高地應力軟弱破碎圍巖下長錨孔適配鉆孔機具研究

王治才 陳偉祥 朱安龍 郭新新 王振宇 汪波

摘要：選擇適配鉆孔機具以實現(xiàn)長錨孔的高效穩(wěn)定成孔，是長錨桿（索）支護技術在高地應力軟弱破碎圍巖隧道中進一步推廣應用的關鍵前提。以渭武高速木寨嶺公路隧道為工程依托，開展了高應力軟弱破碎圍巖適宜鉆機現(xiàn)場選型及鉆頭適配性研究。研究結(jié)果表明：① 鉆機鉆進效率方面，YT28鉆的鉆進效率明顯優(yōu)于YG80鉆，高地應力軟弱破碎圍巖隧道中提高鉆機沖擊頻率可有效改善鉆孔效率，應選擇沖擊頻率作為鉆機控制性指標;② 鉆頭鉆進效率方面，“一”字型鉆頭要優(yōu)于“十”字型鉆頭，鉆進5，10 m孔深時的施工耗時分別要少8，7 min，但存在著卡鉆現(xiàn)象頻發(fā)的缺陷;③ 鉆頭使用壽命方面，“十”字型鉆頭的平均有效鉆進長度為35 m，顯著優(yōu)于“一”字型鉆頭的20 m;④ 鉆頭成孔效果方面（要求預緊力>300 kN），“十”字型鉆頭打設深5，10 m鉆孔的錨固成功率分別為98%，95%，顯著優(yōu)于“一”字型鉆頭的89%，75%。研究成果可為高地應力軟弱破碎圍巖隧道長錨孔鉆孔作業(yè)提供指導與借鑒。

關 鍵 詞：鉆孔機具; 長錨孔; 高地應力; 軟弱破碎圍巖; 木寨嶺公路隧道

中圖法分類號： U451

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.05.034

0 引 言

隨著隧道工程建設重心逐漸向“長、大、深、險”方向發(fā)展，受高地應力軟弱破碎圍巖條件控制的大變形隧道頻現(xiàn)，例如蘭新鐵路烏鞘嶺隧道[1-2]、蘭渝鐵路木寨嶺隧道[3]、鄂西宜巴高速公路峽口隧道等[4-5]。長錨桿（索）支護能夠從深部補強圍巖，提高圍巖自承能力，因此為實現(xiàn)大變形的合理處治，大部分此類隧道均采用長錨桿（索）作為重要支護措施之一[6-8]。

然而，受到巖體軟弱破碎、高地應力及水鉆工藝等不利因素影響，長錨孔打設時極易卡鉆、掉鉆，往往需要反復掏孔、空鉆并清除碎渣，工效較差;此外，成孔質(zhì)量亦不盡人意，存在保徑能力差（縮孔、塌孔）以及直線度、圓順性不足等缺陷[9]，無法滿足長錨桿（索）順利裝入的需求。上述鉆孔問題導致高地應力軟弱破碎圍巖中長錨桿（索）施工效率低下，嚴重阻滯了施工進度，致使支護效果顯著的長錨桿（索）成了迫不得已時才使用的控制性措施，嚴重制約了長錨桿（索）支護技術的進一步應用。為解決上述困境，開展高地應力軟弱破碎圍巖條件下的長錨孔施工適配鉆孔機具研究以實現(xiàn)高效穩(wěn)定成孔，就尤為關鍵。

目前，已有大量學者對鉆孔機具進行了研究，如劉少偉等[10]以數(shù)值試驗為基礎分析了不同類型煤巷頂板巖石中的鉆進動態(tài)響應;付孟雄等[11]基于理論分析和數(shù)值模擬研究了驅(qū)動力矩和推力條件對鉆進特征的影響;孫艷[12]基于工作原理與結(jié)構(gòu)性能對氣動錨桿鉆機的參數(shù)優(yōu)化設計進行了系統(tǒng)分析;郭書英等[13]通過分析錨桿鉆頭的受力與振動，研究了鉆頭切削不同強度煤巖時的耦合動力特性;孫榮軍[14]結(jié)合耦合仿生理論與數(shù)值仿真方法，分析了鉆頭破巖機理，并優(yōu)化了鉆頭結(jié)構(gòu)。然而，對上述研究進行梳理后，不難發(fā)現(xiàn)以下兩個問題：① 目前研究多以煤礦巷道為背景（孔徑多為28～35 mm），鮮少涉及高應力軟弱破碎圍巖隧道中打設長錨孔的需求（孔徑一般大于42 mm），尚不足以為此類交通隧道中的長錨孔施工提供指導;② 多以鉆機亦或鉆頭的單獨研究為主，鮮少對適宜鉆機與配套鉆頭進行整體研究，即未考慮兩者間的匹配性。故此，以高地應力軟弱破碎圍巖交通隧道為依托，因地制宜地提出長錨孔施工適宜鉆機與配套鉆頭就顯得尤為重要。

