高應力軟巖隧道錨桿(索)成孔鉆具研究

郭新新，王振宇，汪波，程星源，喬小兵,2

(1. 西南交通大學 交通隧道工程教育部重點實驗室，四川 成都 610031；2. 甘肅長達路業(yè)有限責任公司，甘肅 蘭州 730030)

隨著隧道建設重心逐漸向西部復雜艱險山區(qū)轉移，傳統(tǒng)強支硬頂?shù)闹ёo模式在處治高應力軟巖大變形中出現(xiàn)了諸多弊端，拆換拱現(xiàn)象頻發(fā)[1-2]。在此背景下，以“預應力錨桿(索)系統(tǒng)”作為核心載體的主動支護理論與技術，在部分典型軟巖大變形隧道中取得了顯著的支護效果，并由此逐漸被軟巖隧道工程界接受，成為了研究熱點之一[3-4]。但是，受高地應力、巖性軟及破碎、圍巖變形大等諸多不利因素影響，高應力軟巖隧道錨孔在施工過程中極易出現(xiàn)卡鉆、掉鉆，鉆孔效率低，保徑能力弱和錨孔直線度、圓順性差等多種問題，成為制約預應力錨桿(索)推廣應用的難題之一[5-6]。隧道錨孔施工，關鍵在于錨桿(索)鉆孔設備，主要涉及鉆機和鉆具。其中，鉆機方面已開發(fā)出了諸如臺車式智能液壓鉆機，實現(xiàn)了鉆進過程中推進力與轉速的自動調整。同時，郭新新等[7]對軟巖隧道鉆機的合理選型進行了較為系統(tǒng)的研究。由此，研究選用合理的鉆具型式成為了高應力軟巖隧道錨孔，尤其是深錨孔穩(wěn)定有效成孔的關鍵。針對錨桿(索)鉆具的研究，主要源自于煤礦巷道，莫銘忠等[8]通過現(xiàn)場測試的方式，研究了倒角方式和角度對PDC 鉆進效率和抗沖擊韌性的影響，指出合理的倒角參數(shù)，可有效規(guī)避復合片的崩裂，并提高鉆進效率。李彥等[9-10]均基于數(shù)值仿真手段，開展了PDC 鉆具主要幾何參數(shù)的優(yōu)化研究，通過考慮強度、應力、排屑效果和抗沖擊性能等因素，實現(xiàn)了不同條件下PDC 鉆具的優(yōu)化設計。ROSTAMSOWLAT 等[11]基于原巖切削試驗，研究了不同PDC 后傾角對巖石切削破碎比功及表觀界面摩擦角的影響。李田軍等[12]基于單齒受力模型和接觸力學理論，推導了PDC 鉆具碎巖功耗的理論計算公式，為PDC 鉆具結構的優(yōu)化設計提供理論支撐。綜上，煤礦領域對PDC 鉆具的破巖機理、結構設計優(yōu)化和選型等方面，已進行了較為深入的研究，然而上述研究多以巷道工程中應用的28～32 mm 的小孔徑(深)成孔技術[13]為對象，與交通隧道的錨孔(考慮耐久性，孔徑一般＞42 mm)存在明顯的尺度差異。此外，隧道工程錨孔施工多數(shù)仍是采用鉆機(YT28 為主)配一字型鉆具進行深挖硬鑿，也缺乏對適用于高應力軟巖隧道的深錨孔成孔鉆具研究。為此，本文以渭武高速木寨嶺公路隧道為工程背景，在借鑒煤礦巷道小孔徑(28～32 mm)(深)成孔技術的基礎上，結合對鉆具鉆進機理的分析，選擇適宜的錨桿鉆機和多種不同型號、不同參數(shù)的鉆具，開展現(xiàn)場鉆孔和錨桿(索)安裝試驗，最終通過測試和分析不同鉆具失效模式、使用壽命、鉆孔工效和錨桿(索)安裝便捷性等，提出高應力軟巖隧道錨桿(索)適宜的成孔鉆具。

