锚杆台车在软岩大变形长锚杆施工中的应用.pdf

Intelligent Building and Construction Machinery智能建筑与工程机械2024年 3月Mar.2024第6卷 第3期Vol.6 No.31工程地质概况新建成都至兰州铁路德胜隧道位于成兰铁路成都至川主寺(黄胜关)段镇江关至松潘区间。隧道处于岷江左岸，距岷江 0.5 3.5 km，与 G213 道路并行而进，为傍山隧道。洞身下穿多条横向支沟，地形起伏大，穿越最高峰 3 420 m，相对高差大于 500 m。本隧为单线隧道，是我国在建铁路项目中最长的单洞合修山岭隧道。德胜隧道洞身穿越 9 个背斜、8 个向斜和 1 个冲断层，具有“四极、三高、五复杂”的典型地质特征。受活动断裂、区域构造、碎裂软岩、软硬不均、高地应力、松散应力、富水等多种不良地质因素组合的作用，地质条件极其复杂，复合型大断面大变形问题极为突出。施工难度被国内专家定义为“国内外罕见”，安全风险极高。标段全长 11 801.4 m(D6K224+472-D6K236+390)，标段大变形段落全长 4 642 m，大变形发生比例高达 39.3%。德 胜 隧 道 最 大 埋 深720 m，施 工 图 阶 段，在D5K228+085进行地应力测试，最大水平主应力为18 MPa左右，最小水平主应力 10 MPa 左右，估算的垂向应力约为 12 MPa，水平应力占绝对优势。施工阶段，在D5K231+397 开展地应力测试，最大水平主应力测试为25.8 MPa 左右。围岩岩性主要以炭质千枚岩、炭质千枚岩夹板岩为主，围岩强度低，且遇水易软化、自稳能力极差，松动圈范围大，在 D6K235+350 附近进行松动圈测试,松动圈范围达 12 15 m。收稿日期：2023-11-18作者简介：宋斌（1980），男，山东临沂人，本科，高级工程师，研究方向：物资设备管理。锚杆台车在软岩大变形长锚杆施工中的应用宋 斌（中铁十六局集团第二工程有限公司，山东 临沂 300162）摘 要：锚杆属于极为普遍的一种支护方式，其经济性强，取得的支护效果也较为显著，可在各种地质环境中运用，基于其各种优点使其得到了广泛应用。但由于锚杆属于主动支护，又具有一定的柔性，因而锚杆（尤其是长锚杆）在高地应力软岩大变形隧道中的应用更加频繁。鉴于此，深入探讨锚杆台车在软岩大变形长锚杆施工中的应用，通过总结锚杆台车在锚杆施工中的应用优势及不足，为类似工程提供参考借鉴。关键词：锚杆台车；软岩大变形；长锚杆；施工；应用中图分类号：U455文献标识码：A文章编号：2096-6903(2024)03-0046-032锚杆选型在大变形破碎岩体中锚杆的支护作用是明显的,它不仅能够有效控制隧道在开挖后的变形,还能够有效抑制塑性区的不断发展,防止隧道产生过大变形而出现大面积的坍塌。首先，软弱围岩、断层破碎带明显加大了钻孔坍塌的可能性，尤其像施作 10m 长的锚杆，对于锚杆孔的通畅程度更是难以确保。其次，现阶段通常将柔性钻杆作为隧道锚杆施做的钻杆，锚杆的刚度大于钻杆，使得锚杆孔顺直性难以保障，这在一定程度上给向锚杆孔送锚杆带来困难。最后，选择锚杆施工长度为10 m，第一根为 4 m，第二根 4 m，第三根 2 m。锚杆台车在软岩大变形长锚杆施工中的应用如图 1 所示。3自进式锚杆原理自钻式锚杆为中空类型，杆体具有多种优势，可兼做钻杆、锚杆和输浆管，浆液能够直接从杆体钻头处流出，使锚杆周边孔隙得到填充。基于一定压力下，浆液可渗透至锚杆孔周围裂隙中，大大增强了围岩的稳定性、可靠性。在实际应用期间，通过连接套，将合金钻头螺旋形锚杆体与施做机具上的螺旋型钎杆连工程机械与智控图 1 锚杆台车在软岩大变形长锚杆施工中的应用2024年 第3期 47 接起来，通过施做机具的带动，螺旋形的锚杆体进行回转冲击钻进作业，并结合设计需求通过连接套加长锚杆1。4自进式锚杆的结构及性能4.1 自进式锚杆的结构4.1.1合金钻头合金钻头具有较强穿透力，可使锚杆能穿过各类岩石。4.1.2连接套使锚杆能边钻进边加长至设计的深度，适用于较狭小空间的施工，实现了长锚杆在小空间内施做的可能。4.1.3止浆塞止浆塞上钻有排气孔，做排气之用，另外止浆塞能使注浆保持一定的压力以充分填充围岩空隙。4.1.4拱形垫板能承受更大的围岩应力。德胜隧道设置20 cm20 cm厚度为 1 cm 的垫板，以增强锚杆对围岩的约束能力。4.1.5螺母能将围岩应力集中传递到垫板上。高强度的垫板、螺母可以将深层围岩应力均匀地传递到洞壁围岩上，达到围岩与锚杆互为支护的目的。4.1.6堵浆塞能防止锚杆内孔跑浆。