全液压电脑导向三臂凿岩台车在东山隧道的应用

韩文珍,张子昂

（1.山西辰润交通科技有限公司,山西 晋中 030600; 2.北京理工大学计算机学院,北京 100000）

0 引言

2021年，山西省汾阳至石楼高速公路引入瑞典进口的安百拓牌XL3D 型三臂凿岩台车进行隧道施工。此机械配备人机交互式操作面板和主机电脑，实现自动化、智能化，高效安全地完成钻孔作业。

1 XL3D 型三臂凿岩台车的性能优势分析

1.1 自动+智能系统分析

1.1.1 施工自动化控制

支持计算机终端（安装布控图设计软件）进行炮孔布置图的设计，并可通过WiFi/U 盘导入车载主控电脑，全电脑台车将按照炮孔布置图自动完成钻孔作业，实现钻孔位置、角度、深度的精确、自动化控制，有效控制开挖面轮廓和超欠挖[1]。利用隧道软件以最终爆破效果进行布孔图设计，将布孔图和装药图设计集成在同一软件之内，可以按不同孔位孔的不同功能，设计出10 种不同类型孔的凿岩参数，凿岩台车内置可自定义的10 种孔型，根据布孔图的要求，自动调整凿岩参数，达到高精度、高速度和低钻具消耗的最优化结果[2]。可实现凿岩钻孔参数实时反馈自调节，自动控制凿岩机防卡钻、防空打、开孔模式等，并且钻孔效率不低于3 m/min[3]。

1.1.2 数据采集、交互及传输

实时采集钻机推进速度、回转速度、回退速度、旋转压力、推进压力、冲击压力、回退压力，水排渣压力、钻进深度、钻杆角度、钻孔位置、钻孔数量等一系列参数，形成记录文档，并可通过以太网、WiFi 实时反馈给终端进行处理，得到分析云图或者波浪图，并能在电脑上简单显示，实现岩石钻进数据的可视化[4]。

1.1.3 隧道轮廓面激光扫描与超前地质预报

采用激光对掌子面、隧道轮廓、返光标识点进行扫描，通过对比实际扫描截面与隧道预设截面模型，得出超欠挖数据。通过MWD 软件分析判断岩石软硬，有无溶洞、水包、断层、裂隙等，并形成地质报告，尤其适用于超前地质钻探[5]。

1.1.4 智能化电脑导向系统

引入智能化电脑导向系统，开发出升级版、电脑导向版三臂凿岩台车配备人机交互式操作面板和彩色显示器，能实现钻进过程的数据检测和信息搜集，指导钻臂和推进梁定位，并能够人工干预及时纠正钻进误差[6]。多机群避障主要由避碰运算主机、路由器、WiFi 模块组成。当设备进入WiFi 区域时，设备自动连接上WiFi 局域网，同时实时上传自身位置与自身臂架位置信息。避碰运算主机经过一定的计算，对不同设备的臂架间距离等进行计算，实际多机作业下互不干扰，若发现异常，下发暂停指令使设备暂停[7]。

1.1.5 钻孔自动调节及防卡钎保护

三臂凿岩台车采用钻孔自动调节及防卡钎保护设计，凿岩回转压力高于设定值时，凿岩机回退，防止卡钎，降低钻杆与凿岩机的损坏；钻进达到设定钻深之后，触碰行程阀，凿岩机自动退回，有效防止空打；凿岩回转油路集成流量控制和压力补偿功能，保证钻深孔、探孔时流量自动调节，凿岩机钻速自动调节，提高钻孔自动适应性，达到快速施工和降低钎具损耗的双重效果[8]。

1.1.6 钻臂双三角自平行机构数学模型分析

基于双三角自平行机构数学模型及分析理论，设计外插角定位精度达到千分之三。经过实际验证，周边孔超欠挖均控制在10 cm 以内，满足施工要求。液压控制系统采用恒压和负载敏感控制系统，配合远程先导控制系统，臂动作可及时精确响应。

1.2 高效+安全施工分析

1.2.1 高效的凿岩系统

凿岩系统采用先进的高压高频凿岩控制技术，有效地提高了硬岩及超硬岩的钻进效率。三臂凿岩台车采用COP1838HD+液压凿岩机，可靠性高，维修成本低，大修时间间隔长。

1.2.2 凿岩水气系统自由切换功能

设计了凿岩水气系统自由切换功能，可额外实现斜坡钻孔气排水、严寒期管路内水吹净功能，减少自然环境对设备使用的影响，延长相应配件的使用寿命。

1.2.3 钻杆自动夹持装置

设计了钻杆自动夹持装置，使凿岩台车打探孔时，连接/拆卸钻杆更为方便、快捷，有效缩短钻杆连接/拆卸时间，大大提高了打探孔的工作效率。同时钻杆夹持装置还可以与普通推进梁使用的前部扶钎装置互换，在台车打普通炮眼时不需要更换前扶钎装置，通用性较强。