1 工程概況

在建渭武高速木寨嶺公路隧道穿越秦嶺東西復雜構造帶，地層以軟質炭質板巖為主，圍巖松散破碎，強度小于30 MPa，且具有擠壓性、流變性、膨脹性、遇水崩解性和工程擾動敏感性強等明顯的軟巖特點。 木寨嶺公路隧道總長15.226 km，主洞斷面面積大于120 m2，埋深最大達629.1 m，埋深超500 m 的隧段超過60%。據(jù)現(xiàn)場實測，自重應力為15.7 MPa，最大水平主應力達18.76 MPa，屬于典型的高地應力軟巖大斷面超長隧道工程，圖1為隧道縱斷面地質圖。

圖1 木寨嶺公路隧道地質縱斷面圖(右線)Fig.1 Geological longitudinal section map of Muzhailing highway tunnel(right line)

2 鉆孔特性分析

2.1 巖石特性

原設計支護體系下，隧道發(fā)生大變形區(qū)域，圍巖主要以薄層狀炭質板巖為主，故鉆孔機具選型將以炭質板巖為基礎進行。木寨嶺公路隧道炭質板巖如圖2(a)所示，具有泥質變余結構，巖性致密，結構細，單軸飽和抗壓強度15.0～30.0 MPa，彈性模量1.2～2.5 GPa，力學特性上表現(xiàn)為微膨脹性，遇水易軟化(軟化系數(shù)0.4～0.6)，隧道開挖臨空后，圍巖易發(fā)生塑性變形而擠入。總體巖性上，炭質板巖表現(xiàn)為強度低、塑性高、組成顆粒細膩、微膨脹性和遇水易軟化(圖2(b))等特性，伴隨高地應力、巖體破碎及水鉆(鉆孔)工藝等不利因素影響，預計鉆進過程中將不可避免且極易出現(xiàn)鉆進速率慢、塌孔、孔徑縮小和鉆具泥包等現(xiàn)象。

2.2 鉆機選型分析

錨桿鉆機按結構類型可主要劃分為單體式、鉆車式和機載式。其中，單體式鉆機輕便、靈活，適用范圍最廣；鉆車式鉆機機械化程度高、扭矩大、功率大、鉆進速度快，較適用于大斷面巷道及公路、鐵路隧道；機載式鉆機一般為在掘進機上配備錨桿鉆機，實現(xiàn)掘錨一體功能。

木寨嶺公路隧道施工中采用三臺階法，上臺階(支護重點)高度僅為3 m，故已有的鉆車式鉆機和機載式鉆機，如鉆神和三臂鑿巖臺車等，均難以適用。而單體式鉆機中的沖擊型鉆機，以YT28和YG80 為例，從采用的成孔工藝角度而言，對圍巖擾動大，軟巖環(huán)境中，當施工長錨孔時極易發(fā)生塌孔和卡鉆。同時，沖擊型鉆機主要用于施打爆破孔，鑿孔方位上受限，一般難以施打拱腰以上錨孔。因此，木寨嶺公路隧道錨孔的施工以單體式錨桿鉆機的適用性最優(yōu)。

考慮現(xiàn)場動力來源，結合施工組織效率和作業(yè)人員對機械的熟悉程度，確定錨孔施工鉆機采用MQT-130/3.2氣動錨桿鉆機，如圖3所示。

2.3 鉆進力學模型

單體式錨桿鉆機采用旋轉破巖方式，配以PDC 鉆具為主。對于PDC 鉆具，合理的PDC 切削齒工作角(圖4)可大大提高PDC 鉆具的碎巖效率和使用壽命[14]。其中，后傾角α的大小主要決定了PDC復合片破碎地層的能力；側轉角β主要用于形成側向力，推動巖屑向切削齒一側運動，實現(xiàn)較高的排屑效率和避免泥包的目的。

圖4 PDC切削齒工作角示意圖Fig.4 Schematic diagram of PDC cutting teeth working angle

圖5 (a)為單翼PDC切削齒入巖示意圖，相應受力情況如圖5(b)所示。設作用于單個PDC 切削齒的軸向載荷和水平載荷分別為F1和F2，F(xiàn)n為巖石對PDC 的豎向反作用力，F(xiàn)s為巖石對PDC 底部的水平摩擦力，Pn為巖石對PDC 的水平向反作用力。當切削齒壓入深度為d時，據(jù)李田軍等[15]提出的計算模型，F(xiàn)1和F2計算如下：

