臺車式鉆機(jī)在木寨嶺隧道長錨桿施工中的應(yīng)用

楊鐵輪，馬振旺，宋夢陽

(1.甘肅長達(dá)路業(yè)有限責(zé)任公司，甘肅蘭州 730030；2.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)

縱觀國內(nèi)各大軟弱圍巖大變形隧道的建設(shè)歷史，錨桿，尤以長錨桿，被用作核心支護(hù)措施之一，如家竹青隧道、木寨嶺鐵路隧道和躍龍門隧道等，在大變形段均采用了8～10 m的長錨桿[1-3]作為主要支護(hù)措施之一?；谛聤W法的設(shè)計施工理念，即充分發(fā)揮圍巖的自承能力，錨桿作為初期支護(hù)體系中唯一可實(shí)現(xiàn)主動支護(hù)的支護(hù)措施，其可顯著改善錨固區(qū)圍巖峰后力學(xué)特性和應(yīng)力狀態(tài)，可見其在隧道支護(hù)中發(fā)揮著不可或缺作用。

對于地質(zhì)條件差，圍巖自支護(hù)能力弱，開挖掌子面的自穩(wěn)時間短的隧道，為避免開挖后發(fā)生過大變形或崩塌，施工過程強(qiáng)調(diào)“快”，盡量縮減單項(xiàng)作業(yè)時間[4]。而于軟巖大變形隧道中的錨桿支護(hù)而言，其施工質(zhì)量和速度則主要取決于施工機(jī)具和工藝。

現(xiàn)今，國內(nèi)大多數(shù)隧道仍采用手持式鉆機(jī)進(jìn)行鉆孔，如桃樹坪隧道采用的YG-80液壓鉆機(jī)[5]，康家臺隧道采用的XY-28-300電動鉆機(jī)鉆孔[6]，那馬隧道采用的MGJ-500鉆機(jī)[7]。然對于軟巖大變形隧道中的長錨桿施工，上述機(jī)械設(shè)備普遍存在施工功效低的問題。已有極少部分軟巖大變形隧道積極采用臺車式鉆機(jī)進(jìn)行長錨桿的施工，如鄭萬鐵路采用的三臂鑿巖臺車鉆孔[8]，青島膠州灣海底隧道采用的三臂鑿巖臺車鉆孔[9]，但類似的工程依舊較少，且未總結(jié)提出相應(yīng)的功效參數(shù)，對實(shí)現(xiàn)推廣臺車式鉆機(jī)在錨桿施工中的應(yīng)用支撐不夠。為此，以木寨嶺公路隧道大變形段為工程背景，選用臺車式鉆機(jī)進(jìn)行現(xiàn)場鉆孔試驗(yàn)，對其適用性及成孔效率開展研究，以期最終實(shí)現(xiàn)基于(大功率)臺車式鉆機(jī)應(yīng)用的長錨桿快速施工。

1 工程概況

木寨嶺公路隧道是渭(源)武(都)高速公路上的控制性工程，隧道為穿越漳河與洮河的分水嶺木寨嶺而設(shè)，橫跨漳縣、岷縣兩縣。隧隧址區(qū)海拔較高，山勢陡峻，隧道采用分離式設(shè)計，其中左線進(jìn)口里程ZK225+856，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629.1 m；隧址區(qū)巖性以炭質(zhì)板巖為主，其強(qiáng)度低，性狀松散軟弱，占全隧46.5 %以上，發(fā)生大變形地段為炭質(zhì)板巖、板巖及斷層巖(圖1)。隧址區(qū)內(nèi)的最大主應(yīng)力為水平構(gòu)造應(yīng)力，方向N34 °E，現(xiàn)場測得的最大水平主應(yīng)力達(dá)24.95 MPa。斜井?dāng)嗝嬷ёo(hù)形式同主洞相同，在前期斜井施工期間，部分地段隧道變形位移值多達(dá)800～1 000 mm或以上，根據(jù)目前斜井的施工反饋情況，隧道變形呈現(xiàn)量大、變形時間長且不對稱，嚴(yán)重影響施工工期。

圖1 木寨嶺公路隧道地質(zhì)縱斷面(右線)

2 臺車式鉆機(jī)特點(diǎn)

