智能型二臂凿岩台车在小断面隧道钻爆开挖应用总结

智能型二臂凿岩台车在小断面隧道钻爆开挖应用总结

龙程博

（，中国铁建重工集团股份有限公司）

摘 要：智能型二臂凿岩台车作为隧道机械化施工的重要机械设备已在小断面隧道施工中获得广泛应用。文章以某抽水蓄能工程勘探平硐机械化开挖为例，从二臂凿岩台车的性能、施工组织、施工钻爆设计及工效对比等方面系统阐述智能型二臂凿岩台车施工技术，通过与传统施工技术进行对比，总结智能型二臂凿岩台车在小断面隧道机械化开挖中应用优势，提出智能型二臂凿岩台车发展建议，推动隧道机械化施工的发展。

关键词：小断面隧道；机械化；二臂凿岩台车；应用总结

0引言

近年来，通过不断地探索与实践，交通和水利工程隧道施工建设取得了长足发展，隧道建设逐渐从传统人工作业转向机械化施工。以郑万高铁湖北段为代表的工程，是我国高铁隧道实施机械化大断面施工以及开展智能建造基础研究的的先行者，开展了机械化大断面配套施工研究。然而，随着我国建设水利及抽水蓄能项目、长大隧道平行导坑等小断面隧道的机械化施工仍在摸索中。因此有必要开展小断面隧道机械化施工探索，总结小型机械化施工装备应用案例，提出小型设备发展建议，探讨小型设备在机械化施工中的优势。

1、项目概况简述

某抽水蓄能勘探平硐，勘探平硐进入地下厂房布置区，为查明地下厂房布置区工程地质条件，为地下厂房方案比选和设计提供地质依据，勘探平硐主洞开挖断面尺寸为8.8m×7.4m（宽×高），根据初步围岩分类，II类围岩洞长约150m，III类围岩洞长约201m，IV类围岩洞长约415m，施工过程中根据围岩揭示情况动态调整围岩级别，为提高循环效率，确保工期，隧道采用 1台全电脑二臂凿岩台车（铁建重工 ZYS82）进行全断面机械钻孔作业。

2、凿岩台车主要技术参数

（1）两臂凿岩台车ZYS82：制造厂家为中国铁建重工集团，工作状态：长x宽x高：15100 mm x 2500 mm x 3850 mm，最大覆盖面积可达105㎡，总重量：33000kg；

（1）两臂凿岩台车ZYS82用途：该两臂凿岩台车适用于钻爆孔、锚杆孔、掏槽孔和超前支护孔，适合于装药、安装锚杆、注浆、安装风管、排险等高空作业。

（2）施工条件：适合在海拔 3000m 及以下、在 -20ºC ～ +45ºC 温度下工作；作业最大工作断面：宽×高13.2m×8m、最小工作断面：宽×高4m×4m；最大爬坡坡度25%。

（3）作业状况：钻孔直径φ40~φ140，最大钻孔深度5.2m，最大冲击压力190bar；空压机出口额定压力8bar；全机总装机功率215KW              ；

3、二臂凿岩台车全断面钻爆开挖施工组织

勘探平硐主洞主要以Ⅲ级围岩为主，断面面积58.47㎡，采用的是一台二臂凿岩台车全断面法开挖施工；采用全电脑凿岩台车开挖作业流程如下：设计参数导入→控制点测设→台车就位→根据电脑指示钻孔、清孔→装药→组网、起爆→进入下一道工序。

3.1设计参数导入

全电脑凿岩台车作业前，将隧道设计线路控制参数、爆破参数、控制点坐标等数据导入台车中控平台，方便后续电脑自动计算相应施工参数，且爆破参数可根据每循环爆破进尺及超欠挖情况进行及时调整后重新导入。

3.2台车就位

根据测量组控制坐标，提前在凿岩台车施工区域后方30m左右初支边墙上布置3个临时控制点（两点校核、一点复核），通过机身自带扫描仪，自动读取提前布置的两个已知点P1、P2，并通过P3点进行复核，实现自动精准定位，无需全站仪人工测量放线。

3.3根据电脑指示钻孔

通过设计参数（线路、开挖轮廓、爆破设计等）的导入、计算，和台车的精确定位，台车中控平台中会显示具体炮孔的深度、位置及角度等信息，操作手按照电脑显示操作手柄即可完成炮孔的精确施钻，过程中可根据施工经验，适当对炮孔位置及角度进行微调，以达到最好效果。

3.4装药爆破

借助装药平台，爆破工开始按照设计对周边眼、辅助眼、掏槽眼进行装药，炮孔封堵，分段设置并连接好起爆雷管、起爆线；装药完成后将臂架收拢回正，停止台车电机系统，启动台车发动机系统，解除与车身连接的水、电缆管线。收起支腿，驶出作业区域，准备爆破施工。

