軟巖擠壓型大變形隧道錨桿施工特性及工藝優(yōu)化

郭新新，楊鐵輪，馬振旺，王志偉, 3，汪波

軟巖擠壓型大變形隧道錨桿施工特性及工藝優(yōu)化

郭新新1，楊鐵輪2，馬振旺1，王志偉1, 3，汪波1

(1. 西南交通大學(xué) 交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031；2. 甘肅長達(dá)路業(yè)有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730030；3. 上海市政工程設(shè)計研究總院(集團(tuán))有限公司 貴陽分公司，貴州 貴陽 550000)

以渭武高速木寨嶺隧道大變形段為工程依托，基于對巖石可鉆性與鉆機(jī)性能間關(guān)系的分析，選擇5種不同類型的錨桿施工機(jī)具，進(jìn)行現(xiàn)場鉆孔試驗(yàn)。研究結(jié)果表明：低強(qiáng)度炭質(zhì)板巖擠壓型大變形隧道，旋轉(zhuǎn)式鉆機(jī)應(yīng)優(yōu)選額定鉆速較高的液壓型鉆機(jī)，沖擊-旋轉(zhuǎn)式鉆機(jī)應(yīng)優(yōu)選沖擊頻率較高的鉆機(jī)；鉆孔深度以5 m左右為界，超過此深度，鉆孔易出現(xiàn)塌孔、卡鉆及鉆機(jī)鉆進(jìn)效率低下等問題，建議5 m以上長錨桿采用自進(jìn)式；對于5 m內(nèi)短錨桿的施工，MYT-125/330液壓錨桿鉆機(jī)施工拱頂部位錨桿的有效鉆速(除去鉆桿加長耗時)約0.8 m/min，YT28鉆機(jī)施工邊墻部位錨桿的有效鉆速(除去鉆桿加長耗時)約0.4 m/min，施工效果均較為理想；對于10 m長錨桿，采用“大功率臺車式鉆機(jī)+自進(jìn)式錨桿”，施工功效可達(dá)10 m/30 min。

隧道工程；軟巖大變形；錨桿施工；錨桿鉆機(jī)；功效分析

高地應(yīng)力引起的軟巖隧道擠壓型大變形課題，已成為了現(xiàn)今及后續(xù)一段時期內(nèi)建設(shè)者們必須克服的工程難題[1?3]?？v觀軟巖擠壓型大變形隧道的建設(shè)歷史，錨桿，尤指長錨桿，均被用作為核心的支護(hù)措施之一。國內(nèi)著名軟巖擠壓型大變形隧道，包括家竹箐隧道[4]、躍龍門隧道[5]、木寨嶺鐵路隧道[6]等，均在大變形地段采用了8 m及以上的長錨桿，并輔以其他支護(hù)強(qiáng)化措施；國外著名軟巖擠壓型大變形隧道，如日本惠那山2號公路隧道[7]、瑞士圣歌達(dá)鐵路隧道[8]和奧地利阿爾貝格公路隧道[9]等，也主要以采用“長錨桿+可縮剛架”作為主要的支護(hù)措施。錨桿作為初期支護(hù)體系中唯一可實(shí)現(xiàn)主動支護(hù)效應(yīng)的支護(hù)措施，其可顯著改善錨固區(qū)(峰后)圍巖力學(xué)性能與應(yīng)力狀態(tài)，故在大變形支護(hù)過程中的重要性是不言而喻的?，F(xiàn)今各種擠壓型大變形隧道支護(hù)理念(強(qiáng)支硬頂、雙層支護(hù)和可讓式支護(hù)等)，均強(qiáng)調(diào)支護(hù)措施的及時性[10?11]。對于擠壓型大變形隧道中的錨桿支護(hù)而言，影響支護(hù)及時性的首要因素當(dāng)為鉆孔時效性。受圍巖巖性軟、巖體破碎、鉆孔孔縮等不利因素影響，極易出現(xiàn)卡鉆、掉鉆及鉆孔效率低下等問題[12]，極大地影響了錨桿，尤其是長錨桿，在大變形隧道中的成功應(yīng)用。目前隧道工程中，常用的錨桿鉆機(jī)設(shè)備按破巖方式分，主要有2種：旋轉(zhuǎn)式和沖擊?旋轉(zhuǎn)式。對于旋轉(zhuǎn)式鉆機(jī)影響鉆進(jìn)速度的主要控制參數(shù)為扭矩、轉(zhuǎn)速、推進(jìn)力等[13]，同時，液壓旋轉(zhuǎn)鉆機(jī)的性能一般要優(yōu)于氣動旋轉(zhuǎn)鉆機(jī)。對于沖擊?旋轉(zhuǎn)式鉆機(jī)，其主要控制參數(shù)為沖擊功率，以氣動式鑿巖機(jī)應(yīng)用最為廣泛[14]。實(shí)際隧道工程中，對于采用何種錨桿鉆機(jī)，一般均優(yōu)先選用大功率機(jī)型，如鉆車式錨桿鉆機(jī)，亦或僅根據(jù)普式系數(shù)選擇鉆機(jī)，忽略了具體工程的圍巖條件，也缺乏對各控制參數(shù)適用性的評價與優(yōu)選[4]。為此，以渭武高速木寨嶺隧道為工程背景，結(jié)合對巖石的可鉆性分析，選擇適宜的錨桿施工機(jī)具，進(jìn)行現(xiàn)場鉆孔試驗(yàn)，通過對不同鉆機(jī)的成孔效率及錨桿施工工藝開展系統(tǒng)研究，提出擠壓型軟巖大變形隧道錨桿適宜施工機(jī)具及工藝，以期為實(shí)現(xiàn)錨桿的主動及時支護(hù)提供實(shí)際應(yīng)用支撐。

