西康高鐵秦嶺太興山隧道鑿巖臺車鉆爆試驗研究

馮海潮 黃智勇 程宏生 陶永寶 傅洪賢 許華威 管曉明

1.中鐵三局集團橋隧工程有限公司， 成都 610083； 2.西成鐵路客運專線陜西有限責任公司， 西安 710043；3.北京交通大學 土木建筑工程學院， 北京100044； 4.青島理工大學 土木工程學院， 山東 青島 266033

1 鑿巖臺車應用現狀

1.1 應用歷程

1979年修建衡陽—廣州復線大瑤山隧道時進口了一批大型施工機械。首次采用進口的四臂全液壓鑿巖臺車進行直眼掏槽鉆孔，實現了全斷面一次成型爆破［1］。隨后在大同—秦皇島鐵路軍都山隧道推廣。90年代末進口設備逐漸老化，維修保養成本較大［2］。由于國內勞動力充足，又開始使用手風鉆鉆孔，研制了簡易臺架。采用手風鉆和簡易臺架進行隧道鉆孔爆破，施工效率大大提高［3］。2000年國產鑿巖臺車問世，2015年后進入快速發展階段。隧道鑿巖臺車一般配置3個鉆臂，也有配置2個或4個的，配置5個的罕見。

1.2 存在的問題

1）鑿巖臺車專業司鉆人員缺乏。司鉆人員均需專門培訓并具有一定的實踐經驗才能勝任，但目前此類培訓甚少。主要原因是沒有大規模應用鑿巖臺車。

2）技術水平一般的司鉆人員采用鑿巖臺車鉆孔爆破時平均線性超挖量大，一般在35 ～ 45 cm。即便技術水平高的司鉆人員鉆孔，平均線性超挖量也在13 ～ 18 cm，基本上是手風鉆的2倍。超挖部分須要采用噴射混凝土補充，開挖成本高。

3）現場使用的炸藥藥卷直徑與鑿巖臺車鉆孔直徑不匹配，每立方米巖石消耗的炸藥量比手風鉆鉆孔爆破時高很多。如隧道同等圍巖條件下，采用鑿巖臺車和采用手風鉆鉆孔爆破時消耗的炸藥量分別為1.02、0.64 kg/m3［4］。

針對以上問題，選取西康高速鐵路秦嶺太興山隧道左洞進口Ⅲ級圍巖段（DK23 + 075—DK23 + 155）進行鑿巖臺車鉆爆法試驗，提出鑿巖臺車的超挖控制技術措施，明確合理的炸藥藥卷直徑。

2 現場試驗

2.1 工程概況

秦嶺太興山隧道為單線雙洞隧道，左洞、右洞長度分別為16.906 、16.923 km，左右洞間距最大71 m，洞口段線間距18 m。隧道Ⅱ級、Ⅲ級、Ⅳ級、Ⅴ級圍巖總長度分別為15.120、16.430、3.268、0.905 km，所占比例分別為42%、46%、9%、3%［5］。隧道圍巖主要為混合花崗巖、混合片麻巖等。礦物成分以石英、長石、角閃石和云母為主。

2.2 鑿巖臺車改造

鑿巖臺車采用JTH3200三臂鑿巖臺車，整個臺車的外形尺寸為17.1 m（長） × 3.1 m（寬） × 4.2 m（高），推進梁長度為7.1 m。由于單線隧道跨度為10.8 m，鉆周邊孔時外插角大，并且鉆掏槽孔時空間受到限制，鉆孔最深3.5 m，不能滿足快速施工要求。因此，把兩側的機械臂長度縮短至6.1 m。改造后鑿巖臺車鉆周邊孔時外插角較小，鉆孔深度可達4.0 m。

