臺車式鉆機在木寨嶺隧道長錨桿施工中的應用

楊鐵輪，馬振旺，宋夢陽

(1.甘肅長達路業有限責任公司，甘肅蘭州 730030；2.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)

縱觀國內各大軟弱圍巖大變形隧道的建設歷史，錨桿，尤以長錨桿，被用作核心支護措施之一，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]作為主要支護措施之一。基于新奧法的設計施工理念，即充分發揮圍巖的自承能力，錨桿作為初期支護體系中唯一可實現主動支護的支護措施，其可顯著改善錨固區圍巖峰后力學特性和應力狀態，可見其在隧道支護中發揮著不可或缺作用。

對于地質條件差，圍巖自支護能力弱，開挖掌子面的自穩時間短的隧道，為避免開挖后發生過大變形或崩塌，施工過程強調“快”，盡量縮減單項作業時間[4]。而于軟巖大變形隧道中的錨桿支護而言，其施工質量和速度則主要取決于施工機具和工藝。

現今，國內大多數隧道仍采用手持式鉆機進行鉆孔，如桃樹坪隧道采用的YG-80液壓鉆機[5]，康家臺隧道采用的XY-28-300電動鉆機鉆孔[6]，那馬隧道采用的MGJ-500鉆機[7]。然對于軟巖大變形隧道中的長錨桿施工，上述機械設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進行長錨桿的施工，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，且未總結提出相應的功效參數，對實現推廣臺車式鉆機在錨桿施工中的應用支撐不夠。為此，以木寨嶺公路隧道大變形段為工程背景，選用臺車式鉆機進行現場鉆孔試驗，對其適用性及成孔效率開展研究，以期最終實現基于(大功率)臺車式鉆機應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，橫跨漳縣、岷縣兩縣。隧隧址區海拔較高，山勢陡峻，隧道采用分離式設計，其中左線進口里程ZK225+856，出口里程ZK225+856，全長15 231 m；右線進口里程K210+635，出口里程K225+798，全長15 173 m；洞身最大埋深629.1 m；隧址區巖性以炭質板巖為主，其強度低，性狀松散軟弱，占全隧46.5 %以上，發生大變形地段為炭質板巖、板巖及斷層巖(圖1)。隧址區內的最大主應力為水平構造應力，方向N34 °E，現場測得的最大水平主應力達24.95 MPa。斜井斷面支護形式同主洞相同，在前期斜井施工期間，部分地段隧道變形位移值多達800～1 000 mm或以上，根據目前斜井的施工反饋情況，隧道變形呈現量大、變形時間長且不對稱，嚴重影響施工工期。

圖1 木寨嶺公路隧道地質縱斷面(右線)

2 臺車式鉆機特點

由于現場使用的手持式錨桿鉆機僅適用于短錨桿鉆孔，對10 m左右的長錨桿，耗時普遍較長，且極易出現卡鉆、掉鉆等現象。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(圖2)。ZSL-120C-D多功能履帶鉆機(四川鉆神)可無循環液螺旋推進；鉆桿拆卸夾持器節約了勞動成本；柱塞變量泵和負載反饋系統具有功率保護和壓力切斷的功能，在有效適應各執行部件總流量需求的情況下，實現不同工況下的功率優秀匹配，大限度的實現節能；其鉆臂可伸縮，可相對平行于斷面進行多角度、多方位的鉆孔定位，水平高舉達4.5 m，滿足高工作面作業；爬坡能力不大于15°，全機運動結構采用運動仿真機構設計，該鉆機參數如表1所示。

圖2 四川鉆神ZSL-120D-C全液壓履帶式工程鉆機

表1 鉆神ZSL-120C-D參數

3 臺車式鉆機適用性分析

3.1 適用范圍

主要應用于電站、公路及鐵路山體邊坡治理錨索加固、隧道管棚超前支護、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、礫石地層及破碎強風化巖覆蓋地層中的深孔跟管鉆進，尤其能夠體現它高效、優質的性能，能達到快速鉆穿復雜地層的目的。

3.2 地質條件影響

本工程地層巖性屬于中風化炭質板巖，此類巖石具有微膨脹性，遇水后強度迅速衰減。隧址區開挖段地下水較少，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施，故隧道底板圍巖較為完整，無嚴重軟化現象，臺車式鉆機為履帶式前進，地面傾角很小，行動基本不受限制。軟弱裂隙較為發育，鉆車作業時有掉塊風險，故施作錨桿作業前需進行掛網支護，另外隧道邊墻處圍巖節理有一定傾角，鉆進阻力較大，錨桿鉆頭易于磨損，折舊率較高，需注意卡鉆情況發生。

3.3 施工方法影響

該臺車式鉆機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，工作范圍可達長6.4 m，高4.5 m，鑒于上臺階開挖后作業空間狹小，臺階高度較高，不適于臺車式鉆機上下移動，故上臺階的錨桿支護仍需手持式鉆機完成，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自由移動作業。故選擇臺車式鉆機需要開挖工序簡單，作業空間大，如全斷面、二臺階和三臺階施工方案均可臺式鉆機支護作業；而工序較為復雜的施工方法，如：三臺階七步法、CD法、CRD法則存在一定安全隱患，作業空間狹小，臺車式鉆機活動不便，且鉆機反復碾壓臨時支護對整個臨時和初期支護結構的穩定性產生破壞作用，存在嚴重安全隱患[10]。

4 ZSL-120D-C型四川鉆神現場應用

4.1 鉆桿鉆孔試驗分析

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

圖3 K1+728～729右邊墻圍巖

圖4 現場鉆孔

現場試驗例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，導致打孔失敗。

現場試驗例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6 m長、φ32 mm錨桿時，塌孔嚴重，無法人工塞入，需采用錘擊方可成功埋入。

現場鉆孔試驗表明，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，極易出現鉆進慢、塌孔、孔徑縮小和卡鉆等現象。

4.2 自進式錨桿施工分析

為解決上述問題，采用自進式錨桿進行試驗，于里程K1+739附近右邊墻施打φ32、10 m長自進式錨桿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：臺車式鉆機就位→確定鉆孔→調整角度→安裝第一根自進式錨桿(端部安裝鉆頭，尾部安裝于鉆機上)→鉆孔→鉆機與錨桿尾部分離→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號自進式錨桿

由圖6自進式錨桿施工功效柱狀折線圖可見，施工1號自進式錨桿初期，加連接套接長錨桿所耗時間與鉆進時間相近，錨桿鉆進耗時在2.5～3.5 min范圍內，鉆進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號自進式錨桿時，加連接套接長錨桿的時間縮短，穩定在1 min左右，鉆進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式臺車鉆機配以自進式施工工藝，可實現長錨桿快速施工，且施工功效明顯優于單體鉆機，同時鉆進過程平穩，穩定性佳。

5 結論

(1)臺車式鉆機作業空間為：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，極易出現卡鉆、塌孔、鉆進效率低下等問題。

(3)自進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+自進式錨桿”的施工方式，10 m長錨桿的施工功效可達23 min/10 m，且鉆進速度平穩。