京沈项目高铁大断面隧道应用三臂凿岩台车在Ⅳ级围岩中台阶法施工工法.docx
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京沈项目高铁大断面隧道应用三臂凿岩台车在Ⅳ级围岩中台阶法施工工法
高铁大断面隧道应用三臂凿岩台车
在IV级围岩中台阶法施工工法
（作者：
京沈项目陈玉奎、汤春阳、李玉明、李旭阳、马翼）
1.前言
目前公路隧道和铁路隧道一样，总的趋势是向长大化和深层化发展。
对于高速铁路控制性工程——高速铁路隧道，尤其是大断面长大隧道，由于施工周期长，地质情况复杂，施工环境恶劣等因素直接影响着投资回报周期，因此，大断面长大隧道快速施工显得尤为重要和关键。
钻爆法具有如下优点:
投资省、设备小巧，并且能够适应各种不相同的地质环境，而且快速、机动、灵活和适应能力强。
当前钻爆法的发展方向为：
加快开挖成洞的速度；增强应变的能力，减少工程的成本；改良施工作业的环境条件及安全技术。
当然，这中间最关键的就是要研究如何能够提高隧道的机械化以及自动化水平；及加强隧道施工操作的标准化，减少施工环节中的资源浪费，从而可以加快进度，保证质量，降低成本。
隧道施工关键在于开挖。
所谓人工钻爆法，虽然成本较低，但是工人的劳动强度很大，施工的作业环境较恶劣，施工的效率也低；相比之下，三臂凿岩台车具有钻孔耗时少、自动化程度高、施工较为安全、施工质量高、较好的隧道开挖作业工作环境、较高的施工作业机械化水平、钻孔技术超前、以及可以很好地控制超欠挖等优势。
三臂凿岩台车远距离对大断面软岩施作超前小导管、系统锚杆、注浆等施工,能垂直上向凿眼，施工质量好,安全风险低。
虽然多臂凿岩台车在开挖隧道过程中具有相当多优势，但是由于多个不合理因素的影响，比如：
施工人员的素质不高，施工管理水平较低，施工机械配套，多臂凿岩台车不能充分地发挥它的作用。
多臂凿岩台车是较为先进的隧道钻孔工具，但是因为施工单位较少对其进行研究，以致其在隧道开挖中的优势不能得到充分发挥，因此研究多臂凿岩台车在长大隧道中的成套施工方法显得极为迫切和必要。
中国路桥承建京沈客专辽宁段TJ-1标三棱山隧道位于辽宁省朝阳市、阜新市境内，隧道全长8888m。
隧道进口位于北票市马友营乡东台子村，与101国道相邻。
隧道进口起始里程为DK493+415，设计为纵坡为4.8‰的单面下坡，共承担2930m的施工任务。
其中开挖里程为DK493+880-918，围岩等级为
级，衬砌类型为
a-2、
a-1。
该地段工程地质情况为：
凝灰岩，局部夹凝灰质砂页岩，强至弱风化，灰色，凝灰质结构，块状构造，节理裂隙较发育,岩体较破碎，块石碎石状镶嵌结构。
隧道开挖断面面积为147.03m2，其中三臂凿岩台车开挖上台阶断面面积为86m2，台阶高度7.53m，开挖宽度15.06m。
2.工法特点
2.1上台阶钻眼施工中凿岩台车的钻杆一旦定位后，因其定位迅速准确，钻杆即可按水平或固定倾角推进，这与人工控制钻杆推进相比，大大提高钻孔质量，减少超挖量。
2.2液压凿岩台车比风动凿岩机的凿岩速度快50%~120%，省去钻孔时移动支架的时间，总体施工进度比人工开挖快，可以实现多孔同时推进，一次成多孔，大大减少上台阶钻孔时间，同时有利于下台阶的跟进，更快的实现上台阶与下台阶平行作业，能够有效的提高整体施工速度。