圖5 PDC切削齒模型Fig.5 Model of PDC cutting teeth

式中：E，ν，c和φ分別為巖石的變形模量、泊松比、黏聚力和內摩擦角；f為PDC 切削齒與巖石之間的水平向摩擦因數(shù)；n為切削破裂面應力分布系數(shù)，與PDC幾何參數(shù)有關，若取n=1，則破裂面的應力呈線性分布；A為切削方向的接觸面積，由式(3)計算。

式中：R為PDC片半徑。

分析式(1)～(2)可知，軸向力F1和切向力F2主要受3 個方面因素影響，其一為巖石物理力學參數(shù)，如變形模量E、泊松比ν和滑動摩擦因數(shù)f等；其二為PDC 片的幾何尺寸，如后傾角α和PDC 片半徑R等；其三為位移參數(shù)，主要是壓入深度d。

假設鉆進過程炭質板巖力學性能不變，并據(jù)地勘資料，取變形模量E=2.0 GPa，泊松比ν=0.37，摩擦角φ=32°，黏聚力c=0.9 MPa。結合典型板巖在水潤滑條件下的摩擦因數(shù)f取值區(qū)間0.2～0.4[16]，再設定PDC 片半徑尺寸R=6.75 mm，壓入深度d=0.5 mm，分析滑動因數(shù)f=0.2/0.3/0.4 時，后傾角α與F1，F(xiàn)2間的關系，如圖6所示。

圖6 不同f下α與F1和F2關系曲線Fig.6 Curve of α with F1 and F2 under different f

由圖6 可知，總體上，隨著后傾角α變大，F(xiàn)1和F2呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢；后傾角α＞20°，F(xiàn)1趨于平穩(wěn)；后傾角α＞15°，F(xiàn)2趨于平穩(wěn)；后傾角α＞60°，F(xiàn)1和F2再逐漸增大。上述α的量值變化規(guī)律與實際工程中后傾角α=20°時，PDC 片易切入巖石的工程實踐相吻合。理論分析可知，若繼續(xù)增大后傾角(α＞20°)，F(xiàn)1和F2雖可減小，但減小的量值非常有限，卻會大大增加排屑的困難度，故后傾角α的設計仍應以20°為基準。

當滑動因數(shù)f不同時，后傾角α的增減對F1和F2的影響程度并不一致，表現(xiàn)為F1和F2增減量值的差異。繪制α=15°/20°/25°時，滑動因數(shù)f與F1，F(xiàn)2間的關系，如圖7 所示。由圖可知，隨著滑動因數(shù)f變大，F(xiàn)1和F2均逐漸增大，但增幅存在差異。當滑動因數(shù)f較小時，后傾角α的增減對F1和F2的影響要小，具體量值上：f=0.2 時，以α=20°的F1和F2為基準，α=15°/25°，ΔF1=0.33 kN/-0.19 kN，ΔF2=0.07 kN/- 0.03 kN； 對 應f=0.4 時， ΔF1=0.49 kN/-0.28 kN，ΔF2=0.19 kN/-0.11 kN。

圖7 不同α下f與F1和F2關系曲線Fig.7 Curve of f with F1 and F2 under different α

對于PDC 片，其在F1作用下壓入(破碎)巖石，在F2作用下向前移動并切削破碎巖石。選以F2變化量為指標進行分析，即“f小時，適當減小后傾角α值，對F2影響很小”。因此，當f較小時，可取α＜20°，實現(xiàn)在F2基本不變的前提下，提升鉆進性能，但應開展鉆孔對比試驗。

設置側轉角β的目的在于提高對巖屑的側向推力，使其快速脫離鉆具中心，防止巖屑積聚情況的發(fā)生，提高清洗效率，量值一般控制在0～15°。工程實踐表明，后傾角α=20°前提下，側轉角β對PDC切削齒切削巖石效率的影響不明顯[17]，較大的側轉角β反而更易引起切削齒的損壞及失效，因此建議側轉角β取5°左右。