3.5爆破参数设计

本隧道全断面共设计 135个炮眼，各炮眼的技术参数要求及主要事项如下：

周边孔：设计孔数40个，拱顶周边眼间距50cm，边墙周边眼间距48cm，孔深 4.0m。由于二臂凿岩台车因钻孔设备原因，钻头距初支面计划10cm的工作空间，定钻过程中，严格按照计划外插角角度进行施钻，外插角过大或过小，会造成隧道爆破后，隧道轮廓存在超挖或欠挖的情况，处理则会相应的增加循环时间，影响功效；

缓冲孔：设计孔数22个，间距90cm，接近垂直钻孔，孔深3.92m。

崩落孔：设计孔数27个，横向间距80～90cm，竖向间距76～120cm，垂直钻孔。

掏槽孔、角孔：设计孔数38个，本隧道配合凿岩台车钻臂参数，设计采用楔形掏槽，掏槽孔按六排布设，中间中掏，外圈远掏，第一排角度 65°孔深 2.37m、第二排角度69°孔深4.5m、第三排角度 75°孔深4.34m、第四排角度 80°孔深3.96m、第五排角度 85°孔深3.92m。

底孔：设计孔数8个，角度朝下3°～5°，横向间距98cm，竖向间距70～90cm，孔深 4.0m。

4、二臂凿岩台车全断面钻爆开挖工效分析

智能型二臂凿岩台车定位快而准，无需人工测量画点，缩短准备时间，二臂凿岩台车拥有先进的凿岩系统，钻孔速度快，超出传统人工风动凿岩机效率的3倍，4m长孔平均钻孔时间2.5min。施工循环时间较人工开挖减少约50%，作业人员与人工开挖相比，由16人降至2名操作手，大大降低工人劳动强度、节省了人工成本，且二臂凿岩台车的钻杆定位后，按水平或固定倾角推进，操作人员只需通过操纵杆就能灵活调控钻孔位置和角度，较传统风动钻机更好地提高了钻孔质量，更好地控制了超欠挖。

  本隧道采用凿岩台车开挖，两臂同时钻孔，平均每孔耗时2.5min，，每循环钻孔耗时2小时40分钟左右，经过对本隧道近3个月的进度跟踪统计，数据汇总如下表，月进度最高220.8米：

5、二臂凿岩台车全断面钻爆开挖应用优势

5.1、自动精准定位

将设计参数录入台车电脑，台车通过3D扫描仪对隧道拱墙上的已知点的识别，即可计算出台车相对于隧道的位置。进而得知炮孔位置参数。传统断面人工全站仪放点需0.5--1小时，且需提供作业平台；ZYS82二臂凿岩台车平均定位时间不超过5min，且可在台车就位后与水电接通同时进行，极大的缩减了台车钻孔前作业准备时间；

5.2、高效精准钻孔

针对钻爆设计图中各类不同位置炮眼钻孔深度、角度控制需求，ZYS82二臂凿岩台车通过导入钻爆设计图，将设计参数提前录入台车电脑，由电脑控制钻孔参数，能够有力保证开孔位置准确、炮孔掏槽角度精准、炮孔平行垂直、炮孔底位整齐等，获得最大的爆破效果，并通过传感器实时收集反馈钻孔的所有数据于操作系统中，每循环动态调整的钻爆设计参数可通过全电脑三臂凿岩台车完美执行；

5.3、全过程智能辅助

智能型ZYS82凿岩台车中，配置计算机辅助系统，通过电脑智能配合操作手协同作业，大大地排除了钻孔时人为因素的干扰，避免了要求操作人员注意力长时间必须高度保持专注，操作手主要起监督作用，能够有更大的精力关注整个台车的工作状态，保障台车的正常运行。

5.4、配置资源先进

通过配备大功率凿岩机，钻孔速度达3-5m/min，钻进速度快；多维变幅臂架设计，通过臂架角度变换，可施作360度范围内周边、拱部、隧底等处孔位施工。自带的3D扫描仪可将隧道断面超欠情况建筑三维模型，爆破效果精准呈现，为钻爆参数的动态调整提供依据。

5.5作业安全环保

与人工钻爆法相比，凿岩台车大幅度减少掌子面作业人员数量，且操作人员距离掌子面有10m以上的安全距离，处于以支护段落，视线开阔，利于观察围岩变化，加上操作平台上安全顶棚的保护，有效提高了作业人员的安全防护水平，且封闭驾驶室减少了噪音干扰，提高作业人员作业舒适性。

6、结论

智能型二臂凿岩台车与传统钻爆法相比，尤其在硬岩围岩情况下，在单循环进尺、钻孔速度、爆破效果、循环时间、安全、环保、节能等方面优势明显，但目前限于成本、围岩因素、管理维保等多方面原因，山岭隧道施工仍大部分采用人工风钻钻爆，仅有小部分采用凿岩台车钻爆。本文以小断面隧道工程为实例，简述了智能型凿岩台车应用实例及优势。

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