1 工程概況

渭武高速木寨嶺隧道穿越漳河與洮河的分水嶺木寨嶺，橫跨漳縣、岷縣兩縣。隧道采用分離式設(shè)計，其中左線進(jìn)口里程ZK210+635，出口里程ZK225+856，全長15 231 m；右線進(jìn)口里程K210+ 635，出口里程K225+798，全長15 173 m；洞身最大埋深約 629.1 m。隧址區(qū)板巖及炭質(zhì)板巖段合計長8 850 m，占全隧46.5%以上，發(fā)生大變形地段為炭質(zhì)板巖、板巖以及斷層巖(圖1)。隧區(qū)內(nèi)以水平構(gòu)造應(yīng)力為最大主應(yīng)力，方向N34°E，水壓致裂法實(shí)測最大水平主應(yīng)力達(dá)24.95 MPa。

圖1 木寨嶺公路隧道地質(zhì)縱斷面圖(右線)

原初期支護(hù)體系采用現(xiàn)今在擠壓型大變形隧道處治中被廣泛應(yīng)用的“及時強(qiáng)支護(hù)”體系。如2號斜井里程XK1+525～XK1+564(埋深568～597 m，薄層狀炭質(zhì)板巖)設(shè)計變更(加強(qiáng))后的初期支護(hù)體系為Φ42超前注漿小導(dǎo)管L-330 cm@40 cm；Φ42徑向全環(huán)注漿小導(dǎo)管 L-400 cm @100*60cm；?8鋼筋網(wǎng)@25*25cm(雙層)；HW200b 型鋼鋼架@60 cm(含仰拱)；C25早強(qiáng)混凝土厚30 cm。然實(shí)測的累計下沉量仍高達(dá)240～565 mm，累計收斂值637～3 145 mm；最大變形收斂速率831 mm/d，初支混凝土開裂破壞嚴(yán)重，鋼架扭曲初支變形侵限拆換段約39 m長，如圖2所示。有鑒于此，提出采用以(長)錨桿為核心的及時主動支護(hù)理念(預(yù)應(yīng)力)，以更好地保持圍巖的完整性，減小巖體強(qiáng)度的降低，構(gòu)建以“錨桿?圍巖”為主的支護(hù)體系，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)隧道斷面位移的成功控制。

