隧道鎖腳錨管預注漿臺架設計與應用

劉章寶、顏維貴

（1.甘肅路橋公路投資有限公司，甘肅 蘭州 730030；2.中鐵十四局集團第三工程有限公司，山東 濟南 250300）

0 引言

隨著《國家綜合立體交通網規劃綱要》印發、交通強國建設步伐加快，對我國西部地區交通運輸高質量發展提出了更高要求，西部地區高速公路建設速度、規模即將跑出新的“加速度”。黃土隧道施工難度大，主要體現在圍巖整體性差、松散，開挖易受擾動，遇水易失穩、沉降，超欠挖、鋼拱架沉降、仰拱基底虛渣、滲水等質量通病防治難度較大，各類錨管無法注漿，滲水引排困難且極易引起沉降，由于開挖擾動導致初支鋼拱架安裝難度大，危險系數高，要求工人快速、精準、牢固完成鋼拱架安裝。隧道鎖腳錨管是隧道初支施工過程中在拱部和邊墻施工作業的一種錨頭端與鋼拱架牢固焊接，并按力學平衡設計的一種具有一定長度、直徑、傾斜角和數量的預注漿錨管，其剛度越大，提供的承載力越大[1]。由于黃土質地密實，空隙較小，全長黏結性錨桿無法施作，同時，為了不減弱錨桿支撐力和剛度，設計采用了預注漿錨管[2]。

公路黃土隧道臺階法施工過程中，由于圍巖受機械開挖擾動，原有穩定性被破壞，不同程度松弛變形，導致初支鋼拱架承受的圍巖壓力增大，未成環階段整體不穩定性增加，節段安裝過程安全隱患增大，鎖腳錨管通過支承作用將初期支護和圍巖聯結成整體[3]，有效改善了支護效果，增加了臺階段初支的穩定性和作業環境的安全性。同時，為了鋼拱架安裝方便，拱腳處于懸空狀態，采用臨時墊塊支撐后仍不密實，致使初支結構由無鉸拱轉變為懸臂梁結構，降低了承載力，易引發初支沉降和收斂變形，鎖腳錨管的應用將鋼拱架承受的松動層圍巖壓力傳遞給更穩定的深層圍巖[4]，加固了圍巖，增加了圍巖的穩定性。

1 工程概況

以S36 臨康廣高速公路建設項目象山隧道為例說明，象山隧道穿越黃土山梁，山梁周圍溝道較發育，兩個淺埋段沖溝都有常流地表水，地下水主要為黃土裂隙孔隙水、松散巖類孔隙潛水和碎屑巖類裂隙層間水，泥巖段為貧水區，中下更新統圓礫分布區為貧水區～弱富水區，斷層帶為中等富水區；隧道圍巖類型主要為上更新統風積黃土、沖積粉質黏土，中下更新統沖湖積粉質黏土、圓礫，下更新統沖積鈣質膠結圓礫，基巖為新近系上新統臨夏組泥巖，圍巖級別Ⅴ級。在自重應力的作用下圍巖強度應力比較小，主要表現為軟巖局部的收斂變形、拱頂掉塊和側壁膨脹等；開挖過程中易出現洞壁巖體位移，成洞性差，基坑有隆起現象。

設計鎖腳錨管L＝4.0m，φ＝42mm，前端縮尖15cm，以30～45°夾角斜向下打入圍巖，以控制拱腳沉降；左、右拱腳部位鎖腳錨管設置在距離鋼拱架底端0.4～0.6m 處，采用兩個φ22U 型圓鋼包裹并與鋼架堆焊為一體，采用預注砂漿方式增大錨管剛度，施工過程中要求預注砂漿飽滿、密實。

2 鎖腳錨管預注漿臺架設計及應用

鎖腳錨管傳統注漿方式采用人工自流式灌注法，面對小管徑長錨管，無法振動，孔內漿體中易出現空氣包、空隙，導致注漿不密實，錨管剛度不能保證；同時，人力消耗多，工效慢，占用場地多，材料浪費大，經濟效益低下，易污染環境。

