錨桿臺車在軟巖大變形長錨桿施工中的應(yīng)用

收稿日期：2023-11-18

作者簡介：宋斌（1980—），男，山東臨沂人，本科，高級工程師，研究方向：物資設(shè)備管理。

摘 要：錨桿屬于極為普遍的一種支護(hù)方式，其經(jīng)濟(jì)性強(qiáng)，取得的支護(hù)效果也較為顯著，可在各種地質(zhì)環(huán)境中運(yùn)用，基于其各種優(yōu)點(diǎn)使其得到了廣泛應(yīng)用。但由于錨桿屬于主動支護(hù)，又具有一定的柔性，因而錨桿（尤其是長錨桿）在高地應(yīng)力軟巖大變形隧道中的應(yīng)用更加頻繁。鑒于此，深入探討錨桿臺車在軟巖大變形長錨桿施工中的應(yīng)用，通過總結(jié)錨桿臺車在錨桿施工中的應(yīng)用優(yōu)勢及不足，為類似工程提供參考借鑒。

關(guān)鍵詞：錨桿臺車；軟巖大變形；長錨桿；施工；應(yīng)用

中圖分類號：U455? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：2096-6903（2024）03-0046-03

1 工程地質(zhì)概況

新建成都至蘭州鐵路德勝隧道位于成蘭鐵路成都至川主寺（黃勝關(guān)）段鎮(zhèn)江關(guān)至松潘區(qū)間。隧道處于岷江左岸，距岷江0.5～3.5 km，與G213道路并行而進(jìn)，為傍山隧道。洞身下穿多條橫向支溝，地形起伏大，穿越最高峰3 420 m，相對高差大于500 m。本隧為單線隧道，是我國在建鐵路項(xiàng)目中最長的單洞合修山嶺隧道。

德勝隧道洞身穿越9個(gè)背斜、8個(gè)向斜和1個(gè)沖斷層，具有“四極、三高、五復(fù)雜”的典型地質(zhì)特征。受活動斷裂、區(qū)域構(gòu)造、碎裂軟巖、軟硬不均、高地應(yīng)力、松散應(yīng)力、富水等多種不良地質(zhì)因素組合的作用，地質(zhì)條件極其復(fù)雜，復(fù)合型大斷面大變形問題極為突出。施工難度被國內(nèi)專家定義為“國內(nèi)外罕見”，安全風(fēng)險(xiǎn)極高。標(biāo)段全長11 801.4 m（D6K224+472-D6K236+390），標(biāo)段大變形段落全長4 642 m，大變形發(fā)生比例高達(dá)39.3%。

德勝隧道最大埋深720 m，施工圖階段，在D5K228+085進(jìn)行地應(yīng)力測試，最大水平主應(yīng)力為18 MPa左右，最小水平主應(yīng)力10 MPa左右，估算的垂向應(yīng)力約為12 MPa，水平應(yīng)力占絕對優(yōu)勢。施工階段，在D5K231+397開展地應(yīng)力測試，最大水平主應(yīng)力測試為25.8 MPa左右。圍巖巖性主要以炭質(zhì)千枚巖、炭質(zhì)千枚巖夾板巖為主，圍巖強(qiáng)度低，且遇水易軟化、自穩(wěn)能力極差，松動圈范圍大，在D6K235+350附近進(jìn)行松動圈測試，松動圈范圍達(dá)12～15 m。

2 錨桿選型

在大變形破碎巖體中錨桿的支護(hù)作用是明顯的，它不僅能夠有效控制隧道在開挖后的變形，還能夠有效抑制塑性區(qū)的不斷發(fā)展，防止隧道產(chǎn)生過大變形而出現(xiàn)大面積的坍塌。首先，軟弱圍巖、斷層破碎帶明顯加大了鉆孔坍塌的可能性，尤其像施作10m長的錨桿，對于錨桿孔的通暢程度更是難以確保。其次，現(xiàn)階段通常將柔性鉆桿作為隧道錨桿施做的鉆桿，錨桿的剛度大于鉆桿，使得錨桿孔順直性難以保障，這在一定程度上給向錨桿孔送錨桿帶來困難。最后，選擇錨桿施工長度為10 m，第一根為4 m，第二根4 m，第三根2 m。錨桿臺車在軟巖大變形長錨桿施工中的應(yīng)用如圖1所示。