圖2 K1+525~K1+564左邊墻~左拱腰初期支護(hù)變形

2 鉆孔特性分析

2.1 巖石特性

木寨嶺公路隧道區(qū)域內(nèi)，除石炭系砂巖及灰?guī)r為硬質(zhì)巖外，二疊系炭質(zhì)板巖、砂巖均為較硬巖，單軸飽和抗壓強(qiáng)度很難達(dá)到 30 MPa 以上；古近系砂礫巖、泥巖均為軟巖。鑒于木寨嶺公路隧道大變形段圍巖以炭質(zhì)板巖為主，如圖3所示，故后續(xù)分析以其為對象進(jìn)行。

木寨嶺公路隧道炭質(zhì)板巖巖性致密，結(jié)構(gòu)細(xì)。單軸飽和抗壓強(qiáng)度15~30 MPa，力學(xué)特性上表現(xiàn)為微膨脹性，遇水易軟化，隧道開挖臨空后，圍巖易發(fā)生塑性變形而擠入?？傮w上，該炭質(zhì)板巖在巖性上表現(xiàn)為強(qiáng)度低、塑性高、組成顆粒細(xì)膩、微膨脹性和遇水易軟化等特性，結(jié)合高地應(yīng)力、巖體破碎及水鉆(鉆孔)工藝等不利因素影響，預(yù)計鉆孔過程中將不可避免且極易出現(xiàn)鉆進(jìn)慢、塌孔、孔徑縮小和卡鉆等現(xiàn)象。

圖3 典型炭質(zhì)板巖(薄層狀)

2.2 鉆機(jī)動力參數(shù)與鉆進(jìn)速度

常用錨桿鉆機(jī)破巖方式有2種：旋轉(zhuǎn)式和沖擊?旋轉(zhuǎn)式。

對于旋轉(zhuǎn)式鉆機(jī)，影響鉆進(jìn)速度的主要因素為轉(zhuǎn)速，推進(jìn)力和回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩。

鉆機(jī)的適宜轉(zhuǎn)速與巖石的普氏系數(shù)有關(guān)[15]：

式中：為切削速度常數(shù)，6 000~10 300 mm.r/min；為鉆頭直徑，mm；為巖石普氏硬度系數(shù)。根據(jù)2.1節(jié)，取=10 300 mm?r/min(軟巖)，=5，=32 mm，計算得到最優(yōu)額定轉(zhuǎn)速=364 r/min。

鉆機(jī)的適宜推力，其與侵入巖石深度存在下述關(guān)系[16]：

式中：為侵入系數(shù)，t/mm；為常數(shù)，0.5~2，軟巖取1。而鉆(進(jìn))速(度)與侵入巖石深度和轉(zhuǎn)速間則存在如下關(guān)系：

現(xiàn)設(shè)定目標(biāo)鉆速=1 m/min=0.016 7 m/s，根據(jù)文獻(xiàn)[16]，=5，取=5 500 N/mm2，計算得= 7.55 kN。

鉆機(jī)的適宜轉(zhuǎn)矩[17]，一般指鉆進(jìn)過程中鉆頭受到的阻力轉(zhuǎn)矩計算公式如下：

上述分析可看出，木寨嶺公路隧道特點(diǎn)地質(zhì)條件下，選定鉆孔直徑=32 mm，旋轉(zhuǎn)式鉆機(jī)適宜參數(shù)指標(biāo)為：轉(zhuǎn)速=364 r/min；推力=7.55 kN；轉(zhuǎn)矩=57.92 N?m。

對沖擊?旋轉(zhuǎn)式，影響鉆進(jìn)速度的因素，主要是沖擊功率(沖擊能和沖擊頻率。文獻(xiàn)[18]給出了鐵路隧道一般巖石、釬頭直徑 40 mm 時的鉆速計算公式：