2.3三臂凿岩台车采用液压作为动力，钻孔过程中不产生粉尘，清洁无污染，与普通人工风钻相比，噪音较小，同时操作人员在固定的平台上操作钻机，远离掌子面，能大大减少噪音对操作工人的听力损伤；操作平台设有安全顶棚，可防止落石伤人和其他突发性危害，更有效地保证现场操作人员安全。
3.适用范围
此工法适用于大断面、长隧道台阶法开挖的隧道，在Ⅳ级及以上不稳定围岩条件下需采用有效的预加固措施。
4.工艺原理
4.1长大隧道采用钻爆法进行开挖，由于
级围岩较破碎、开挖断面较大，采用上下台阶法分部平行开挖，上台阶高度为7.53m，采用三臂凿岩台车进行上台阶开挖施工，并联合湿喷机进行快速支护来对围岩进行加固，发挥围岩承载能力。
4.2三臂凿岩台车在钻臂之间不发生干涉的条件下，优化凿岩钻孔孔序，采用最快捷的钻孔顺序，利用钻孔速度快、定位精度高，提高钻孔的精度，通过钻爆参数的优化设计进行光面爆破，有效缩短循环作业时间、加快作业效率、提高钻爆精度减少超欠挖，减少对围岩的损伤，同时也节约初期支护成本。
4.3采用先进的湿喷机组进行快速初期支护作业，保持围岩的自承状态，使围岩的受力条件不发生严重的应力重分布，而且湿喷机作业效率高、回弹减少，减少回弹量又进一步保证了喷射到洞壁材料的质量和减少。
5.施工工艺流程及操作要点
5.1洞身台阶法开挖支护施工工艺流程图
洞身台阶法开挖支护流程图参见图5-1
图5－1洞身台阶法开挖施工工艺流程图
5.2操作要点
5.2.1施工准备
隧道开挖前，利用超前预报、超前钻孔、监控量测等探测结果，分析研究围岩的性质，探明前方围岩的完整性、涌水、不良地质等情况，对洞身实际的围岩与设计图进行核对，确定开挖、支护参数。
利用小松PC220-8挖掘机进行排险工作，将表面被炸松或产生裂缝而没有脱下来的石块扒下来,持续时间约为30min。
5.2.2钻爆设计
本隧道采用钻爆法施工，Ⅳ级围岩采用正台阶光面爆破施工，上台阶施工采用自制简易台车配合1台三臂凿岩台车施钻，下台阶采用4台风动凿岩机钻眼。
1、上台阶炮眼布置
掏槽眼采用斜眼掏槽的形式，有4排对称的斜眼，成对地在炮眼地集中炸出一个楔形空间，孔口距50-80cm，孔深为2.2m，炮眼数量为16个。
辅助眼间距第一排为50cm，后排眼间距为60cm，炮眼数量为98个。
周边眼是指沿边缘轮廓线布设的炮眼，周边眼炮眼的数量为54个，炮眼间距为40cm，炮眼深度为2m。
底眼设置一排，垂直于开挖面打眼，炮眼间距为80cm，炮眼数量为19个。
2、下台阶炮眼布置
辅助眼横向间距为80cm，纵向间距为100cm，孔深为2m，炮眼数量为25个。
周边眼间距为40cm，数量为25个，底板眼间距为70cm，数量为25个。
炮眼布置图参见图5-3，围岩钻爆设计参数参见表5-4。
图5-3炮眼布置图
表5-4围岩钻爆设计参数
上台阶
炮眼名称
个数
炮眼深度/m
装药类型
装药系数
周边眼
54
2
φ32*200
0.3
掏槽眼
16
2.2
φ32*200
0.7
辅助眼
98
2
φ32*200
0.55
底板眼
19
2
φ32*200
0.6
下台阶
周边眼
25
2
φ32*200
0.3
辅助眼
75
2
φ32*200
0.55
底板眼
25
2