由于現(xiàn)場使用的手持式錨桿鉆機(jī)僅適用于短錨桿鉆孔，對10 m左右的長錨桿，耗時普遍較長，且極易出現(xiàn)卡鉆、掉鉆等現(xiàn)象。故選用大功率臺車式四川鉆神ZSL-120C-D全液壓履帶式工程鉆機(jī)(圖2)。ZSL-120C-D多功能履帶鉆機(jī)(四川鉆神)可無循環(huán)液螺旋推進(jìn)；鉆桿拆卸夾持器節(jié)約了勞動成本；柱塞變量泵和負(fù)載反饋系統(tǒng)具有功率保護(hù)和壓力切斷的功能，在有效適應(yīng)各執(zhí)行部件總流量需求的情況下，實(shí)現(xiàn)不同工況下的功率優(yōu)秀匹配，大限度的實(shí)現(xiàn)節(jié)能；其鉆臂可伸縮，可相對平行于斷面進(jìn)行多角度、多方位的鉆孔定位，水平高舉達(dá)4.5 m，滿足高工作面作業(yè)；爬坡能力不大于15°，全機(jī)運(yùn)動結(jié)構(gòu)采用運(yùn)動仿真機(jī)構(gòu)設(shè)計，該鉆機(jī)參數(shù)如表1所示。

圖2 四川鉆神ZSL-120D-C全液壓履帶式工程鉆機(jī)

表1 鉆神ZSL-120C-D參數(shù)

3 臺車式鉆機(jī)適用性分析

3.1 適用范圍

主要應(yīng)用于電站、公路及鐵路山體邊坡治理錨索加固、隧道管棚超前支護(hù)、基坑斜拉樁錨索、抗浮錨桿、地源熱泵井、路基加固、水電工程大壩基礎(chǔ)及壩身防滲處理、排水孔、礦山及采石場爆破孔、微型樁孔等工程，特別適合在漂、卵、礫石地層及破碎強(qiáng)風(fēng)化巖覆蓋地層中的深孔跟管鉆進(jìn)，尤其能夠體現(xiàn)它高效、優(yōu)質(zhì)的性能，能達(dá)到快速鉆穿復(fù)雜地層的目的。

3.2 地質(zhì)條件影響

本工程地層巖性屬于中風(fēng)化炭質(zhì)板巖，此類巖石具有微膨脹性，遇水后強(qiáng)度迅速衰減。隧址區(qū)開挖段地下水較少，局部會有淋水，均屬巖層裂隙水與孔隙水，低洼處積水配有排水設(shè)施，故隧道底板圍巖較為完整，無嚴(yán)重軟化現(xiàn)象，臺車式鉆機(jī)為履帶式前進(jìn)，地面傾角很小，行動基本不受限制。軟弱裂隙較為發(fā)育，鉆車作業(yè)時有掉塊風(fēng)險，故施作錨桿作業(yè)前需進(jìn)行掛網(wǎng)支護(hù)，另外隧道邊墻處圍巖節(jié)理有一定傾角，鉆進(jìn)阻力較大，錨桿鉆頭易于磨損，折舊率較高，需注意卡鉆情況發(fā)生。

3.3 施工方法影響

該臺車式鉆機(jī)適用的工作范圍大致在：高度H≥2.5 m，寬度B≥6.0 m。木寨嶺公路隧道為雙車道斷面設(shè)計形式，隧道的開挖形式為三臺階開挖，斷面面積為126.1 m2，寬度13.4 m，鉆車充分展開后，工作范圍可達(dá)長6.4 m，高4.5 m，鑒于上臺階開挖后作業(yè)空間狹小，臺階高度較高，不適于臺車式鉆機(jī)上下移動，故上臺階的錨桿支護(hù)仍需手持式鉆機(jī)完成，中下臺階空間較大，底板平緩，完全可以適用兩臺臺車式鉆機(jī)自由移動作業(yè)。故選擇臺車式鉆機(jī)需要開挖工序簡單，作業(yè)空間大，如全斷面、二臺階和三臺階施工方案均可臺式鉆機(jī)支護(hù)作業(yè)；而工序較為復(fù)雜的施工方法，如：三臺階七步法、CD法、CRD法則存在一定安全隱患，作業(yè)空間狹小，臺車式鉆機(jī)活動不便，且鉆機(jī)反復(fù)碾壓臨時支護(hù)對整個臨時和初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性產(chǎn)生破壞作用，存在嚴(yán)重安全隱患[10]。