式中：k為釬頭直徑修正系數(shù)，40 mm，k=1；38 mm，k=1.324；42 mm，k=0.907。k為壓氣壓力對鑿碎比功影響的修正系數(shù)，當(dāng)壓氣壓力為 0.63 MPa，k=1。但實(shí)際工程中，對于沖擊?旋轉(zhuǎn)式鉆機(jī)鉆進(jìn)，存在最優(yōu)沖擊頻率與沖擊能。主要基于下述2點(diǎn)：一為如功率過高，巖渣無法及時排出，堆積于底部，吸收沖擊能量；二為如沖擊頻率過高，破巖過程不充分。

3 現(xiàn)場鉆孔試驗(yàn)

隧道錨桿施工，目前仍舊以獨(dú)立式鉆機(jī)為主，其一為單體式鉆機(jī)，二為鉆車式鉆機(jī)。為此，結(jié)合對木寨嶺隧道圍巖地質(zhì)、施工特點(diǎn)(三臺階)及鉆機(jī)動力參數(shù)與鉆速間關(guān)系的分析，共計選擇5種鉆孔機(jī)具。旋轉(zhuǎn)式單體鉆機(jī)選擇礦山隧道應(yīng)用最廣的MQT-130/3.2氣動錨桿鉆機(jī)和MYT-125/330液壓錨桿鉆機(jī)；沖擊?旋轉(zhuǎn)式單體鉆機(jī)選擇YG80導(dǎo)軌式鑿巖機(jī)(大功率)和YT28型氣腿式鑿巖機(jī)(公路隧道應(yīng)用最廣)；鉆車式鉆機(jī)選擇四川鉆神ZLS-120。

3.1 旋轉(zhuǎn)式單體鉆機(jī)

采用旋轉(zhuǎn)式鉆機(jī)打設(shè)φ32 mm鉆孔，根據(jù)第2.2節(jié)計算，鉆孔直徑=32 mm時，旋轉(zhuǎn)式鉆機(jī)適宜參數(shù)指標(biāo)為：轉(zhuǎn)速=364 r/min；推力=7.55 kN；轉(zhuǎn)矩=57.92 N?m。表1~2分別為MQT-130/3.2氣動錨桿鉆機(jī)和MYT-125/330液壓錨桿鉆機(jī)的關(guān)鍵參數(shù)，可看出，二者的關(guān)鍵參數(shù)除鉆速較低外均能符合計算參數(shù)值。

表1 MQT-130/3.2氣動錨桿鉆機(jī)關(guān)鍵參數(shù)

注：適用于≤10的各種煤巷、半煤巖巷、巖巷的錨護(hù)作業(yè)。

表2 MYT-125/330液壓錨桿鉆機(jī)參數(shù)

注：適用于≤8的各種煤巷、半煤巖巷、巖巷的錨護(hù)作業(yè)。

MQT-130/3.2氣動錨桿鉆機(jī)現(xiàn)場鉆孔試驗(yàn)共開展2次。試驗(yàn)例1，木寨嶺隧道2號斜井里程K1+ 710，炭質(zhì)板巖，拱頂沉降382 mm，于右邊墻部位，鉆φ32 mm孔，0~3 m耗時約8 min，3~4 m出現(xiàn)嚴(yán)重卡鉆，無法繼續(xù)；試驗(yàn)例2，同一位置，鉆進(jìn)4 m，鉆桿折斷。

MYT-125/330液壓錨桿鉆機(jī)現(xiàn)場鉆孔試驗(yàn)共開展2次。試驗(yàn)例1，木寨嶺隧道2號斜井里程K1+ 717，炭質(zhì)板巖，巖體破碎，拱頂沉降376 mm，于拱頂部位，鉆5 m深φ32 mm孔，共計10個，每孔耗時8~10 min，有效鉆速(除去鉆桿加長耗時)約0.8 m/min；試驗(yàn)例2，木寨嶺隧道2號斜井里程K1+720，炭質(zhì)板巖，巖體破碎，拱頂沉降368 mm，于拱頂部位，鉆10 m深φ32 mm孔，共計1個，耗時約 1 h。

