錨桿臺車在軟巖大變形長錨桿施工中的應用

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：物資設備管理。

摘 要：錨桿屬于極為普遍的一種支護方式，其經濟性強，取得的支護效果也較為顯著，可在各種地質環境中運用，基于其各種優點使其得到了廣泛應用。但由于錨桿屬于主動支護，又具有一定的柔性，因而錨桿（尤其是長錨桿）在高地應力軟巖大變形隧道中的應用更加頻繁。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用，通過總結錨桿臺車在錨桿施工中的應用優勢及不足，為類似工程提供參考借鑒。

關鍵詞：錨桿臺車；軟巖大變形；長錨桿；施工；應用

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

1 工程地質概況

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）段鎮江關至松潘區間。隧道處于岷江左岸，距岷江0.5～3.5 km，與G213道路并行而進，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，是我國在建鐵路項目中最長的單洞合修山嶺隧道。

德勝隧道洞身穿越9個背斜、8個向斜和1個沖斷層，具有“四極、三高、五復雜”的典型地質特征。受活動斷裂、區域構造、碎裂軟巖、軟硬不均、高地應力、松散應力、富水等多種不良地質因素組合的作用，地質條件極其復雜，復合型大斷面大變形問題極為突出。施工難度被國內專家定義為“國內外罕見”，安全風險極高。標段全長11 801.4 m（D6K224+472-D6K236+390），標段大變形段落全長4 642 m，大變形發生比例高達39.3%。

德勝隧道最大埋深720 m，施工圖階段，在D5K228+085進行地應力測試，最大水平主應力為18 MPa左右，最小水平主應力10 MPa左右，估算的垂向應力約為12 MPa，水平應力占絕對優勢。施工階段，在D5K231+397開展地應力測試，最大水平主應力測試為25.8 MPa左右。圍巖巖性主要以炭質千枚巖、炭質千枚巖夾板巖為主，圍巖強度低，且遇水易軟化、自穩能力極差，松動圈范圍大，在D6K235+350附近進行松動圈測試，松動圈范圍達12～15 m。

2 錨桿選型

在大變形破碎巖體中錨桿的支護作用是明顯的，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的不斷發展，防止隧道產生過大變形而出現大面積的坍塌。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用如圖1所示。

3 自進式錨桿原理

自鉆式錨桿為中空類型，桿體具有多種優勢，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?；谝欢▔毫ο?，漿液可滲透至錨桿孔周圍裂隙中，大大增強了圍巖的穩定性、可靠性。在實際應用期間，通過連接套，將合金鉆頭螺旋形錨桿體與施做機具上的螺旋型釬桿連接起來，通過施做機具的帶動，螺旋形的錨桿體進行回轉沖擊鉆進作業，并結合設計需求通過連接套加長錨桿[1]。

4 自進式錨桿的結構及性能

4.1 自進式錨桿的結構

4.1.1 合金鉆頭

合金鉆頭具有較強穿透力，可使錨桿能穿過各類巖石。

4.1.2 連接套

使錨桿能邊鉆進邊加長至設計的深度，適用于較狹小空間的施工，實現了長錨桿在小空間內施做的可能。

4.1.3 止漿塞

止漿塞上鉆有排氣孔，做排氣之用，另外止漿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力。德勝隧道設置20 cm×20 cm厚度為1 cm的墊板，以增強錨桿對圍巖的約束能力。

4.1.5 螺母

能將圍巖應力集中傳遞到墊板上。高強度的墊板、螺母可以將深層圍巖應力均勻地傳遞到洞壁圍巖上，達到圍巖與錨桿互為支護的目的。

4.1.6 堵漿塞

能防止錨桿內孔跑漿。

4.2 錨桿的性能

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

5 錨桿施工設備的選擇

5.1 自進式錨桿施做的設備

自進式錨桿施作的設備包括SYB-70/4型號的雙液變量注漿泵，YT28型號的天水YT28風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風槍的局限性

為了防止斜井出現變形現象，德勝隧道施工期間，可選擇自進式錨桿作為初期支護方式，并設置長度為8 m。對于小里程自進式錨桿作業，任何一種方案加2 m錨桿都能夠達到標準。但經過實踐試驗表明，利用YT28型風槍進行自進式錨桿進行打設，長度為8 m，接長可達到10 m，但依然會存在旋轉無法有效鉆入的現象。故而，從打設方面而言，采用YT28型風槍打設8 m及以下長度具備一定可行性，如果要超出此標準，那么不僅時間較長，成本率也相對較低[2]。

根據2 m自行式錨桿的施工方案，在施工期間，應設置桿長為2 m。此過程中，氣腿與氣槍頭部應保持1.2 m的垂直距離，即YT28型氣槍需要在3.2 m的空間內展開作業。由于垂直于初始支面打設具有較大難度，故而在打設自進式錨桿過程中，采取適宜的機具至關重要，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了圍巖的情況，根據已開挖段落揭示，證實了這一點。因此，錨桿臺車進場后，為不耽誤施工，首先就打設能力對應段落進行試驗。實驗結果見表1。