2.3 精準鉆孔措施

掏槽孔的爆破效果對后續孔影響非常大，進而影響到爆破進尺。隧道超挖和欠挖量主要取決于周邊孔的爆破效果。因此，掏槽孔和周邊孔的鉆孔精度至關重要。

為了確保鉆孔精度，主要采取如下措施：

1）鉆孔前在掌子面用紅油漆準確勾畫出隧道中心線、拱腳線和周邊輪廓線，標出掏槽孔、周邊孔、輔助孔等炮孔的位置和間距。

2）按照掏槽孔、周邊孔、輔助孔的順序鉆孔。為了確保掏槽孔爆破效果和周邊孔爆破時超挖量在設計范圍內，鉆孔時嚴格按照爆破設計間距、深度和角度進行。其中，掏槽孔、輔助孔開孔位置誤差分別為不大于5 cm、不大于10 cm，周邊孔開孔位置從輪廓線向內移5 cm，孔底不超出開挖輪廓線15 cm。

3）由于鑿巖臺車操作室距掌子面較遠，為確保鉆孔精度，掌子面配置1名人員引導鉆掏槽孔和周邊孔。

2.4 爆破參數的確定

在確保鉆孔精度條件下，鑿巖臺車鉆爆效果主要取決于各類炮孔起爆順序、起爆時間和掏槽形式。

采用鑿巖臺車進行光面爆破時，按照掏槽孔、輔助孔、內圈孔、周邊孔和底板孔的順序依次起爆。

電子雷管出廠時沒有設置起爆時間，需要根據現場圍巖情況確定。為了裝藥方便，把電子雷管的起爆時間設置為導爆管雷管奇數段位（MS1、MS3、…、MS17）的起爆時間。

由于直孔掏槽對鉆孔精度要求較高，不易達到設計要求，采用鑿巖臺車進行隧道爆破時，大部分采用斜孔掏槽。因此，試驗段采用鑿巖臺車進行斜孔掏槽?；谠撍淼劳葒鷰r級別地段手風鉆鉆孔爆破施工經驗，經過現場3個循環的鑿巖臺車鉆爆試驗，最終確定掏槽形式為兩級斜孔掏槽。

炮孔布置和起爆順序見圖1。隧道各類炮孔爆破參數見表1。一共鉆149個炮孔，裝藥總量為257 kg。

表1 隧道各類炮孔爆破參數

圖1 炮孔布置和起爆順序（單位：cm）

2.5 試驗結果

Ⅲ級圍巖整體性較好，在3個循環爆破試驗后，周邊孔炮痕保留率在90%以上。其中一個循環爆破后斷面線性超挖量在3.3 ～ 46.2 cm，平均線性超挖量僅19.9 cm。

由于現場藥卷直徑一般為32 ～ 35 mm，該直徑與手風鉆鉆孔直徑40 mm匹配，與鑿巖臺車炮孔直徑50 mm不匹配，掏槽孔爆破效果不理想。根據手風鉆鉆孔直徑與藥卷直徑的匹配關系，與鑿巖臺車配套的藥卷直徑宜在40 ～ 45 mm取值。

由于所使用的鑿巖臺車有兩個工作平臺，每個平臺最多能允許2人裝藥，裝藥爆破時間在150 min左右。為了縮短施工時間，采用簡易臺車配合鑿巖臺車進行爆破掘進作業，裝藥和連線一般需要8人。按照試驗方案和參數完成了剩余的試驗段。試驗段爆破施工進尺在3.4 ～ 3.6 m，鉆孔平均用時224 min，裝藥、爆破平均用時90 min，鉆爆施工用時314 min。

3 結語

1）針對周邊孔外插角大和掏槽孔深度受限問題，將鑿巖臺車兩側機械臂長度由7.1 m縮短至6.1 m。改造后鑿巖臺車鉆周邊孔時外插角較小，鉆孔深度可達4.0 m。

2）掏槽孔和周邊孔的鉆孔精度對于鑿巖臺車爆破施工質量至關重要。鉆孔前勾畫出隧道中心線、拱腳線和周邊輪廓線；按照掏槽孔、輔助孔、內圈孔、周邊孔和底板孔的順序鉆孔；掌子面配置1名技術人員引導鉆掏槽孔和周邊孔。爆破后平均線性超挖量僅19.9 cm。

3）單線隧道采用鑿巖臺車鉆爆時可以采用兩級斜孔掏槽，爆破施工進尺可達3.4 ～ 3.6 m。

4）采用簡易臺車配合鑿巖臺車進行爆破掘進作業，可以縮短鉆爆施工時間。與鑿巖臺車配套的藥卷直徑宜在40 ～ 45 mm取值。