總體而言，MYT-125/330液壓鉆機(jī)施鉆效率明顯要高，究其原因應(yīng)為關(guān)鍵參數(shù)?轉(zhuǎn)速(330 r/min，260 r/min)的差異，結(jié)合巖性分析，表明軟巖隧道(<5)優(yōu)選額定轉(zhuǎn)速高的旋轉(zhuǎn)式鉆機(jī)。對于長錨孔的施工，MQT-130/3.2不具備適用性；MYT-125/330的效率不高，同時其只可施工拱頂部位(基本不存在返渣問題)的錨桿，適用性亦不高。

3.2 沖擊?旋轉(zhuǎn)式單體鉆機(jī)

沖擊旋轉(zhuǎn)式鉆機(jī)的關(guān)鍵鉆進(jìn)參數(shù)主要為沖擊能和沖擊頻率，表3~4分別給出了YG80導(dǎo)軌式鑿巖機(jī)和YT28氣腿式鑿巖機(jī)的關(guān)鍵性能參數(shù)。

表3 YG80鑿巖機(jī)參數(shù)

注：適用于中硬或堅硬(=8~18)巖石的多方位巖孔。

表4 YT28鑿巖機(jī)參數(shù)

注：適用于中硬或堅硬(=8～18)巖石上鉆鑿水平或傾斜方向炮孔或錨桿孔。

YG80鑿巖機(jī)現(xiàn)場鉆孔試驗(yàn)共開展1次。木寨嶺隧道2號斜井里程K1+725，炭質(zhì)板巖，巖體破碎，拱頂沉降348 mm，于左邊墻部位，鉆7.5 m深(極限深度)φ50 mm孔，共計1個，耗時1 h。鉆孔過程顯示，巖層大多表現(xiàn)為軟弱堅硬夾層互層，鉆進(jìn)過程中需放緩鉆速，出現(xiàn)卡鉆趨勢時，應(yīng)停止鉆進(jìn)，反復(fù)掏孔空鉆，清除碎渣，而后方可繼續(xù)鉆進(jìn)，孔深度超5~6 m時，卡鉆趨勢愈發(fā)明顯。

YT28鑿巖機(jī)現(xiàn)場鉆孔試驗(yàn)共開展2次。試驗(yàn)例1，木寨嶺隧道2號斜井里程K1+728，炭質(zhì)板巖，巖體破碎，拱頂沉降344 mm，于右邊墻部位，鉆4.5~5 m深φ42 mm孔，共計3個，每孔平均耗時約15~20 min，有效鉆速(除去鉆桿加長耗時)約0.4 m/min；試驗(yàn)例2，木寨嶺隧道2號斜井里程K1+730，炭質(zhì)板巖，巖體破碎，拱頂沉降346 mm，于右邊墻部位，鉆10 m深φ42 mm孔，共計4個，耗時分別為1，1.5，1.4和2 h，其中3個鉆孔無法成功塞入錨桿。表5給出了1 h耗時的具體功效。表5所示，0~3 m耗時8 min，3~6 m耗時16 min，6~10 m耗時36 min，表明隨鉆進(jìn)深度增加每延米的成孔耗時逐漸增大。

表5 10 m鉆孔功效表

總體而言，YT28鉆效率明顯要高，究其原因主要為沖擊頻率和沖擊能的差異，結(jié)合巖性分析，表明軟巖隧道(<5)中較高的沖擊頻率可提升鉆孔效率，但沖擊能不宜提升過多，以免不利于鉆渣排出。對于10長錨孔的施工，YG80鉆不具備適用性；YT28鉆的效率亦不高，超1 h，同時邊墻處的成孔率(該處特指可順利塞入錨桿)低。

3.3 四川鉆神ZLS-120

對于5 m左右的鉆孔，液壓錨桿鉆機(jī)和YT28鑿巖機(jī)均有很好的施鉆效率，可滿足現(xiàn)場施工需求，但對10 m左右的長錨桿，耗時普遍較長，同時鉆孔成功率低，為此選用大功率的機(jī)載式四川鉆神ZLS-120(選擇式)配以自進(jìn)式工藝，鉆機(jī)關(guān)鍵參數(shù)如表6所示。