φ32*200
0.6
5.2.3测量放线
测量人员应严格按设计进行放线，放线利用全站仪精确放出上、下台阶开挖轮廓线、隧道中线，用红色油漆画开挖轮廓与布置炮眼，辅助孔可以根据现场围岩情况作相应调整。
测量组还要注意对上一循环的开挖轮廓线进行复核，并标识超欠挖情况以备修正，便于三臂凿岩台车操作手钻孔作业。
为保障测量的准确性，洞内的导线桩、中线桩及水准点须定期进行复测，其设置必须牢固可靠，使用方便。
5.2.4凿岩台车就位
在钻机就位后，接风电应在放样同时进行,以减少工序时间。
在进行钻眼前，要检查供电电压是否满足三臂凿岩台车施工用电要求，供水系统水压是否满足三臂凿岩台车钻孔所需水压要求，认真检查台车的液压系统及各种指示灯是否处于正常的工作状态，准备时间为30min，水电工必须随时检查线路及三臂凿岩台车的运行情况。
1、凿岩台车开挖所用的高压电缆线架设在隧道右侧拱墙以上，进洞500m处放置50kw的变压器，进洞500m后，采用3×240+1×120mm2铝芯电缆给三臂供电，用电电压为380v。
2、用水为开挖作业面照明灯具是否满足操作手钻孔要求，在洞内550m处安装一个5×2.5×2.5=31.25m3的储水罐，在水罐上安装一台功率为22kw的水泵向洞内供水，洞内水罐前采用Φ100mm供水管，水罐后采用Φ80mm供水管，洞内台车施工前从水井向储水罐注水，直至洞内用水结束。
5.2.5钻孔
上台阶的钻眼作业和下部台阶的出碴，可以平行进行而使工效提高。
下台阶开挖前先进行测量放样，确定开挖轮廓线。
开挖进尺根据初期支护间距确定，不得超过2m，下台阶左右错开开挖，错开距离4~5米。
钻孔采用阿特拉斯科普柯353E三臂凿岩台车进行施工，人工控制操作杆来实现钻机的定位、定向和钻进，台车施工时，周边孔和掏槽孔严格按照爆破设计炮眼布设图和测量放线进行钻孔，特别要注意钻孔的角度和深度。
钻孔工序循环参见图5-2。
图5-2钻孔工序循环图
施工中钻眼具体步骤以及要求有如下几点：
1、台车定位主要采用全站仪定位，全站仪测量精度高、测量点位灵活。
定位的精度主要是通过保证洞内控制点的精度，即控制点的埋设不受施工的影响，确保在整个施工过程中的精度，并定期进行检测，以防出现位移偏差。
台车司钻前，必须清除易落或松动的危石，并支起液压千斤顶，使台车稳固，轮胎免受压力。
2、开孔
1）上循环爆破周边轮廓及掌子面都可能存在呈弧形、斜面等情况，且掌子面往往凹凸不平，钻头易沿开眼处向其它方向偏移，钻进方向及钻眼间距很难控制。
施工时，可沿垂直于弧形面或斜面方向先开出一个深3～5cm的浅孔，卡位后再沿该孔以正确的钻进方向钻眼。
2）如果开眼位置的岩层产状比较复杂，要用低冲击低推进慢慢钻进10～15cm，直至钻出的浅眼易于钻进，易于控制钻进方向为止。
钻眼时，应密切关注钻进方向的变化，发现有较大变化，如发生严重坍孔或卡钻时，就要停钻，废弃该眼，在别处重新钻眼。
3）辅助眼钻眼时，要根据掌子面具体情况，选择易开眼的位置钻眼，可根据围岩的坚硬程度，节理裂隙的发育情况，岩层产状等适当调整炮眼间距。
3、钻孔
考虑掌子面凹凸不平处与要求的眼深差距，钻眼深度应根据掌子面的平整度进行调整，尽量使周边眼与辅助眼眼底在同一个平面上，每个孔完成钻凿后，钻臂自动进行水雾吹渣清孔。