3 自進(jìn)式錨桿原理

自鉆式錨桿為中空類型，桿體具有多種優(yōu)勢，可兼做鉆桿、錨桿和輸漿管，漿液能夠直接從桿體鉆頭處流出，使錨桿周邊孔隙得到填充。基于一定壓力下，漿液可滲透至錨桿孔周圍裂隙中，大大增強(qiáng)了圍巖的穩(wěn)定性、可靠性。在實(shí)際應(yīng)用期間，通過連接套，將合金鉆頭螺旋形錨桿體與施做機(jī)具上的螺旋型釬桿連接起來，通過施做機(jī)具的帶動，螺旋形的錨桿體進(jìn)行回轉(zhuǎn)沖擊鉆進(jìn)作業(yè)，并結(jié)合設(shè)計(jì)需求通過連接套加長錨桿[1]。

4 自進(jìn)式錨桿的結(jié)構(gòu)及性能

4.1 自進(jìn)式錨桿的結(jié)構(gòu)

4.1.1 合金鉆頭

合金鉆頭具有較強(qiáng)穿透力，可使錨桿能穿過各類巖石。

4.1.2 連接套

使錨桿能邊鉆進(jìn)邊加長至設(shè)計(jì)的深度，適用于較狹小空間的施工，實(shí)現(xiàn)了長錨桿在小空間內(nèi)施做的可能。

4.1.3 止?jié){塞

止?jié){塞上鉆有排氣孔，做排氣之用，另外止?jié){塞能使注漿保持一定的壓力以充分填充圍巖空隙。

4.1.4 拱形墊板

能承受更大的圍巖應(yīng)力。德勝隧道設(shè)置20 cm×20 cm厚度為1 cm的墊板，以增強(qiáng)錨桿對圍巖的約束能力。

4.1.5 螺母

能將圍巖應(yīng)力集中傳遞到墊板上。高強(qiáng)度的墊板、螺母可以將深層圍巖應(yīng)力均勻地傳遞到洞壁圍巖上，達(dá)到圍巖與錨桿互為支護(hù)的目的。

4.1.6 堵漿塞

能防止錨桿內(nèi)孔跑漿。

4.2 錨桿的性能

德勝隧道使用的GM32的自進(jìn)式錨桿性能參數(shù)為，型號GM32，公稱直徑32 mm，抗拉強(qiáng)度大于450 MPa，壁厚6 mm，螺距12.7 mm，螺旋方向左旋。

5 錨桿施工設(shè)備的選擇

5.1 自進(jìn)式錨桿施做的設(shè)備

自進(jìn)式錨桿施作的設(shè)備包括SYB-70/4型號的雙液變量注漿泵，YT28型號的天水YT28風(fēng)槍以及履帶式的隧道錨桿臺車。

5.2 隧道錨桿臺車的選擇

5.2.1YT28風(fēng)槍的局限性

為了防止斜井出現(xiàn)變形現(xiàn)象，德勝隧道施工期間，可選擇自進(jìn)式錨桿作為初期支護(hù)方式，并設(shè)置長度為8 m。對于小里程自進(jìn)式錨桿作業(yè)，任何一種方案加2 m錨桿都能夠達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。但經(jīng)過實(shí)踐試驗(yàn)表明，利用YT28型風(fēng)槍進(jìn)行自進(jìn)式錨桿進(jìn)行打設(shè)，長度為8 m，接長可達(dá)到10 m，但依然會存在旋轉(zhuǎn)無法有效鉆入的現(xiàn)象。故而，從打設(shè)方面而言，采用YT28型風(fēng)槍打設(shè)8 m及以下長度具備一定可行性，如果要超出此標(biāo)準(zhǔn)，那么不僅時(shí)間較長，成本率也相對較低[2]。