木寨嶺隧道2號斜井里程K1+735，炭質(zhì)板巖，巖體破碎，拱頂沉降341 mm，于右邊墻部位，采用自進(jìn)式工藝，施打φ32，10 m長錨桿2根，耗時分別為28 min和27 min。具體功效如表7所示。圖4為鉆孔處圍巖巖性，圖5為所用錨桿與鉆頭。

表6 鉆神ZSL-120關(guān)鍵參數(shù)

表7 “鉆神+自進(jìn)式錨桿”功效表

圖4 K1+735左側(cè)邊墻圍巖

鉆進(jìn)試驗(yàn)表明，大功率液壓旋轉(zhuǎn)式鉆車配以自進(jìn)式施工工藝，可較好地實(shí)現(xiàn)長錨桿的快速施工，且施工功效明顯優(yōu)于單體鉆機(jī)，同時鉆進(jìn)過程平穩(wěn)，穩(wěn)定性佳。故此，建議長錨桿應(yīng)選用自進(jìn)式，鉆機(jī)選擇大功率的錨桿鉆車。

圖5 自進(jìn)式錨桿

4 結(jié)論

1) 軟巖擠壓型大變形隧道，旋轉(zhuǎn)式鉆機(jī)的控制性參數(shù)指標(biāo)為轉(zhuǎn)速，應(yīng)優(yōu)選額定鉆速較高的液壓型鉆機(jī)；沖擊?旋轉(zhuǎn)式鉆機(jī)的控制性指標(biāo)為沖擊頻率，應(yīng)優(yōu)選沖擊頻率高的鉆機(jī)，且沖擊能不宜過大。

2) 木寨嶺特定地質(zhì)條件(炭質(zhì)板巖、<5)，基于各類鉆機(jī)施鉆成孔過程分析，超5 m深度時，鉆孔易出現(xiàn)塌孔、卡鉆及鉆機(jī)鉆進(jìn)效率低下等問題，建議5 m以上長錨桿優(yōu)選自進(jìn)式。

3) 5 m內(nèi)短錨桿的施工，MYT-125/330液壓錨桿鉆機(jī)施工拱頂部位錨桿的有效鉆速(除去鉆桿加長耗時)約0.8 m/min，YT28鉆施工邊墻部位錨桿的有效鉆速(除去鉆桿加長耗時)約0.4 m/min；10 m長錨桿施工，可采用大功率臺車式鉆機(jī)+自進(jìn)式錨桿，施工功效30 min/根以內(nèi)。

[1] 汪波, 郭新新, 何川, 等. 當(dāng)前我國高地應(yīng)力隧道支護(hù)技術(shù)特點(diǎn)及發(fā)展趨勢淺析[J]. 現(xiàn)代隧道技術(shù), 2018, 55(5): 1?10. WANG Bo, GUO Xinxin, HE Chuan, et al. Analysis on the characteristics and development trends of the support technology of high ground stress tunnels in China[J]. Modern Tunnelling Technology, 2018, 55(5): 1?10.

[2] 《中國公路學(xué)報》編輯部. 中國隧道工程學(xué)術(shù)研究綜述: 2015[J]. 中國公路學(xué)報, 2015, 28(5): 1?65. Editorial Department of China Journal of Highway and Transport. Review on China’s tunnel engineering research: 2015[J]. China Journal of Highway and Transport, 2015, 28(5): 1?65.

[3] 王小林, 黃彥波. 中外高地應(yīng)力軟巖隧道大變形工程技術(shù)措施對比分析——以蘭渝鐵路木寨嶺隧道與瑞士圣哥達(dá)基線隧道為例[J]. 隧道建設(shè)(中英文), 2018, 38(10): 1621?1629. WANG Xiaolin, HUANG Yanbo. Comparison of large deformation control technologies for soft rock tunnel with high ground stress between china and foreign countries: A case study of Muzhailing tunnel on Lanzhou-Chongqing Railway in China and Saint Gotthard Base Tunnel in Switzerland[J]. Tunnel Construction, 2018, 38(10): 1621?1629.

