出，控制系统同时具备远程数据传输功能可实现实时监管。