为防止后期钻眼过程中危石掉落使掌子面底部堆满影响底眼钻进先进行底板眼施工,然后再同时施工周边眼及其它炮眼。
在右半面底板眼钻完后，1号、3号臂分别钻上部周边眼、下部周边眼，2号臂钻掏槽眼。
周边眼钻完之后1号臂钻上部辅助眼、3号臂钻下部辅助眼。
在右半面施工完毕之后将台车定位到左半面，在将底眼钻完后，1号、3号臂分别钻下部周边眼、上部周边眼，2号臂钻掏槽眼，周边眼钻完之后1号臂钻下部辅助眼，3号臂钻上部辅助眼，钻孔时应避免两作业臂在一个垂直面上下作业，以免在作业过程中因上方施钻扰动可能的掉落岩块将下方作业臂砸损。
1）操作手要不定时的到掌子面查看摆臂情况、角度、深度、位置是否偏离设计要求，并及时纠正。
操作手在标注位置开孔钻进，钻进时要注意一次成孔，中间避免间隔与停顿，以免卡钻。
掏槽眼的偏角为65°，掏槽到周边眼之间的辅助眼角度逐渐减小。
在周边眼钻孔前，根据掌子面围岩情况及开孔处的凹凸不平程度，确定每一个炮孔的钻孔深度，同时控制好钻臂与周边岩壁的距离，调整好外插角，外插角控制在3°左右，在符合爆破设计要求、保证基本均匀的前提下，选择易掌握钻进方向的位置钻孔。
2）钻进方向易偏移的位置，要低冲击、低推进慢慢钻进，并随钻进随检查钻进方向；开孔或围岩较差时，要低冲击、低推进钻进；围岩较好，钻进一定深度后，采用高冲击、高推进钻进。
3）调整台车推进梁与隧道轴线平行，呈水平状态后，只移动台车大臂，不调整推进梁，推进梁仍保持与隧道轴线平行，仍呈水平状态，底板孔司钻，应控制好推进梁尾部与地面的高度，开孔处的位置应在设计标高上，以保证隧道底板超挖在允许范围内。
5.2.6清孔
利用掘进台车人工清理掌子面上松动的危石，然后利用风管对炮孔进行吹孔作业，用由钢筋弯制的炮钩和小于炮眼直径的高压风管输入高压风将炮眼石屑刮出和吹净。
5.2.7装药爆破
隧道爆破采用岩石乳化炸药，检查毫秒雷管的连线，并对隧道内各工作面清场，确认各操作班组已经撤离到200m安全区后，通知点炮爆破。
钻孔同时采用竹片捆绑药卷，竹片长3米，宽1cm，厚0.5cm，药卷与竹片采用透明胶带捆绑，周边眼制作间隔装药药卷，导爆索串联，毫秒雷管引爆。
掏槽眼、辅助眼制作连续装药药卷，连续装药药卷捆绑时要注意紧贴，毫秒雷管引爆。
周边眼装药结构参见图5-5，一般眼装药结构参见图5-6。
图5-5周边眼装药结构图
图5-6一般眼装药结构图
1、周边眼是间隔装药的，使用药卷Ф32mm，长度20cm,用导爆索连接，装药间距约1m。
2、在拱顶，将炮眼位置向设计轮廓线内偏移，适当增大炮眼间距，少装药，减少最小抵抗线；在拱腰位置，减小周边眼间距，同时减少药量；在边墙位置，应该保证周边眼间距大于层间厚度，在层厚不大情况下，应减小炮眼间距、同时增大最小抵抗线；减少二圈眼药量，二圈眼距离轮廓线很近，过大的装药量可能使光爆层发生超爆甚至围岩松动。
3、周边钻孔较深是超挖大的主要原因，周边钻孔钻孔深度控制在2m深处，最小抵抗线W按50～55cm控制，周边眼间距E控制在40～45cm范围之内,可有效提高光面爆破效果，控制超欠挖。
5.2.8通风出渣
1、隧道施工断面大，采用钻爆法开挖，无轨运输系统出碴，内燃机械设备多，洞内污染源多，隧道长，全隧道需总风量大，装碴、运输、二次衬砌等作业对施工通风影响大，通风管路长、通风阻力大，每次爆破后应当及时向洞内送风，减少烟尘及一氧化碳有害气体，降低对人身安全的风险因素。