綜上，本次研究以渭武高速（渭源至武都）木寨嶺公路隧道典型軟弱破碎圍巖段為工程依托，開展現(xiàn)場錨孔鉆設及錨索安裝試驗，通過分析鉆進效率與鉆孔施工效果，提出高地應力軟弱破碎圍巖長錨孔施工適配鉆孔機具配置，進而實現(xiàn)長錨孔的高效鉆進與穩(wěn)定成孔。

1 工程概況

木寨嶺公路隧道（見圖1）是渭武高速公路的控制性節(jié)點工程，設計為分離式雙向四車道，右線15.168 km，左線15.226 km，設有3座斜井，其中1號斜井長1.623 km，2號斜井長1.813 km，3號斜井長1.265 km。隧址區(qū)最大主應力為水平構(gòu)造應力，其方向基本平行于隧道軸線，實測最大水平主應力為24.95 MPa。

隧道穿越地層以炭質(zhì)板巖（見圖2）為主，巖體較為破碎、完整性差，全線大部分區(qū)段巖體完整性系數(shù)Kv<0.5，基本質(zhì)量指標修正值[BQ]為40.5～148.5，且?guī)r性致密、組成顆粒細膩，遇水易軟化崩解;單軸抗壓強度不超過30 MPa，結(jié)合實測初始地應力，可知強度應力比小于4，屬極高應力作用下的典型軟弱破碎圍巖。

現(xiàn)場鉆孔施工揭示：圍巖受鉆頭切削、沖擊擾動及水鉆工藝等作用將不可避免地發(fā)生劣化，致使孔壁圍巖向孔內(nèi)擠入并崩解成泥狀，出現(xiàn)鉆頭泥包（鉆頭上黏附大量巖屑，影響鉆進效率）、縮孔及塌孔等問題，嚴重影響鉆進效率和錨固施工質(zhì)量。因此，對鉆孔機具設備的優(yōu)化選型將是保證長錨固系統(tǒng)施工效率與質(zhì)量的關鍵。

2 高地應力軟弱破碎圍巖適宜鉆機選型

錨桿鉆機按結(jié)構(gòu)類型可劃分為機載式、鉆車式、單體式，其中單體式鉆機操作靈活方便，在隧道工程中應用廣泛，且能夠很好地適應三臺階法開挖;按破巖機理可劃分為沖擊式、旋轉(zhuǎn)式、沖擊-旋轉(zhuǎn)式[15]，其中沖擊-旋轉(zhuǎn)式鉆機同時具備沖擊和旋轉(zhuǎn)兩種破巖機制，能夠適應復雜的圍巖構(gòu)造，實現(xiàn)高效鉆進[16-19]?；谏鲜龇治?，鉆機選型研究將以沖擊-旋轉(zhuǎn)式單體鉆機為對象開展。

2.1 鉆機關鍵動力參數(shù)

沖擊能e（鉆機活塞單次沖擊能量）和沖擊頻率f（活塞每秒沖擊次數(shù)）是影響沖擊-旋轉(zhuǎn)式鉆機鉆進效率的關鍵動力參數(shù)[20]。在硬巖中鉆進時，可按下式計算鉆進速度[21]：

v=0.179kpkdef

式中：kp為工作壓力修正，當工作壓力為0.63 MPa時取為1;kd為鉆頭直徑修正系數(shù)，當鉆頭直徑為38，40，42 mm時分別取為1.324，1，0.907。基于上式分析，鉆進速度會隨沖擊功率（沖擊能e×沖擊頻率f）的增大而加快。然而現(xiàn)場鉆孔施工揭示：對于高地應力軟弱破碎圍巖，鉆機沖擊功率過高不利于及時排出鉆渣，導致鉆渣堆聚于孔底損耗沖擊能，使得破巖不充分，影響鉆孔效率與成孔質(zhì)量。故此，有必要針對具體圍巖條件，選擇合理匹配的沖擊能與沖擊頻率，以實現(xiàn)高效穩(wěn)定成孔。

2.2 試驗選用鉆機及其參數(shù)

