全液壓鑿巖臺架模塊化設計方案的探討

李硯耕，王國文，張國綱，田巍

（1.重慶格德瑞重工智能裝備研究院，重慶402460；2.金川集團有限公司物流公司，甘肅 金昌737100）

隧道掘進施工中爆破孔的鉆鑿是鉆爆法施工中的第一道工序。上世紀九十年代之前多使用各種類型的氣動鑿巖機來完成。上世紀末至本世紀以來，隨著裝備制造業的發展，以全液壓掘進鉆車為代表的高效鑿巖設備逐漸占據了隧道掘進中鑿孔作業的主導地位。但是，全液壓掘進鉆車必須要有完備的行走道路條件、足夠的電力供應、甚至是水源配備等必備施工條件。這對于一些隧道掘進工程，尤其是初始工程階段的隧道施工，使用全液壓掘進鉆車存在一定的困難。全液壓鑿巖臺架的作業面能覆蓋整個隧道截面，鑿巖效率比氣動鑿巖設備高。臺架具備一定的自動化程度，可降低操作者勞動強度；不存在氣動鑿巖機的排氣噪聲；同時液壓鑿巖機鑿巖過程中可采用高壓水除塵，可避免粉塵污染問題；鑿巖臺架上設置了防護棚，可對操作者進行保護，作業安全性高。因具有上述多種優點，臺架能在某些隧道施工中起到很好的施工效果。

1 鑿巖臺架鑿孔作業的形成及提出全液壓鑿巖臺架方案的技術背景

上世紀八十年代之前,鉆爆式隧道掘進一般采用人工操作氣腿式鑿巖機，在隧道斷面上鉆出多個爆破孔, 然后將巖石進行爆破的作業方法。雖然氣動鑿巖機屬于性能強勁的動力工具，但隧道面上需要鉆鑿多排孔，鑿完這些炮孔需要很長時間，導致掘進速度嚴重制約了工程進度。為此奮戰在隧道施工一線的建設者們，發明出了一種能明顯提高作業效率的方法，這就是搭建鑿巖臺架，多名操作工同時使用多臺鑿巖機進行鑿孔作業的方法。

使用臺架進行鑿孔作業，是1982年由鐵道部隧道局在廣東大瑤山雷公尖隧道施工中首創的（見圖1）。使用的鑿巖臺架，能站30 名操作者，同時進行鑿巖作業（見圖2），從而大幅提升了鑿孔效率。這種方法逐漸得到推廣，在之后的隧道施工中為施工效率的提高做出了重要貢獻。鑿巖臺架雖然很好地解決了施工效率的問題，但限于當時的設備條件，在臺架上使用的是氣動鑿巖機。隨著時代的發展和技術的進步，以及對施工效率、勞動保護要求的逐步提高，臺架鑿巖作業法需要解決以下方面的問題：一是開挖大斷面隧道多使用鑿巖臺架，工人站在鑿巖臺架上操控鑿巖機人工鉆孔，需要的操作工較多。二是由于鑿巖過程中產生大量的粉塵，作業環境污染大，容易造成工人塵肺等職業病。三是人工操作機器（需要操作者用手扶持具有強振動、高噪聲的鑿巖機，并施加一定的助推力）鑿巖勞動強度大，氣動鑿巖機作業效率比目前已廣泛使用的液壓鑿巖機低。四是難以構建應有的安全保護，操作者面臨隧道頂部落石傷害危險等問題。

圖1 廣東大瑤山雷公尖隧道工程中使用的鑿巖臺架

圖2 鑿巖臺架示意圖

隨著隧道施工技術的不斷進步，對鑿孔作業中的鑿巖進度、施工人員勞動保護的要求越來越高，傳統的臺架作業已不能滿足現代施工作業的需要。我國隧道工程專家、中國工程院院士王夢恕，跟長期從事鑿巖設備研發工作的鑿巖機械方面的專家、中國地質大學（武漢）教授李硯耕提出了設計新型全液壓鑿巖臺架的設想。為此，李硯耕教授組成了技術研發團隊，對王院士的設想進行了專題技術攻關，形成了具體的設計方案，并將取得的研究成果申請了發明專利[1]。