3 多因素綜合下的鉆具優(yōu)選現(xiàn)場試驗

3.1 試驗設備與材料

3.1.1 鉆具

選用與MQT-130/3.2 氣動錨桿鉆機匹配的4 種PDC 鉆具(圖8)，其中PDC-4 鉆具為由導向鉆具(小鉆具，2 翼)和擴孔鉆具(大鉆具，3 翼)組合而成的小、大組合式鉆具。各鉆具的具體參數(shù)如表1所示。

表1 4種PDC鉆具關鍵參數(shù)Table 1 Key parameters of four PDC bits

圖8 4種PDC鉆具Fig.8 Four types of PDC bits

3.1.2 錨索與錨固劑

以“及時、主動、強”為支護理念，原強力被動支護體系變更為“樹脂錨固劑+錨索”為核心的主動型支護體系。設計錨索采用5+10 m 的長、短組合端錨形式，開挖出渣完成后，即刻在圍巖面進行錨索施工與預應力加載(預緊力＞300 kN)。錨索采用Φ21.8 mm 直徑1×19S 結構，為滿足后期注漿段保護層厚度(＞16 mm)要求[18]和方便注漿，錨孔直徑不小于45 mm，同時，為滿足樹脂錨索“三徑匹配”要求[19]，錨索錨固段加工成鳥籠形式(圖9)，直徑34 mm，樹脂錨固劑采用CKb3540 形式，每孔采用3節(jié)錨固劑(圖10)。

圖9 鳥籠型錨索Fig.9 Birdcage anchor cable

圖10 CKb3540錨固劑Fig.10 CKb3540 anchoring agent

3.2 試驗方案與過程

現(xiàn)場試驗選擇在右線典型炭質板巖段YK218+800～+832，變更后初期支護參數(shù)為L-530 cm 和L-1 030 cm 鳥籠錨索(預緊力＞300 kN)，間隔布置，即一個循環(huán)L-530 cm，下一循環(huán)采用L-1030 cm，環(huán)向間距100 cm，每環(huán)23 根，上臺階15 根，中臺階6 根，下臺階2 根；HW175 型鋼@80 cm，噴射C25早強砼@28 cm，預留變形量30 cm。后續(xù)監(jiān)控量測顯示YK218+800～+830 區(qū)段拱腰處累計收斂130～420 mm，對比YK218+780～+800 區(qū)段拱腰處累計收斂290～720 mm，預應力錨索抑制圍巖大變形效果明顯。

試驗過程：1)采用MQT-130/3.2+PDC-1/-2/-3/-4 鉆具于上臺階45°～90°錨孔，具體工況如表2 所示。2) 鉆至預定深度，進行驗孔與清孔，采用PVC 管將3 節(jié)CKb3540 樹脂錨固劑逐節(jié)推入至錨孔底部，后裝入錨索抵至錨固劑，再用“MQT-130/3.2 鉆機+錨索攪拌器”邊攪拌邊推入錨索至孔底，繼續(xù)攪拌10～20 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) 繼續(xù)等待15 min，采用MQ22-300/63張拉機具，對錨索進行張拉加載。

表2 試驗工況Table 2 Test conditions

3.3 試驗分析

評價錨孔施工的優(yōu)劣性，應從3個方面進行考慮，其一為鉆具的使用壽命；其二為鉆進工效；其三為成孔效果。

3.3.1 失效模式與鉆具壽命

各鉆具的失效形式如圖11 所示，其中PDC-1失效模式為鉆具體螺紋段斷裂(非常規(guī)失效)，其余3 種PDC 鉆具失效模式一致，均為切削齒失效。PDC-2和PDC-4表現(xiàn)為切削齒過度磨損，致鉆進效率、保徑能力明顯降低。PDC-3表現(xiàn)為切削齒過度磨損(常規(guī)失效)和切削齒斷裂崩刃(非常規(guī)失效)，2種形式各占50%左右。