綜合考慮圍巖條件（高地應力軟弱破碎圍巖）、施工方法（三臺階開挖）及鉆機關鍵動力參數(shù)（沖擊頻率f和沖擊能e），選擇大功率的YG80導軌鑿巖鉆機（見圖3（a））（后文簡稱YG80鉆）和在公路隧道中應用廣泛的YT28氣腿鑿巖鉆機（見圖3（b））（后文簡稱YT28鉆）進行現(xiàn)場鉆孔試驗。兩種鉆機的關鍵性能參數(shù)見表1。

2.3 鉆機現(xiàn)場鉆孔試驗及施工效用性分析

現(xiàn)場鉆孔試驗于2號斜井K1+725～730段邊墻位置開展，該區(qū)段圍巖以（薄層狀）中風化炭質(zhì)板巖為主，巖體節(jié)理裂隙發(fā)育、呈碎裂狀結(jié)構(gòu)，極易發(fā)生擠壓大變形，能有效檢驗鉆機在高地應力軟弱破碎圍巖中的效用性。

鉆頭均采用與所選鉆機相配套的常規(guī)“一”字型鉆頭，其中YG80鉆對應孔徑50 mm，YT28鉆對應孔徑42 mm。

YG80鉆的沖擊功率較大，在高地應力軟弱破碎圍巖中鉆進時可能會出現(xiàn)排渣不及時、破巖不充分等問題，導致長錨孔施工效率低下甚至無法實現(xiàn)長錨孔鉆設，故對于YG80鉆應首先進行深錨孔現(xiàn)場鉆設試驗，探明YG80鉆的極限鉆孔深度，驗證其能否滿足長錨孔鉆設需求。

YG80鉆現(xiàn)場鉆孔（見圖4（a））揭示K1+725斷面圍巖軟弱堅硬互層，鉆深超5～6 m后出現(xiàn)明顯卡鉆趨勢。為防止卡鉆，后續(xù)鉆孔過程適當降低了鉆速，且在多次出現(xiàn)明顯卡鉆趨勢時停鉆，并反復嘗試掏孔空鉆、排出巖渣，待清孔完畢后再繼續(xù)鉆進，導致鉆孔效率嚴重降低。鉆進至7.5 m時（耗時1 h）鉆桿完全卡死，經(jīng)現(xiàn)場工作人員多次嘗試后仍無法繼續(xù)鉆進，綜合認為不具備適用性。

YT28鉆的沖擊功率小于YG80鉆，故從沖擊功率角度而言，YT28鉆相對更適用于高地應力軟弱破碎圍巖;但是，從關鍵動力參數(shù)分析，YT28鉆的沖擊頻率較大而沖擊能較小，因此仍有必要進一步開展現(xiàn)場鉆孔試驗（見圖4（b）），以分析關鍵動力參數(shù)對鉆進效率的影響并檢驗YT28鉆的效用性。

YT28鉆于K1+728斷面打設4.5～5.0 m孔3個，耗時15～20 min;于K1+730斷面打設10.0 m孔4個，分別耗時約1，1.5，1.4，2 h，其中僅耗時1 h的鉆孔能夠成功裝入錨索。耗時1 h鉆孔的具體工效為：0～3 m，3～6 m，6～10 m鉆進過程分別耗時8，16，36 min，表明每延米鉆孔耗時隨鉆孔深度的增加而增大。

由表2可知，對于高地應力軟弱破碎圍巖，YG80鉆難以滿足鉆設長錨孔的需求，適用性較差;YT28鉆的工效相對較高，原因主要歸結(jié)為沖擊能和沖擊頻率上的差異，較高的沖擊頻率有利于提高鉆孔工效，但沖擊能不應提高過多，否則不利于及時排出鉆渣。然而，總體而言YT28鉆工效仍不盡人意，10 m長錨孔耗時超1 h，且成孔質(zhì)量較差（錨索不易裝入），因此，還有必要選擇適用于高地應力軟弱破碎圍巖的、與鉆機相適配的鉆頭，以期進一步改善鉆孔工效與成孔質(zhì)量。

3 鉆頭現(xiàn)場選型試驗及效用性分析

基于現(xiàn)場鉆孔試驗開展鉆頭效用性研究，通過分析鉆頭使用壽命、鉆進效率及成孔效果優(yōu)選適配鉆頭。

3.1 試驗材料與機具設備

3.1.1 鉆機與鉆頭

綜合考慮鉆機選型結(jié)果、現(xiàn)場動力來源、施工組織效率及作業(yè)人員對機械的熟悉程度，錨孔鉆機采用YT28鉆，其關鍵性能參數(shù)見表1?？紤]到?jīng)_擊-旋轉(zhuǎn)式單體鉆機現(xiàn)場鉆孔時多采用“一”字型、“十”字型鉆頭，試驗選用與YT28鉆配套的兩種常用“一”字型、“十”字型鉆頭（見圖5），具體參數(shù)如表3所列。