[4] 白繼承, 管健. 超長錨桿在控制家竹箐隧道大變形中的應(yīng)用[J]. 世界隧道, 1998(1): 57?59, 64. BAI Jicheng, GUAN Jian. Application of long bolts to control serious deformation of surrounding rock in Jiazuqing Tunnel[J].World Tunnel, 1998(1): 57?59, 64.

[5] 肖廣智. 鐵路隧道施工主動控制變形技術(shù)研究與實(shí)踐[J]. 隧道建設(shè)(中英文), 2018, 38(7): 1087?1094. XIAO Guangzhi. Study and application of active control deformation technology to railway tunnel construction[J]. Tunnel Construction, 2018, 38(7): 1087?1094.

[6] 李沿宗, 尤顯明, 趙爽. 極高地應(yīng)力軟巖隧道貫通段變形控制方案研究——以蘭渝鐵路木寨嶺隧道為例[J].隧道建設(shè), 2017, 37(9): 1146?1152. LI Yanzong, YOU Xianming, ZHAO Shuang. Study of deformation control scheme of breakthrough section of soft rock Muzhailing Tunnel on Lanzhou-Chongqing Railway with extremely high ground stress[J]. Tunnel Construction, 2017, 37(9): 1146.

[7] Kimuraf, Okabayashin, Kawamotot. Tunneling through squeezing rock in two large fault zones of the Enasan tunnel I[J]. Rock Mechanics and Rock Engineering,1987, 20(3): 151?166.

[8] Gollegger J, Priller A, Rausch M. The use of open tunnel boring machines in squeezing rock in the Gotthard Base Tunnel[J]. Geomechanics and Tunnelling, 2009, 2(5): 591?600.

[9] Jaegerj C. Brittle fracture of rocks[C]// Proceeding of the Eighth Symposium on Rock Mechanics. Baltimore: Port City Press,1967: 28?30.

[10] 孫鈞, 潘曉明. 隧道軟弱圍巖擠壓大變形非線性流變力學(xué)特性研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報, 2012, 31(10): 1957?1968. SUN Jun, PAN Xiaoming. Research on large squeezing deformation and its nonlinear rheological mechanical characteristics of tunnel with weak surrounding rocks[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2012, 31(10): 1957?1968.

[11] 康紅普, 林健, 吳擁政. 全斷面高預(yù)應(yīng)力強(qiáng)力錨索支護(hù)技術(shù)及其在動壓巷道中的應(yīng)用[J]. 煤炭學(xué)報, 2009, 34(9): 1153?1159. KANG Hongpu, LIN Jian, WU Yongzheng. High pretensioned stress and in tensive cable bolting technology set in full section and application in entry af fected by dynamic pressure[J]. Journal of China Coal Society, 2009, 34(9): 1153?1159.

[12] 程偉. 基于圍巖感知的錨鉆裝備推進(jìn)回轉(zhuǎn)協(xié)同自適應(yīng)控制研究[D]. 徐州: 中國礦業(yè)大學(xué), 2018. CHEN Wei. Cooperatively adaptive control strategy of the propulsion and rotation in the anchor-hole drills considering the surrounding rocks[D]. Xuzhou: China University of Mining and Technology, 2018.

[13] 付孟雄, 劉少偉, 賈后省. 錨桿機(jī)動力參數(shù)對煤巷頂板錨固孔鉆進(jìn)特征影響研究[J]. 采礦與安全工程學(xué)報, 2018, 35(3): 517?524. FU Mengxiong, LIU Shaowei, JIA Housheng. Study on effects of dynamic parameters of bolter on roof bolt hole drilling characteristics[J]. Journal of Mining & Safety Engineering, 2018, 35(3): 517?524.