隧道施工通风采用AD-三速木林森压入式风机，直径为1.5m，来实现尽快的出渣作业。
2、爆破后及时进行通风排烟，达到规范要求后，随着循环进尺的推进，增加自卸卡车的数量以满足施工的进度，满足生产需要。
上台阶采用2台装载机配合自卸汽车，下台阶采用1台挖掘机配合自卸汽车进行出渣作业。
5.2.9质量检查
1、利用挖掘机进行排险和扒碴作业。
检查爆破效果及炮眼残眼率，测量人员用全站仪对超欠挖部位测量标识，若有欠挖部位，进行补炮处理，及时调整炮眼位置，外插角度，装药量，以达到最佳爆破效果。
2、在施工地段岩性差、围岩破碎、节理发育时，应该提高爆破炮眼痕迹的保存率，尽量达到平均炮眼利用率90%，平均炮痕保存率70%减少超欠挖量。
在每次爆破完成，通风完毕，清理完石渣后，爆破人员应根据岩层的节理裂隙发育情况，及时调整爆破设计，调整装药量合理分配周边眼装药的集中度，增大炮眼痕迹保存率，实现减少超挖量。
5.2.10喷浆
级围岩一般是上岛完成质量检查后进行初期支护，一炮一支护，以确保施工安全，湿喷机采用型号为Sika-PM500PC，其喷射混凝土速度最快能达到30m³/h,来保证施工质量的同时缩短循环工序时间,确保快速施工。
1、喷射前应将松动的围岩处理干净，喷水冲洗岩面灰尘，使混凝土与围岩更好的黏贴，检查开挖断面净空尺寸，检查电路、设备和管路，施工接电采用电压为380v，采用3×120+1×70mm2铝芯、面积为340mm2的电缆给湿喷机供电。
2、喷射混凝土采用洞外自动计量拌合站拌合，隧道喷射混凝土设计等级为C25，喷浆厚度为4cm，喷混凝土时控制好风压和速凝剂掺量来减少回弹，喷射压力控制在0.2MPa，一般采用3%的速凝剂掺量。
3、喷混过程中顺序为先墙后拱，从下而上进行匀速喷射，有钢筋网和钢拱架的地方应先喷射拱架后面和钢筋网处，防止出现空洞现象，再喷两榀拱架中间的部分，混凝土运输罐车罐容积为9m³，每次喷浆共耗料15m³。
4、最佳喷射距离和角度：
喷嘴处到受喷面距离以0.8-1.2m为宜，作业时喷射料束最好与壁面垂直，垂直洞壁喷射可以降低回弹。
6.质量控制
6.1用控制好凿岩台车钻孔的外插角，尽量减小外插角的角度，应减小外插角的误差，一般小于3m时外插角的允许斜率宜为孔深的±5%，外插角的方向应与该点轮廓线的法线方向一致。
周边钻孔较深是超挖大的主要原因，周边钻孔钻孔深度控制在2m深处，最小抵抗线W按50～55cm控制，周边眼间距E控制在40～45cm范围之内。
6.2炮眼的深度和斜率应符合钻爆设计。
掏槽眼眼口间距和眼底间距的允许误差为±5cm；辅助眼眼口间距允许误差为±10cm；周边眼眼口位置误差允许为±5cm，眼底不得超出开挖断面轮廓15cm。
6.3测量人员应摒弃‘宁超勿欠’的思想，严格按设计进行放线，周边轮廓线的放样误差应不大于±2cm，爆破人员应根据岩层的节理裂隙发育情况，及时调整爆破设计，调整装药量合理分配周边眼装药的集中度，增大炮眼痕迹保存率，实现减少超挖量。
光面爆破参数见表6-1。
表6-1光面爆破设计参数
围岩级别
周边孔间距E（cm）
周边孔抵抗线W（cm）
相对距离E/W
装药集中度q（kg/m）
Ⅴ级