S36 臨康廣項目根據鎖腳錨管設計指標及預注砂漿要求，優化工藝工法，創新設計研發了半自動化固定臺架，集中批量進行鎖腳錨管預注漿生產，該臺架操作簡易，安全可靠，加工效率高，節省人力，預注砂漿飽滿、密實，滿足設計對質量的要求。

2.1 臺架結構設計

該臺架為自帶鋼斜扶梯且具備自動灌漿與振動密實功能的懸空操作平臺，如圖1所示。該作業平臺占地面積小，包括半成品空管轉運、成品錨管存放，僅需100m2即可；作業中僅需3 名工人就能完成全過程操作，如果需求量大，該平臺也可設置于室內，24h 不間斷流水加工作業；工人操作的安全系數高，平臺不僅設置有護欄，還加設了安全繩可伸縮的防墜器，既可防止高空墜落，又可避免安全繩絆腳；單次可完成20 根錨管注漿作業，加工效率高，自動注漿，全程振動，實現了批量半自動生產[5]。

圖1 大樣圖

2.1.1 支撐架

支撐架由4 根φ60 無縫鋼管組成，底端帶0.3m×0.2m×0.01m 鋼板預埋于3.0m×2.5m×0.3m 的C20混凝土基座中，鋼板自帶地腳錨栓，支撐架桿各自帶一根輔助支腿，夾角30°，頂部固定安裝有操作臺。經過抗傾覆驗算得出，支撐架和混凝土基座完全能滿足作業過程中整個平臺的穩定性、牢固性要求。

2.1.2 操作臺

操作臺固定安裝于支撐架頂部，離地面高度h＝3.0m，長a＝2.0m，寬b＝1.5m，平臺底板由φ20 鋼筋網加鋪防滑橡膠板構成，外側固定安裝1.2m 防護欄桿，由φ42 無縫鋼管制作，立桿間距50cm，上橫桿高1.2m，下橫桿高0.6m，下設0.18m 擋腳板，可以對工作人員在操作臺作業時提供防護。該平臺頂板面積為3m2，完全滿足1 名工人作業需求，牢固、密集的護欄保證了作業安全，橡膠地板既防滑又耐腐蝕和便于清洗，擋腳板可防止高空落物。

2.1.3 鋼斜扶梯

基座頂部的一側固定安裝有鋼斜扶梯，扶梯頂端與操作臺邊緣固定，扶梯自帶0.9m 高延長扶手，便于工人往返操作臺和地面之間，能起到有效的保護作用，延長扶手的設計能保證操作臺護欄及扶梯扶手的全閉環，形成全封閉操作，充分保證工人的安全。

2.1.4 防墜器

防護欄桿后側固定安裝安全桿，安全桿外壁安裝有滑套，滑套可以在安全桿外壁左右滑動，滑套通過卡環連接防墜器，其輸出端配有可伸縮的連接繩，連接繩可與操作臺上的作業人員進行連接，進而保護工作人員在操作臺作業時避免發生墜落事故。該防墜器可自動伸縮連接繩利用了汽車安全帶原理，當連接繩快速輸出時（即發生工人墜落時），卡輪被離心力帶出，迅速將安全繩鎖死，防止快速下墜，正常工作時可順暢輸出而不會有多余連接繩致使工人絆腳失穩，如圖2所示。

圖2 防墜器

2.1.5 振動加固器

操作臺防護欄桿前側預留1.0m 開口，活動安裝兩組安裝套，由定位軸固定在防護欄桿立柱上，安裝套之間固定安裝加固桿，加固桿背部等距離設置20 組定位槽，外側鋼管自帶手動鎖扣；通過加固桿背部的定位槽及外側鎖扣可以對倚靠在操作臺前側的鎖腳錨管進行壓緊固定，從而增加工作人員對鎖腳錨管注漿作業時的穩定性；弧形定位槽能有效增加加固桿和錨管的接觸面積，從而增加錨管傾斜倚靠時的穩定性，外側鎖扣可手動完成緊鎖，防止錨管傾覆失穩，能有效保證地面作業工人的安全，如圖3所示。