4 ZSL-120D-C型四川鉆神現(xiàn)場應(yīng)用

4.1 鉆桿鉆孔試驗(yàn)分析

木寨嶺隧道2#斜井里程K1+728～K1+729，炭質(zhì)板巖，巖體破碎，拱頂最大沉降達(dá)341mm，于右邊墻部位(圖3)，采用傳統(tǒng)的錨桿安裝工藝，即通過釬桿安裝于ZSL-120D-C型鉆機(jī)上鉆孔(圖4)，鉆至設(shè)定深度后抽出釬桿，并將錨桿送入孔內(nèi)?，F(xiàn)場采用該工藝共進(jìn)行2次試驗(yàn)。

圖3 K1+728～729右邊墻圍巖

圖4 現(xiàn)場鉆孔

現(xiàn)場試驗(yàn)例1，在斜井里程K1+728處的右邊墻，采用φ46 mm鉆頭，打孔至6～7 m時，釬桿卡住無法退出鉆桿，導(dǎo)致打孔失敗。

現(xiàn)場試驗(yàn)例2，在斜井里程K1+729處的右邊墻，采用φ46 mm鉆頭，成功鉆孔至6 m深度，但埋設(shè)6 m長、φ32 mm錨桿時，塌孔嚴(yán)重，無法人工塞入，需采用錘擊方可成功埋入。

現(xiàn)場鉆孔試驗(yàn)表明，通過釬桿鉆孔，退桿后再安裝錨桿的施工工藝在擠壓型大變形軟巖隧道中適用性較差，極易出現(xiàn)鉆進(jìn)慢、塌孔、孔徑縮小和卡鉆等現(xiàn)象。

4.2 自進(jìn)式錨桿施工分析

為解決上述問題，采用自進(jìn)式錨桿進(jìn)行試驗(yàn)，于里程K1+739附近右邊墻施打φ32、10 m長自進(jìn)式錨桿2根，其中每根10 m長錨桿由5根2 m短錨桿通過連接套連接而成，圖5為所用錨桿與鉆頭。具體施工流程為：臺車式鉆機(jī)就位→確定鉆孔→調(diào)整角度→安裝第一根自進(jìn)式錨桿(端部安裝鉆頭，尾部安裝于鉆機(jī)上)→鉆孔→鉆機(jī)與錨桿尾部分離→連接套安裝第二根錨桿→…→安裝第五根錨桿→安裝墊板和螺母→注漿。每段錨桿的具體施工功效(包含錨桿接長加連接套時間)如圖6所示。

(a)鉆頭

(a)1號自進(jìn)式錨桿

由圖6自進(jìn)式錨桿施工功效柱狀折線圖可見，施工1號自進(jìn)式錨桿初期，加連接套接長錨桿所耗時間與鉆進(jìn)時間相近，錨桿鉆進(jìn)耗時在2.5～3.5 min范圍內(nèi)，鉆進(jìn)和加連接套的時間每根平均耗時4.5 min，總耗時22.6 min。施工2號自進(jìn)式錨桿時，加連接套接長錨桿的時間縮短，穩(wěn)定在1 min左右，鉆進(jìn)和加連接套的時間每根平均耗時4.3 min，總耗時21.5 min。

綜合表明，采用大功率液壓旋轉(zhuǎn)式臺車鉆機(jī)配以自進(jìn)式施工工藝，可實(shí)現(xiàn)長錨桿快速施工，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。

5 結(jié)論

(1)臺車式鉆機(jī)作業(yè)空間為：高度H≥2.5 m；寬度B≥6.0 m，適用于臺階法或全斷面法開挖的隧道。

(2)軟巖大變形隧道中鉆孔的成孔極限深度在6 m左右，超過此深度，極易出現(xiàn)卡鉆、塌孔、鉆進(jìn)效率低下等問題。

(3)自進(jìn)式錨桿施工工藝可較好解決深孔成孔率低的問題；采用“(大功率)臺車式鉆機(jī)+自進(jìn)式錨桿”的施工方式，10 m長錨桿的施工功效可達(dá)23 min/10 m，且鉆進(jìn)速度平穩(wěn)。