2 全液壓鑿巖臺架的模塊化設計方案

李硯耕教授技術研發團隊，在進行大量調研的基礎上，結合我國企業鑿巖設備生產情況，研發了具有我國行業特點的全液壓鑿巖臺架模塊化設計方案。該模塊化全液壓鑿巖系統，主要由鑿巖臺架、動力總成、鉆臂總成、推進器總成、防護棚總成等幾部分組成。其工作原理是：鑿巖臺架由三層工作平臺構成，每層的工作平臺上設置有鑿巖裝置。鑿巖裝置由鑿巖鉆臂，安裝在鉆臂上的推進器（含液壓鑿巖機）構成，為保護操作人員人身安全以及鑿巖裝置的安全，每層平臺上安裝有防護棚。各層工作平臺之間通過支架連接，第一層工作臺和第二層工作臺支架的中部設置有門形通道。在較大端面隧道施工時，為解決門形通道位置的炮孔鉆鑿問題，還會配備一臺鑿巖鉆車。動力總成一般設置在第三層工作平臺上，為安裝在各層上的鑿巖裝置提供動力。操作人員可獨立對設置在各層上的鑿巖裝置進行鑿巖操作。具體方案如下：

方案一:

圖3所示為該方案鑿巖作業示意圖。在三層工作平臺上的鉆架上設置五套鑿巖裝置，具體配置見圖4、圖5、圖6。其中動力總成配備重慶格德瑞生產的部件CTJY12.1-01 型動力總成，鑿巖裝置配備BH1-00 型鉆臂總成和AT1532 型推進器總成，鑿巖機配用DZYG38B 型液壓鑿巖機，防護棚選用CT10D18-00 防護棚總成。

方案二：如圖7所示，在三層工作平臺上的鉆架上設置五套鑿巖裝置，具體配置見圖8、圖9、圖10。其動力總成是重慶格德瑞的CTJY12.1-01型動力總成，鑿巖裝置由BH1-00 型鉆臂總成和AT1532 型推進器總成構成，鑿巖機選用DZYG38B 型液壓鑿巖機，防護棚選用CT10D18-00防護棚總成。導洞鉆車配備CTJY12.1 型單臂小型全液壓鑿巖鉆車。

圖3 施工隧道斷面上五套鑿巖裝置鑿巖示意圖

圖4 五套鑿巖裝置方案立體圖一

圖5 五套鑿巖裝置方案立體圖二

圖6 五套鑿巖裝置方案立體圖三

方案二通過在鑿巖臺架上設置多臺鑿巖裝置，并通過在門形通道內設置鑿巖鉆車，跟方案一相比，作業面能更好地覆蓋整個隧道截面，且鑿巖鉆車機動靈活，可方便快捷地進入和退出門形通道，便于其它工程車輛進入門形通道轉移巖塊、巖粉等。

圖7 隧道斷面上五套鑿巖裝置+導洞鉆車方案鑿巖示意圖

圖8 五套鑿巖裝置+導洞鉆車方案立體圖一

圖9 五套鑿巖裝置+導洞鉆車方案立體圖二

圖10 五套鑿巖裝置+導洞鉆車方案立體圖三

3 模塊化全液壓鑿巖系統的優勢

（1）采用全液壓鑿巖機和液壓鉆車鑿巖，同規格鑿巖機，液壓鑿巖機效率比氣動鑿巖機高一倍以上。而且該系統配用的是導軌式液壓鑿巖機，通過推進器施加鑿巖推進力，鑿巖效率遠超人工助力的氣腿式鑿巖機。

（2）通過液壓閥操控鑿巖作業，操作者無須接觸鑿巖機，更無須人工輔助施加推力，操作者勞動強度低、勞動安全性好。

（3）以液壓為動力進行鑿巖作業，不存在氣動鑿巖機的排氣噪聲；同時液壓鑿巖機鑿巖過程中采用高壓水排渣除塵，避免了鑿巖過程中的粉塵污染問題，減少了粉塵對操作者的健康損害。

（4）鑿巖臺架上設置了防護棚，可對操作者以及鑿巖設備進行保護，提高了作業安全性。

（5）鑿巖臺架、鑿巖鉆臂、鑿巖機、防護棚和鑿巖鉆車均是單獨的模塊，各模塊之間組裝方便，能更靈活便捷地適應各個隧道斷面作業。