實際12 m以后發現成功率在40%以下，因此試驗以打設12 m為統計標準。根據實驗結果分析，打設12 m實在平均在26.8 min，而打設10 m平均時間在15.4 min。

6 錨桿臺車施工自進式錨桿

6.1 錨桿臺車外觀

錨桿臺車外觀如圖3所示。

6.2 自進式錨桿施工

6.2.1 孔位選擇

在初期支護混凝土上按設計要求的縱向和環向間距標記自進式錨桿的孔位。

6.2.2 鉆進前檢查

使用前，應檢查鉆頭、鉆桿是否通氣，如有堵塞應處理通暢后方可使用。

6.2.3 鉆進

具體措施如下：①連接鉆頭和自進式錨桿和釬尾等。②錨桿應與孔位位置采取對準設計，臺車要提前通水然后采取旋轉的方式實施鉆進。在破碎巖開展鉆進作業期間，由于鉆頭水孔易出現堵塞現象，所以需要采取慢速度展開鉆進作業，防止水孔堵塞情況的發生，一直達到設計深度標準。③自鉆式錨桿鉆滿足設計深度規定后，錨桿臺車將實施自動卸桿，當完全脫離桿體尾部和釬尾，再進入到自進式錨桿打設階段。④將排氣管在止漿塞排氣孔處穿過，要注意盡可能在錨桿孔內深入排氣管，再利用錨桿外露處，選擇鋼管打入封孔展開注漿作業。

6.2.4 人員配備

使用錨桿臺車進行自進式錨桿施工，兩個鉆臂操作區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缺點

7.1 使用效果及優點

7.1.1 節約勞力

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。根據施工經驗，德勝隧道小里程130 m?斷面至少配備4把YT28型風槍，每把風槍配備人員兩名，共計8人。在操作人員方面，錨桿臺車比YT28型風槍明顯節約了勞動力。

7.1.2 施工速度

由于YT28型風槍正常工作最大打設長度為8 m，暫以打設8 m自進式錨桿與錨桿臺車做對比分析。

錨桿臺車單臂打設一根8 m自進式錨桿用時11.4 min，YT28型風槍打設一根8 m自進式錨桿用時35 min。每延米自進式錨桿24.5根，錨桿臺車總用時139.65 min，按照4臺鉆機同時工作，每延米用時214.375 min。僅從施工時間上，錨桿臺車比YT28型風槍節約時間74.725 min，類推打設10 m時至少節約用時93.406 min。

7.1.3 勞動強度

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器。YT28型風槍需工人手持風槍進行鉆進，卸桿時需兩名工人用兩個管鉗同時工作。錨桿臺車的應用大大降低了工人的勞動強度。

7.1.4 施工空間

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

7.2 缺點和不足

7.2.1 施工用水量大

錨桿臺車在施工中較YT28型風槍用水量大，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自進式錨桿的速度。

8 錨桿臺車投入使用的經濟效益分析

德勝隧道里程為D5K231+960-D5K232+200，共計240 m，工期15個月。該段采用相同的支護參數。

提前兩個月完工，節約人工費用250 000×2=500 000元；節約5人，施工15個月費用為552 075元。

輔助系統費用空壓機、風機設備費用10 000元；空壓機電費214.375 min/60×132kW×1.0×240 m=113 190元；錨桿臺車電費139.65 min/60×55 kW×1.0×240 m=30 723元；風機電費45 kW×1.0×24 h×30d×2=64 800元。

管理費用971 000×2×0.2=388 400元。

反坡排水費用21 000×30×2=1 260 000元。

累計直接經濟效益2 857 742元。

9 施工總結

具體有以下2點：①錨桿鉆機適應隧道斷面對于小于6m×6m可能會因為操作空間不足造成該機械無法正常發揮作用。②錨桿臺車對操作人員操作水平要求高，操作人員必須經過培訓，熟練后才能上崗。誤操作、魯莽操作會嚴重影響該機械的正常使用。

10 結束語

在實際施工過程中，錨桿長度設計過長會導致施工困難，錨桿施工質量也將難以保證。通過錨桿臺車在軟巖大變形長錨桿施工中的應用，調節錨桿長度，應用效果更為顯著，不僅能確保施工的安全進行，還可以提升施工質量。

參考文獻

[1] 資曉魚，申玉生，朱雙燕，等.層狀千枚巖隧道形變破壞規律與支護措施研究[J].現代隧道技術，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技術[J].鐵道建筑技術，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及變形控制基準研究[J].鐵道學報，2022，44（3）：86-104.