根據(jù)2 m自行式錨桿的施工方案，在施工期間，應(yīng)設(shè)置桿長為2 m。此過程中，氣腿與氣槍頭部應(yīng)保持1.2 m的垂直距離，即YT28型氣槍需要在3.2 m的空間內(nèi)展開作業(yè)。由于垂直于初始支面打設(shè)具有較大難度，故而在打設(shè)自進(jìn)式錨桿過程中，采取適宜的機(jī)具至關(guān)重要，隧道上臺階示意圖如圖2所示。

5.2.2 隧道錨桿臺車的適用性

德勝隧道圍巖情況在一定程度上反應(yīng)了圍巖的情況，根據(jù)已開挖段落揭示，證實(shí)了這一點(diǎn)。因此，錨桿臺車進(jìn)場后，為不耽誤施工，首先就打設(shè)能力對應(yīng)段落進(jìn)行試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。

實(shí)際12 m以后發(fā)現(xiàn)成功率在40%以下，因此試驗(yàn)以打設(shè)12 m為統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，打設(shè)12 m實(shí)在平均在26.8 min，而打設(shè)10 m平均時(shí)間在15.4 min。

6 錨桿臺車施工自進(jìn)式錨桿

6.1 錨桿臺車外觀

錨桿臺車外觀如圖3所示。

6.2 自進(jìn)式錨桿施工

6.2.1 孔位選擇

在初期支護(hù)混凝土上按設(shè)計(jì)要求的縱向和環(huán)向間距標(biāo)記自進(jìn)式錨桿的孔位。

6.2.2 鉆進(jìn)前檢查

使用前，應(yīng)檢查鉆頭、鉆桿是否通氣，如有堵塞應(yīng)處理通暢后方可使用。

6.2.3 鉆進(jìn)

具體措施如下：①連接鉆頭和自進(jìn)式錨桿和釬尾等。②錨桿應(yīng)與孔位位置采取對準(zhǔn)設(shè)計(jì)，臺車要提前通水然后采取旋轉(zhuǎn)的方式實(shí)施鉆進(jìn)。在破碎巖開展鉆進(jìn)作業(yè)期間，由于鉆頭水孔易出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象，所以需要采取慢速度展開鉆進(jìn)作業(yè)，防止水孔堵塞情況的發(fā)生，一直達(dá)到設(shè)計(jì)深度標(biāo)準(zhǔn)。③自鉆式錨桿鉆滿足設(shè)計(jì)深度規(guī)定后，錨桿臺車將實(shí)施自動卸桿，當(dāng)完全脫離桿體尾部和釬尾，再進(jìn)入到自進(jìn)式錨桿打設(shè)階段。④將排氣管在止?jié){塞排氣孔處穿過，要注意盡可能在錨桿孔內(nèi)深入排氣管，再利用錨桿外露處，選擇鋼管打入封孔展開注漿作業(yè)。

6.2.4 人員配備

使用錨桿臺車進(jìn)行自進(jìn)式錨桿施工，兩個(gè)鉆臂操作區(qū)域與遞送鉆桿處都需要配備人員。

7 錨桿臺車的施工效果及優(yōu)缺點(diǎn)

7.1 使用效果及優(yōu)點(diǎn)

7.1.1 節(jié)約勞力

在人員配備上，錨桿臺車左右鉆臂需分別配備1名操作工，另需配備鉆臂的操作工遞送鉆桿，該人兼做錨桿臺車駕駛員，共需3人。根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)，德勝隧道小里程130 m?斷面至少配備4把YT28型風(fēng)槍，每把風(fēng)槍配備人員兩名，共計(jì)8人。在操作人員方面，錨桿臺車比YT28型風(fēng)槍明顯節(jié)約了勞動力。

7.1.2 施工速度

由于YT28型風(fēng)槍正常工作最大打設(shè)長度為8 m，暫以打設(shè)8 m自進(jìn)式錨桿與錨桿臺車做對比分析。

錨桿臺車單臂打設(shè)一根8 m自進(jìn)式錨桿用時(shí)11.4 min，YT28型風(fēng)槍打設(shè)一根8 m自進(jìn)式錨桿用時(shí)35 min。每延米自進(jìn)式錨桿24.5根，錨桿臺車總用時(shí)139.65 min，按照4臺鉆機(jī)同時(shí)工作，每延米用時(shí)214.375 min。僅從施工時(shí)間上，錨桿臺車比YT28型風(fēng)槍節(jié)約時(shí)間74.725 min，類推打設(shè)10 m時(shí)至少節(jié)約用時(shí)93.406 min。