圖11 4種PDC鉆具失效形式Fig.11 Failure modes of four PDC bits

PDC-1和PDC-4中導向鉆具的接頭螺紋皆為細螺紋形式，但僅PDC-1 出現(xiàn)了螺紋處斷裂，表明鉆具直徑增大時，螺紋處的應力明顯增加，致常規(guī)小鉆具的細螺紋連接形式已不具備適用性，應選用對結構材料性能損傷較小的粗螺紋形式。PDC-2與PDC-3切削齒失效形式不一致，與較大的后傾角有助于切削齒的抗沖擊和抗研磨性的結論[20]相吻合。PDC-3和PDC-4中導向鉆具失效形式不一致，表明大直徑鉆具中的切削齒對后傾角更為敏感，即減小后傾角更易導致大直徑鉆具的非常規(guī)失效。

據(jù)現(xiàn)場實際施工要求與經(jīng)驗，定義“鉆具使用壽命”為鉆具出現(xiàn)下述其中一種情況前的鉆進長度：1) 鉆進0～5 m 時效率小于1 m/10 min，或鉆進5～10 m 效率小于1 m/15 min，認為失效；2) 非常規(guī)失效，包括鉆具體螺紋段斷裂和切削齒斷裂崩刃等；3) 保徑能力明顯下降，主要表現(xiàn)為錨索安裝困難明顯加大，難以操作。綜上，獲取4種PDC鉆具的平均使用壽命如圖12所示。

圖12 所示，PDC-1，PDC-2，PDC-3 和PDC-4鉆具的使用壽命為1.5，37.8，27.7 和58.5 m，其中，PDC-4鉆具的使用壽命由導向鉆具決定。對于PDC-1鉆具，其不具備適用性，在實際施工中共使用了5個鉆具，均出現(xiàn)螺紋斷裂，最大錨孔深度僅2.5 m。對比PDC-2 與PDC-3 鉆具，后傾角增加2.5°，使用壽命增加10.1 m，增長36.5%。對比PDC-4與PDC-3鉆具，PDC-4中的導向鉆具直徑減小17 mm，使用壽命增加30.8 m，增長111%。上述分析表明，后傾角與鉆具直徑是影響雙翼內凹PDC鉆具使用壽命的關鍵因素之一。

圖12 4種PDC鉆具使用壽命Fig.12 service life of four PDC bits

綜合上述對失效模式和鉆具使用壽命的分析，4 種鉆具的優(yōu)劣性如下：PDC-4＞PDC-2＞PDC-3＞PDC-1。

3.3.2 鉆進(平均)工效

圖13 為3 種鉆具鉆進工效，其中圖13(a)為耗時，圖13(b)為以PDC-3 鉆進耗時為基準，繪制的PDC-2和PDC-4鉆進耗時變化率。

圖13 鉆進工效Fig.13 Drilling efficiency

由圖13 可看出，對比PDC-2 與PDC-3 鉆具，后傾角增加2.5°，鉆進耗時明顯增加，0～5 m，5～8 m 和8～10 m 分別增加4，7 和8 min，對應增長率為0.8，2.3 和4.0 min/m，顯示后傾角增加，鉆進功效明顯降低，且隨著鉆進深度的增加，效率進一步降低。對比PDC-4 與PDC-3 鉆具，鉆進耗時差異較小，0～5 m、5～8 m 和8～10 m 僅分別僅減小1 min，1 min 和3 min，對應增長率為-0.1 min/m，-0.3 min/m 和-1.0 min/m，顯示總體上PDC-4 在鉆進效率上并未有明顯優(yōu)勢。但相較而言，8～10 m 的鉆進效率存在著較大的提升，原因主要是使用PDC-3鉆具在鉆進8～10 m 時，部分錨孔出現(xiàn)了鉆具泥包現(xiàn)象，導致鉆進效率明顯降低，而PDC-4 在小、大鉆具連接部位增設了左右兩側出水通道，避免了鉆具泥包的形成。上述分析表明，后傾角是影響雙翼內凹PDC 鉆具鉆進工效的關鍵因素。小、大組合形式可有效避免炭質板巖等巖層中出現(xiàn)鉆具泥包現(xiàn)象。