3.1.2 錨索與錨固劑

試驗段錨固體系以“樹脂錨固劑+高強預應力錨索”為核心，在開挖出渣完成后立刻進行錨索施工與張拉（設計預緊力大于300 kN），能夠有效遏制圍巖劣化并改善其承載能力。錨索采用1×19s-21.8-1860鳥籠注漿錨索（見圖6），按“5+10 m”長、短組合端錨形式布設，其中鳥籠段最大直徑34 mm，5，10 m錨索鳥籠段長度分別為1.2，1.5 m。考慮后期注漿段保護層厚度（大于16 mm）要求和注漿便捷性，現(xiàn)場鉆孔直徑取45 mm。樹脂錨固劑采用CKb3540（見圖7），5，10 m錨索每孔分別裝3，4節(jié)錨固劑。

3.2 試驗方案與過程

現(xiàn)場試驗在典型高地應力軟弱破碎圍巖段YK218+800～YK218+830開展，圖8為試驗段掌子面圍巖。

具體現(xiàn)場試驗過程如下：

（1） 采用YT28鉆配合CJ-1/2鉆頭于中、下臺階打設0～30°錨孔，具體工況如表4所列。

（2） 鉆孔至預定深度，進行驗孔與清孔，采用PVC管將樹脂錨固劑逐節(jié)推入錨孔底部，后裝入錨索抵至錨固劑，再用“ZQS-50/2.3S型氣動手持式鉆機+錨索攪拌器”邊攪拌邊推入錨索至孔底，繼續(xù)攪拌20～30 s，停止攪拌，靜置1 min，取下鉆機與攪拌器，即完成錨索安裝。

3.3 鉆頭效用性分析及選型研究

3.3.1 鉆頭使用壽命

2種鉆頭的主要失效形式均為鉆（釬）頭刃口“鈍化”（見圖9）。依據(jù)產(chǎn)品說明與施工經(jīng)驗，并考慮到鉆頭“鈍化”后可直接進行現(xiàn)場修磨，定義“鉆頭使用壽命”為需修磨前的使用時間，而非鉆頭完全損壞所需的使用時間。具體準則為：鉆（釬）頭刃口出現(xiàn)平臺寬度不小于3 mm，或釬頭出現(xiàn)倒錐，或鉆進能力明顯下降，則認為鉆頭失效?；谏鲜鰷蕜t，獲取2種鉆頭的平均使用壽命如圖10所示。

由圖10可知，CJ-2鉆頭的平均使用壽命達到35 m，明顯優(yōu)于CJ-1的平均使用壽命（僅20 m）。分析原因主要為“一”字型鉆頭破巖鑿碎點較少（單個圓弧形鑿刃），僅依靠鉆頭兩端刃口破碎整個孔周圍巖，鑿碎效率低、破碎程度差，往往需要重復多次轉(zhuǎn)動才能較好地破碎孔底圍巖，導致“一”字型鉆頭在鉆進較短距離后就由于刃口過度磨損而“鈍化”失效。

3.3.2 鉆進效率

表5為2種鉆頭鉆進的耗時明細，圖11為與之對應的工效分析圖。

分析上述結(jié)果可看出：在鉆進5 m和10 m時，CJ-1的耗時均要小于CJ-2，分別相差8 min和7 min;隨著鉆進深度增加，兩者的差異逐漸減小，每米平均耗時逐漸接近，最終在鉆進8～10 m進程時，CJ-2耗時比CJ-1少3 min。上述現(xiàn)象的主要原因是CJ-1更適用于“軟”巖層，但現(xiàn)場施工揭示，在鉆進深度超6 m后，CJ-1鉆就可能因巖體破碎不夠充分而導致卡鉆;而CJ-2則基本不會出現(xiàn)卡鉆現(xiàn)象。

綜合上述對鉆進效率和鉆進過程的分析，2種鉆頭的優(yōu)劣性為：CJ-1略優(yōu)于CJ-2。

3.3.3 成孔效果

檢驗成孔效果應以工程實踐為指導，數(shù)據(jù)分析為基礎，具體而言即是考量錨索安裝完成后的最終錨固力（預緊力）?？紤]設計要求的錨索張拉力，設定錨固力基準值為300 kN。具體判斷準則為：錨索安裝完成后可張拉超過300 kN，則認為錨固成功，反之則認為錨固失敗。統(tǒng)計CJ-1和CJ-2兩種鉆頭成孔的錨固成功率如圖12所示。