圖3 振動加固器

2.1.6 注漿槽

振動加固器兩側安裝可拆卸式多孔口注漿槽支架，注漿槽凈寬0.3m、凈高0.3m、長1.1m，底部設置20 個φ25 注漿孔，短邊一側安裝導漿接口，自帶控制球閥，底部各注漿孔設置同軸閥門，便于統一開關。該注漿槽為可拆卸式組裝件，便于凝固漿液清理和各類閥門清洗。

2.1.7 支撐振動板

支撐振動板放置在基座前側，平面尺寸為1.6m×1.0m，底部兩側固定安裝有支撐彈簧，支撐彈簧安裝在放置板上，放置板底部安裝有兩組支撐管；通過支撐彈簧可以對支撐板進行彈性支撐，滾筒式支撐板底部的中央位置固定安裝有振動電機，振動電機與支撐彈簧配合，可以對支撐板與鎖腳錨管進行振動作業，進而加速漿液流動，同時避免出現孔內空隙，提高注漿密實度；支撐振動板頂部固定安裝有防滑槽，長1.0m、寬0.05m、深0.15m，防滑槽兩側固定安裝有定位板，防滑槽和定位板配合可以對鎖腳錨管底部的縮尖部支撐定位，增加對鎖腳錨管振動時的穩固性；支撐振動板是該平臺的核心構件，既能有效提高注漿效率，又能充分保證注漿密實度，如圖4所示。

圖4 支撐振動板

2.2 輔助設備

輔助設備有砂漿儲備攪拌桶和輸送泵。

2.3 操作流程

由2 名工人配合安裝已縮尖處理的空芯錨管，確保注漿孔插入錨管內，縮尖部伸入支撐振動板防滑槽內，單層整齊排列；操作臺上1 名工人在防墜器連接繩的保護下進行操作，依次關閉振動加固器外側鎖扣，同步引導開啟砂漿輸送泵、注漿槽球閥及支撐振動板振搗器，2min 后依次關閉輸送泵、球閥，振搗器續振1min 后關閉，槽內剩余砂漿進行二次補助，然后由地面工人轉運已注漿錨管。

3 工效評價及經濟效益

該預注漿臺架僅需3 人配合作業，單批次可完成20 根鎖腳錨管預注漿作業，注漿時間（包含振搗自密實、二次補注漿時間）為5min，每小時可完成3 批次、60 根錨管注漿作業，日加工預注漿鎖腳錨管可達400根以上；采用傳統方法，3 名工人每天僅能完成200 根鎖腳錨管預注漿作業，使用該臺架工效提高1 倍，工期縮短一半，人力成本節省近一半；以4000 根鎖腳錨管為例具體說明，見表1。

表1 傳統工藝與臺架工藝對比分析

S36 臨康廣項目各隧道均采用該型號臺架進行鎖腳錨管預注漿作業，已完成31.96 萬根、127.84 萬延米，經抽樣破損檢測密實度合格率100%，如圖5所示。事實證明，利用該臺架預注漿密實，鎖腳錨管質量有保證，同時節省人力、縮短工期、降低成本、作業更加環保。

圖5 臺架注漿錨管破檢斷面

4 結語

近年來，“一帶一路”倡議持續深入推進，西部地區高速公路進入快速建設階段，復雜地質水文隧道越來越多，隨著社會勞務人力減少、勞務成本和作業素養需求越來越高，標準化、精細化、機械化、自動化、綠色環保作業是發展趨勢。S36 臨康廣高速公路建設項目設計、研發、應用的隧道鎖腳錨管預注漿臺架創新了作業工藝，提高了作業質量和安全性，取得了明顯的社會與經濟效益，為后續隧道鎖腳錨管預注漿作業提供了參考。在后續優化設計中將重點考慮成組轉運錨管套架，依靠小型叉車或小型轉載機實現錨管自動化轉運，進一步提高注漿工效，減少人力投入。