1.2.4 钻臂与推进梁

重型钻臂采用全方位平行保持技术、恒压液压控制技术，配合远程先导控制系统保证了钻臂在钻孔之间的移动和定位直接、快速、准确。重型双底结构铝合金推进梁具有较高的抗弯、抗扭强度，推进梁表面覆有不锈钢滑条，运动部件采用可调式高强度塑料耐磨板，使用寿命长，维修成本低。

1.2.5 系统自动检测及故障报警

大臂上及凿岩机等关键部件各个自由度均有传感器做检测，系统实时检测、记录凿岩机的旋转、推进、冲击、回退等压力值，同时还记录钻孔各项数据。通过电脑屏可直接看到正在操作的臂是几号臂，可以在一个页面上看到所有传感器的信号。当传感器故障时，该传感器显示页面给出红色警示，快速直观地判断出故障点。

1.2.6 人员误入报警和盲区监控

全电脑三臂凿岩台车具有人员误入探测功能，采用光栅或者点激光等设备对区域进行安全监控，当有人或者物体进入时，系统进入报警状态；具有视野盲区监控：采用现有的成熟的影像模块，对视野盲区进行监控，保证操作及行车安全；设备具有故障自诊断：液压系统油温、水压力自诊断，实现系统硬件与软件故障的自动报警，指导售后人员或操作人员及时进行故障排除；具有设备倾翻报警：整机姿态实时监测，提前预警整机姿态，防止设备倾翻[9]。

2 工程应用实例分析

山西省汾阳至石楼高速公路东山隧道施工采用机械通风，光电照明。合同95 569.24万元。合同工期为30个月。

2.1 东山隧道工程情况分析

2.1.1 主要工程数量

包括：开挖土石方156.04 万m3、钢筋9 645.18 万t，工字钢及钢板10 418.69万t，各种钢管及锚杆132.71万m，混凝土31.67 万m3，防水板41.62 万m2，防火涂料23.76万m2，混凝土路面8.74 万m3。

2.1.2 工程设置情况

项目所在地吕梁市石楼县地形复杂，该项目线路K68+420～K81+620 段地貌，山川交错，沟壑纵横，海拔高度不一，属于黄土覆盖中山区，连接线跨越屈产河，该河流最大洪水流量3 380 m3/s，平均年输沙量946 万t。该项目属于新建工程，该项目紧邻国道340 和国道209，交通便利。该项目无可利用供电线路，需架设专用线路，考虑永临结合的原则。隧道全线范围内水资源匮乏，工程生产、生活用水通过打井来解决。进出口及斜井口各需打水井一口。区域无网络，无基站，不能满足生产需要，需要架设专线及基站。机制砂、碎石等地方材料在区域比较丰富，距施工现场约20 km。隧道进口紧邻设计1#弃土场，1#弃渣场设计在K70+500 右幅，占地面积23 466.8 m2，计划弃渣23.5 万m3。计划变更至K69+265 左幅沟内林地，占地10 000 m2，用于加工碎石（加工碎石及石粉需及时运出）。2#弃渣场设计在K73+000，为东山隧道斜井口弃渣场；隧道出口附近4 号弃渣场，设计在K79+200 右幅，占地面积56 667.0 m2，可弃渣56.6 万m3，计划变更至K78+700 右幅沟内为林地，距主线1 km，占地80 000.4 m2，可弃渣120 万m3。

2.1.3 项目部设置情况

管理人员采取集中办公的方式，对口管理部门设置了7 个职能部门，项目部各部室接通了无线网络，所有施工人员配备手机联络，工地现场主要人员配备了对讲机，确保整个项目部联络渠道畅通。管理人员和施工人员已进场。

2.1.4 施工场地布置情况

在隧道进口根据现场地形情况，在距隧道进口处临时征用土地，设置拌和站钢筋加工场及储料区，施工机械停放、小型材料的存放、库房等临时建设。其中拌和站一处，占地9 667 m2；钢筋加工厂一座，占地3 400 m2。在出口处临时占地，设置钢筋加工厂一座，占地1 040 m2。在隧道斜井口设置拌和站一处，距斜井口1.5 km，占地9 900 m2；设置钢筋加工场一座，占地1 060 m2。

2.1.5 施工用电情况

东山隧道共计安装变压器19 台，用于满足隧道拌和站、钢筋加工场、抽排水及生产人员生活等需要。其中：进口设置安装800 kVA 变压器2 台，630 kVA 变压器3 台，315 kVA 变压器2 台；斜井设置安装800 kVA 变压器1 台，630 kVA 变压器3 台，315 kVA 变压器3 台；出口设置安装800 kVA 变压器2 台，630 kVA 变压器2 台，315 kVA变压器1 台。现场进出口及斜井处各打井一处，安装增压泵铺设用水管道至洞口，满足施工用水需要。