35～40
45～50
0.78～0.8
0.07～0.1
Ⅳ级
40～45
50～55
0.8～0.82
0.1～0.12
Ⅲ级
40～45
55～60
0.6～0.72
0.15～0.2
Ⅱ级
45～50
60～75
0.67～0.75
0.2～0.25
钻爆施工控制见表6-2
表6-2钻爆施工控制标准表
序号
项目
Ⅰ级
Ⅱ～Ⅳ级
Ⅴ、Ⅵ级
1
拱部平均线性超挖量（cm）
10
15
10
2
边墙平均线性超挖量（cm）
10
10
10
3
仰拱、隧底平均线性超挖量（cm）
10
10
10
4
拱部最大超挖量（cm）
15
25
15
5
仰拱、隧底最大超挖量（cm）
25
25
25
6
两炮衔接台阶最大尺寸（cm）
15
15
15
7
炮孔痕迹保存率（%）
≥80
≥60
8
局部欠挖量（cm）
5
5
5
9
炮孔利用率（%）
90
95
100
7.安全保证措施
7.1根据现场生产特点，制定重点工序安全操作规程、各类主要生产设备操作规程。
项目分部建立安全生产责任制，制定相应的考核办法，以确保各项规章制度的落实和实施。
7.2通过改进施工技术、施工设备、施工工艺等措施，改善劳动条件，提高施工的安全性。
7.3规范对机械设备的管理，加强操作人员的技能培训，建立机械设备定期检修制度，树立防患意识，确保机械设备的安全使用。
严格操作规程，杜绝违章操作。
7.4作业前，应检查各管路的连接，各紧固部位螺母螺钉应拧紧，操纵杆、控制装置及仪表等均应正常。
行走前，应查看场地周围，确认无人及障碍物后，方可按照引导人员指示信号作业。
7.5移动钻臂时，应先退回导杆，使顶点离开工作面，钻臂下不得有人。
7.6作业后，应将台车停放在坚实的安全地带，将导杆和钻臂以行走状态摆成水平位置，各操纵杆置于零位。
应吹洗台车的外露部分，清除运动部件上的粉尘和碎石，保持台车清洁。
7.7爆破物品的管理，严格按搬运、储存、发放工作制度作业，搬运由专人负责，炸药、雷管不得同时搬运。
作业区内安全设施齐全，消防器械完善。
7.8爆破作业时，所有人员应撤离至不受有害气体、振动及飞石伤害的安全地点。
安全地点至爆破工作面的距离，不应小于200m，设置放炮前的安全检查员，及时检查现场的安全情况，以确定是否可以起爆，爆破后经专职安全员检查，排除瞎炮等安全隐患后，其他人员方可进入施工现场。
7.9建立健全应急救援体系，制定完善的应急措施，在隧道内发生掉块坍塌时启动应急救援体系，确保把灾害损失降至最低程度。
8.环保要求
8.1加强设备养护，减少设备漏油施工机械的废油废水，采用隔油池等有效措施加以处理，不得超标排放。
8.2弃土场要先挡护后弃碴，防止泥沙冲刷污染农田、河流。
8.3洞内外施工场地修筑临时排水设施保证排水畅通。
工地废水排放前先经沉淀池沉淀，并采取必要的净化措施处理达标后方可排放。
有害物质定点存放并按照有关规定处理。
8.4洞内爆破后要进行洒水除尘或采取必要的设备除尘，严格控制洞内空气中微小颗粒的含量符合有关规定要求。
8.5运输可能产生粉尘的车辆配备挡板及棚布，防止粉尘飞扬，减少对生产人员和当地居民造成危害，必要时对运输道路进行洒水。
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