[14] 鄭朝保, 張龍, 馮中興, 等. 我國隧道鑿巖設(shè)備的應(yīng)用與發(fā)展[J]. 現(xiàn)代隧道技術(shù), 2018, 55(4): 9?13, 24. ZHENG Chaobao, ZHANG Long, FENG Zhongxing, et al. Domestic and international research on the critical velocity of fires in tunnels[J]. Modern Tunnelling Technology, 2018, 55(4): 9?13, 24.

[15] 李曉東. 錨桿鉆機(jī)鉆進(jìn)性能研究[J]. 內(nèi)蒙古煤炭經(jīng)濟(jì), 2018(12): 130?131. LI Xiaodong. Study on drilling performance of bolt drilling machine[J].Inner Mongolia Coal Economy, 2018(12): 130?131.

[16] 徐鎖庚. 軟巖巷道底板液壓鉆機(jī)設(shè)計理論及關(guān)鍵技術(shù)研究[D]. 徐州: 中國礦業(yè)大學(xué), 2014. XU Suogeng. Research on design theory and key technologies of the hydraulic roof bolter for floor of soft rock roadway[D]. Xuzhou: China University of Mining and Technology, 2014.

[17] 陳玉凡, 朱祥. 鉆孔機(jī)械設(shè)計[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 1986. CHEN Yufan, ZHU Xiang. Drilling machine design[M]. Beijing: China Machine Press, 1986.

[18] 張玉成. “鑿巖機(jī)械講座”介紹和氣動鑿巖機(jī)參數(shù)計算[J]. 鑿巖機(jī)械氣動工具, 2000(2): 6?14. ZHANG Yucheng. Introduction of “Lecture on Rock Drilling Machinery” and parameter calculation of pneumatic rock drilling machine[J]. Pneumatic Tool for Rock Drilling Machinery, 2000(2): 6?14.

Optimization of construction machine and technology of bolt for large squeezing deformation tunnel in soft rock

GUO Xinxin1, YANG Tielun2, MA Zhenwang1, WANG Zhiwei1, 3, WANG Bo1

(1. Key Laboratory of Transportation Tunnel Engineering, Ministry of Education, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China;2. Gansu Changda Highway Co., Ltd, Lanzhou 730030, China;3. Guiyang Branch of Shanghai General Institute of Political Engineering Design and Research (Group) Co., Ltd, Guiyang 550000, China)

Based on the large deformation section of Muzhailing Highway Tunnel and the analysis of the relationship between rock drillability and drilling rig performance, five different types of bolt construction tools were selected to conduct field drilling tests. The results show that in large squeezing deformation tunnel of low strength carbonaceous slate, rotary drilling rig should select hydraulic drilling rig with higher rated drilling speed, and impact-rotary drilling rig should select drilling rig with higher impact frequency; The drilling depth should be about 5 m. Once this depth is exceeded which problems such as hole collapse, sticking and low drilling efficiency can easily occur in drilling. It is suggested that self-propelled anchor rods above 5 m should be adopted. For the construction of short bolts within 5 m, the effective drilling speed of MYT-125/330 hydraulic anchor drill is about 0.8 m/min at the vault top and 0.4 m/min at the side wall of YT28 drill, and the construction effect is ideal;For the 10 m long bolts, the construction work of “high-power trolley drill+self-propelled bolt” is adopted. The effect can reach 10 m/30 min. The research results can provide a reference for the selection of bolt tools in large deformation tunnel.

tunnel engineering; large deformation of soft rock; bolt construction; bolt drilling machine; efficiency analysis

U451

A

1672 ? 7029(2020)04 ? 0924 ? 07

10.19713/j.cnki.43?1423/u.T20190547

2019?06?20

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51578456，51878571)；甘肅省科技計劃資助項(xiàng)目(19ZD2GA005)

汪波(1975?)，男，安徽郎溪人，教授，博士，從事隧道工程研究；E?mail：ahbowang@163.com

(編輯 陽麗霞)