7.1.3 勞動強(qiáng)度

錨桿臺車自帶卸桿裝置，人工只需將鉆桿擺放在鉆臂上以及使用操作臺操作機(jī)器。YT28型風(fēng)槍需工人手持風(fēng)槍進(jìn)行鉆進(jìn)，卸桿時(shí)需兩名工人用兩個(gè)管鉗同時(shí)工作。錨桿臺車的應(yīng)用大大降低了工人的勞動強(qiáng)度。

7.1.4 施工空間

在施工空間方面，錨桿臺車左右臂可根據(jù)需要升降和旋轉(zhuǎn)以滿足錨桿的打設(shè)角度和位置。對于高度較高的錨桿，YT28型風(fēng)槍需借助臺架等工具才能完成錨桿的打設(shè)[3]。

7.2 缺點(diǎn)和不足

7.2.1 施工用水量大

錨桿臺車在施工中較YT28型風(fēng)槍用水量大，容易造成掌子面積水。施工中要注意做好掌子面的排水工作。

7.2.2 要求工人水平高

錨桿臺車對工人操作技能要求較高，尤其是鉆臂操作工。鉆臂操作工的熟練程度直接影響錨桿臺車打設(shè)自進(jìn)式錨桿的速度。

8 錨桿臺車投入使用的經(jīng)濟(jì)效益分析

德勝隧道里程為D5K231+960-D5K232+200，共計(jì)240 m，工期15個(gè)月。該段采用相同的支護(hù)參數(shù)。

提前兩個(gè)月完工，節(jié)約人工費(fèi)用250 000×2=500 000元；節(jié)約5人，施工15個(gè)月費(fèi)用為552 075元。

輔助系統(tǒng)費(fèi)用空壓機(jī)、風(fēng)機(jī)設(shè)備費(fèi)用10 000元；空壓機(jī)電費(fèi)214.375 min/60×132kW×1.0×240 m=113 190元；錨桿臺車電費(fèi)139.65 min/60×55 kW×1.0×240 m=30 723元；風(fēng)機(jī)電費(fèi)45 kW×1.0×24 h×30d×2=64 800元。

管理費(fèi)用971 000×2×0.2=388 400元。

反坡排水費(fèi)用21 000×30×2=1 260 000元。

累計(jì)直接經(jīng)濟(jì)效益2 857 742元。

9 施工總結(jié)

具體有以下2點(diǎn)：①錨桿鉆機(jī)適應(yīng)隧道斷面對于小于6m×6m可能會因?yàn)椴僮骺臻g不足造成該機(jī)械無法正常發(fā)揮作用。②錨桿臺車對操作人員操作水平要求高，操作人員必須經(jīng)過培訓(xùn)，熟練后才能上崗。誤操作、魯莽操作會嚴(yán)重影響該機(jī)械的正常使用。

10 結(jié)束語

在實(shí)際施工過程中，錨桿長度設(shè)計(jì)過長會導(dǎo)致施工困難，錨桿施工質(zhì)量也將難以保證。通過錨桿臺車在軟巖大變形長錨桿施工中的應(yīng)用，調(diào)節(jié)錨桿長度，應(yīng)用效果更為顯著，不僅能確保施工的安全進(jìn)行，還可以提升施工質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)

[1] 資曉魚，申玉生，朱雙燕，等.層狀千枚巖隧道形變破壞規(guī)律與支護(hù)措施研究[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2021，58（3）：196-204.

[2] 劉文玲.活動斷裂帶軟巖大變形隧道開挖支護(hù)技術(shù)[J].鐵道建筑技術(shù)，2022（3）：154-159.

[3] 郭小龍，譚忠盛，喻渝.成蘭鐵路軟巖隧道大變形控制技術(shù)及變形控制基準(zhǔn)研究[J].鐵道學(xué)報(bào)，2022，44（3）：86-104.