綜合上述對鉆進工效和鉆進過程的分析，4 種鉆具的優(yōu)劣性如下：PDC-4(略)＞PDC-3＞PDC-2。

3.3.3 安裝便捷性測試

對于成孔效果的檢驗可從安裝的便捷性進行分析。圖14 為現(xiàn)場安裝過程中出現(xiàn)的2 種情形，當成孔效果良好時僅單人操作即可將錨索插入至孔底(與錨固劑接觸位置)，如圖14(a)所示。而當成孔效果差時，則需要錨桿鉆進配以多人進行“旋轉式”推入，如圖14(b)所示，作業(yè)強度與危險性均增加。圖15 為采用PDC-2，PDC-3 和PDC-4 鉆具出現(xiàn)的“機械式”推入的比例。

圖14 錨索安裝Fig.14 Ⅰnstallation of anchor cable

由圖15 可知，10 m 錨孔出現(xiàn)“機械式”推入概率要明顯大于5 m，顯示隨著錨孔深度的增加安裝便捷性下降，推測原因為，隨著錨孔深度增加，保徑能力、順直度和平順性均可能存在不同程度的降低。具體分析3種鉆具出現(xiàn)“機械式”推入概率， PDC-2-5 m， PDC-2-10 m 為20%， 31%；PDC-3-5 m，PDC-3-10 m為30%，47%；PDC-4-5 m，PDC-4-10 m 為6%，9%。上述量值顯示，出現(xiàn)“機械式”推入概率PDC-4＜＜PDC-2＜PDC-3，其中PDC-2 和PDC-3 鉆具的差異集中在后傾角度(差異2.5°)，表明后傾角度對成孔效果有影響。結合對鉆進工效的分析可知，一定程度上減小后傾角可使鉆進工效得到較大提升，但會減弱成孔效果，分析原因，應是高地應力軟弱地質圍巖條件使得較快的成孔速率更易出現(xiàn)諸如塌孔、縮孔及斜孔等問題，繼而引發(fā)錨索裝入困難。

圖15 “機械式”推入的比例Fig.15 Proportion of“mechanical”push-in

PDC-4＜＜PDC-2顯示了高地應力軟弱地質圍巖條件下，小、大組合式鉆具在成孔效果方面具有極大的優(yōu)勢，結合其工作原理，分析原因如下：1) 導向鉆具快速切削出小錨孔，對后續(xù)擴孔起到定位、導向的作用，減弱了鉆進過程的斜孔效應，有利于提高錨孔直線度；2) 導向鉆具在切削破巖過程中會對待擴孔開挖巖體造成局部擾動，使其結構完整性降低，并實現(xiàn)孔壁周邊圍巖應力的提前釋放，為后續(xù)擴孔鉆具的成孔提供有利條件，減弱了塌孔及縮孔效應；3) 擴孔鉆具會通過光滑柱體壁面對孔壁粗糙處進行打磨，提高孔壁圓順性。

綜合上述，從錨索的安裝便捷性分析成孔效果，3 種鉆具的優(yōu)劣性如下：PDC-4＞＞PDC-2＞PDC-3。

4 結論

1)小、大組合式鉆具可有效避免炭質板巖(泥質變余結構)等巖層中出現(xiàn)鉆具泥包現(xiàn)象，且在使用壽命、錨索安裝便捷性和錨固成功率等方面均具備明顯優(yōu)勢，能極大改善高地應力軟弱破碎圍巖鉆孔過程中出現(xiàn)的塌孔、縮孔及斜孔等情況。

2) 后傾角α是影響PDC 鉆具鉆進工效的關鍵因素，應以20°為基準。軟弱破碎圍巖條件下，適當減小后傾角可有效提升鉆進效率，表現(xiàn)在后傾角由20°減小至17.5°，鉆進10 m耗時減少19 min。

3) 后傾角α是影響雙翼內凹PDC 鉆具使用壽命的關鍵因素之一，表現(xiàn)在后傾角由17.5°增加至20°，鉆具使用壽命增長10.1 m、增幅36.5%。鉆具直徑增大對螺紋段結構提出了更高的要求，宜采用粗螺紋形式。