2.1.6 施工组织机构组成与职责

项目部设项目经理一人，总工程师一人，下设工程技术部、成本合同部、资产材料部、质检试验部、安全环保部、财务部、综合办公室共7 个职能部门。其中，工程技术部负责编制实施性技术方案与实施性施工组织设计；负责技术交底、开工报告和专项施工方案的编制，制定和下达施工计划，检查、督促各施工队按时完成计划；负责对施工过程中的进度计划根据实际情况进行调整；负责对工程人员的技术交底。成本合同部负责编制中期支付文件并报送至监理工程师和业主；负责进行工程核算、决算。资产材料部负责所需材料的购置和保管及安排施工机械的调度与维护。质检试验部负责建立质量管理体系，参与项目策划编制项目质量策划文本，施工图纸审核，加强原材料、构配件的进场检验制度，执行三检制和首件认证报告质量投诉、问题和事故并落实整改。安全环保部负责落实公司安全环保各项规章制度，应急预案和现场处置方案，检查项目安全生产和环保工作，完善施工组织设计专项施工方案，安全环保风险管控措施。财务部负责该项目的财务管理工作，及时向项目经理提供财务计划及财务报表，在项目经理的领导下做好工程款的支付和流动资金的管理工作。综合办公室负责对外协调、处理与当地政府、村镇百姓的关系，创造一个良好的周边环境，以利于工程施工；负责项目部日常生活、生产后勤工作。

2.1.7 工期及施工进度安排

隧道受征地影响，计划从隧道进口端开始施工管棚，在具备条件时施工出口端管棚，保证顺利进洞。根据施工工序划分以下6 个阶段进行施工进度控制。

（1）第一阶段：2021年7月25日至2021年10月25日，施工准备阶段，主要完成征地，施工便道，供水、供电，生产区用房，交接桩点，线路复测，复核设计资料，原材料的试验检测和混凝土配合比的试验，组织机械设备、人员、材料进场，解决通信等工作。

（2）第二阶段：2021年10月25日至2021年12月25日，完成进口洞口边仰坡开挖、防护、洞顶截水天沟以及长管棚的施工，为隧道进洞掘进创造条件。

（3）第三阶段：2022年3月25日至2023年12月25日，完成主洞开挖与支护，包括仰拱和二次衬砌混凝土浇筑。

（4）第四阶段：2023年10月1日至2023年12月31日，完成隧道边沟和电缆沟施工。

（5）第五阶段：2024年1月1日至2024年3月31日，完成隧道路面、洞内的收尾工程。

（6）第六阶段：2024年4月8日至2024年5月1日，隧道收尾移交阶段，主要完成隧道进出口的场地清理、整修，竣工资料整理编制及验交等工作。

2.2 东山隧道施工方案分析

2.2.1 传统钻爆法、明挖法、盖挖法

明洞采用明挖法施工；Ⅴ级围岩采用微台阶法、Ⅳ级围岩采用正台阶法、Ⅲ级围岩采用光面爆破全断面开挖法施工。其中：隧道进口K69+262～K69+390 及ZK69+270～ZK69+390 段左右线中间岩厚度小于15 m，采用小净距隧道施工方案；ZK69+420～ZK69+515 段采用盖挖法施工；隧道出口段K76+350～K77+040 和ZK76+336～ZK76+975 围岩主要为Q2 粉质黏土，采用土质隧道施工方案。在开挖方法上，进口采用三臂凿岩台车掘进机法与钻爆法相结合的施工方法，进口右洞及出口采用传统钻爆法。

2.2.2 三臂凿岩台车掘进

（1）机械参数分析。瑞典进口的安百拓牌XL3D 型三臂凿岩台车整机总体功能集成，结构紧凑，其最大覆盖面积为178.0 m2，最大钻孔高度为12.4～13.1 m（视机型而定），钻孔直径φ43～φ102 mm。主要用于山岭隧道钻爆法全断面或微台阶法钻孔开挖，驾驶室最低高度为3.75 m，驾驶室最高高度为5.0 m，最大行驶速度为17.5 km/h，爬坡角度为15°，可满足多种使用需求。

（2）掘进顺序分析。施工时，张开支腿方可进行凿岩作业、升降平台作业。先把升降平台降下来倒回滑动工作台，缩回臂架，将导杆摆成水平，凿岩机保持在始动位置，缩回支腿再行走，凿岩台车就位后，检查供电线缆和高压水管，操作手在确认水、电到位后启动台车电气系统，利用液压系统把台车整体调整呈水平状态。由测量放置的标高线参照标记处底眼孔位。凿岩钻孔顺序为：底眼→抬炮→周边眼→辅助眼→拱部辅助眼→掏槽眼→中心辅助眼。

3 结束语

为加快施工进度，确保施工安全和工程质量，隧道施工实施机械化、专业化作业，采用三臂凿岩台车、悬臂式掘进机、YT-28 风钻、湿式喷射机、混凝土拌和站、混凝土输送泵、二次衬砌台车等关键设备施工，改善施工环境，确保工程质量和施工安全。组织实施开挖、喷锚、二次衬砌等多条机械化作业线，强化优化机械配套，实现主要工序机械化作业，并力争一机多用，充分发挥机械效率。