CJ-2的錨固成功率要優(yōu)于CJ-1，對于5 m和10 m的錨索錨固成功率分別為89%，98%和75%，95%。分析上述量值，主要為成孔效果的差異，CJ-1成孔直線度要明顯弱于CJ-2，且隨鉆入深度增加而愈發(fā)明顯;同時，邊墻部位的錨孔多近似水平，錨固劑攪拌過程中易“沉底”，故對鉆孔直線度的要求較高。

從錨索的錨固成功率分析成孔效果，CJ-2鉆頭優(yōu)于CJ-1。

3.3.4 鉆頭選型

綜合上述分析，常規(guī)隧道中施作5 m以下錨孔時，從鉆進效率角度考慮，可選擇“一”字型鉆頭;但對于高地應力軟弱破碎圍巖隧道，考慮到施作長錨桿（索）的需求，應選用不易卡鉆且使用壽命、成孔效果更優(yōu)的“十”字型鉆頭。

4 結(jié) 論

本文以渭武高速木寨嶺公路隧道為工程依托，開展高地應力軟弱破碎圍巖隧道中的長錨孔適宜鉆孔機具現(xiàn)場選型試驗，得出以下結(jié)論。

（1） YT28鉆機的鉆進效率明顯優(yōu)于YG80鉆機，對于高地應力軟弱破碎圍巖，提高沖擊頻率可有效提升鉆孔效率，故應優(yōu)選沖擊頻率較高的機型。

（2） 使用壽命方面，“十”字型鉆頭CJ-2能有效鉆進35 m，優(yōu)于“一”字型鉆頭CJ-1的20 m;鉆進工效方面，CJ-1鉆進5 m和10 m的耗時分別為17 min和64 min，較CJ-2快8 min和7 min，但存在易卡鉆的弊端;成孔錨固性能方面，CJ-2對于5，10 m錨索的錨固成功率達98%，95%，優(yōu)于CJ-1的89%，75%。

（3） 對于高地應力軟弱破碎圍巖隧道，宜采用沖擊頻率較大的YT28沖擊-旋轉(zhuǎn)式鉆機，配以不易卡鉆且使用壽命、成孔效果較優(yōu)的“十”字型鉆頭進行長錨孔鉆孔作業(yè)。

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（編輯：胡旭東）

Adapting drilling tool for long anchor hole under high ground stress and soft fractured surrounding rock

WANG Zhicai1，CHEN Weixiang1，ZHU Anlong2，GUO Xinxin3，WANG Zhenyu3，WANG Bo3

（1.GansuChangda Highway Co.，Ltd.，Lanzhou 730030，China; 2.Huadong Engineering Co.，Ltd.，Hangzhou 311122，China; 3.Key Laboratory of Transportation Tunnel Engineering，Ministry of Education，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China）

Abstract：

The selection of suitable drilling tool for the efficient and stable formation of long anchor holes is crucial for further applying long anchor bolt （cable） support technology in tunnels with soft fractured surrounding rock under high ground stress.Relying on the Muzhailing highway tunnel of Weiyuan-Wudu expressway，the in-situ selection of applicable drilling rigs and the adaptability study of drill bits were carried out.The results showed that：① YT28 was vastly superior to YG80 in the aspect of drilling efficiency，which demonstrated that in tunnel with soft fractured surrounding rock under high stress，the drilling efficiency of rigs can be effectively improved by increasing the percussion frequency，so the percussion frequency should be considered as the control index.② The I-shaped drilling bit is superior to the cross-shaped drilling bit in the aspect of drilling efficiency，that the formation time of 5m and 10m holes is 8 minutes and 7 minutes less respectively，but there was a defect of frequent jamming of the I-shaped drilling bit.③ In terms of the service life，the average effective drilling length of the cross-shaped was 35m，which was vastly superior to the I-shaped （20m）.In terms of hole-forming effect （required pre-tightening force > 300kN），the anchoring success rates for 5m and 10m holes drilled by cross-shaped drilling bit were 98% and 95% respectively，which was significantly better than the holes drilled by I-shaped drilling bit （89% and 75% respectively）.The research results can provide guidance and reference for the drilling operations of long anchor holes in tunnels with soft fractured surrounding rock under high ground stress.

Key words：

drilling tool;long anchor hole;high ground stress;soft fractured surrounding rock;Muzhailing highway tunnel