4.2 锚杆的性能德胜隧道使用的 GM32 的自进式锚杆性能参数为，型号 GM32，公称直径 32 mm，抗拉强度大于450 MPa，壁厚 6 mm，螺距 12.7 mm，螺旋方向左旋。5锚杆施工设备的选择5.1 自进式锚杆施做的设备自进式锚杆施作的设备包括 SYB-70/4 型号的双液变量注浆泵，YT28 型号的天水 YT28 风枪以及履带式的隧道锚杆台车。5.2 隧道锚杆台车的选择5.2.1 YT28 风枪的局限性为了防止斜井出现变形现象，德胜隧道施工期间，可选择自进式锚杆作为初期支护方式，并设置长度为 8 m。对于小里程自进式锚杆作业，任何一种方案加 2 m 锚杆都能够达到标准。但经过实践试验表明，利用 YT28 型风枪进行自进式锚杆进行打设，长度为 8 m，接长可达到 10 m，但依然会存在旋转无法有效钻入的现象。故而，从打设方面而言，采用 YT28 型风枪打设 8 m 及以下长度具备一定可行性，如果要超出此标准，那么不仅时间较长，成本率也相对较低2。根据 2 m 自行式锚杆的施工方案，在施工期间，应设置杆长为 2 m。此过程中，气腿与气枪头部应保持1.2 m 的垂直距离，即 YT28 型气枪需要在 3.2 m 的空间内展开作业。由于垂直于初始支面打设具有较大难度，故而在打设自进式锚杆过程中，采取适宜的机具至关重要，隧道上台阶示意图如图 2 所示。5.2.2隧道锚杆台车的适用性德胜隧道围岩情况在一定程度上反应了围岩的情况，根据已开挖段落揭示，证实了这一点。因此，锚杆台车进场后，为不耽误施工，首先就打设能力对应段落进行试验。实验结果见表 1。实际 12 m 以后发现成功率在 40%以下，因此试验以打设 12 m 为统计标准。根据实验结果分析，打设12 m 实在平均在 26.8 min，而打设 10 m 平均时间在15.4 min。6锚杆台车施工自进式锚杆6.1 锚杆台车外观锚杆台车外观如图 3 所示。6.2 自进式锚杆施工6.2.1孔位选择在初期支护混凝土上按设计要求的纵向和环向间距标记自进式锚杆的孔位。6.2.2钻进前检查使用前，应检查钻头、钻杆是否通气，如有堵塞应处理通畅后方可使用。图 2 隧道上台阶示意图表 1 锚杆钻机打设锚杆长度及用时 min组别第 1 根第 2 根第 3 根第 4 根第 5 根总计1446 8 8302666 8 103634 6 6 4 8 284646863054486 8 30 宋 斌：锚杆台车在软岩大变形长锚杆施工中的应用智能建筑与工程机械 48 第6卷图 3 锚杆台车外观6.2.3钻进具体措施如下：连接钻头和自进式锚杆和钎尾等。锚杆应与孔位位置采取对准设计，台车要提前通水然后采取旋转的方式实施钻进。在破碎岩开展钻进作业期间，由于钻头水孔易出现堵塞现象，所以需要采取慢速度展开钻进作业，防止水孔堵塞情况的发生，一直达到设计深度标准。自钻式锚杆钻满足设计深度规定后，锚杆台车将实施自动卸杆，当完全脱离杆体尾部和钎尾，再进入到自进式锚杆打设阶段。将排气管在止浆塞排气孔处穿过，要注意尽可能在锚杆孔内深入排气管，再利用锚杆外露处，选择钢管打入封孔展开注浆作业。6.2.4人员配备使用锚杆台车进行自进式锚杆施工，两个钻臂操作区域与递送钻杆处都需要配备人员。7锚杆台车的施工效果及优缺点7.1 使用效果及优点7.1.1节约劳力在人员配备上，锚杆台车左右钻臂需分别配备 1 名操作工，另需配备钻臂的操作工递送钻杆，该人兼做锚杆台车驾驶员，共需 3 人。根据施工经验，德胜隧道小里程 130 m 断面至少配备 4 把 YT28 型风枪，每把风枪配备人员两名，共计 8 人。在操作人员方面，锚杆台车比 YT28 型风枪明显节约了劳动力。7.1.2施工速度由于 YT28 型风枪正常工作最大打设长度为 8 m，暂以打设 8 m 自进式锚杆与锚杆台车做对比分析。锚杆台车单臂打设一根 8 m 自进式锚杆用时11.4 min，YT28 型风枪打设一根 8 m 自进式锚杆用时 35 min。每延米自进式锚杆 24.5 根，锚杆台车总用时 139.65 min，按照 4 台钻机同时工作，每延米用时214.375 min。仅从施工时间上，锚杆台车比 YT28 型风枪节约时间 74.725 min，类推打设 10 m 时至少节约用时93.406 min。7.1.3劳动强度锚杆台车自带卸杆装置，人工只需将钻杆摆放在钻臂上以及使用操作台操作机器。YT28 型风枪需工人手持风枪进行钻进，卸杆时需两名工人用两个管钳同时工作。锚杆台车的应用大大降低了工人的劳动强度。7.1.4施工空间在施工空间方面，锚杆台车左右臂可根据需要升降和旋转以满足锚杆的打设角度和位置。对于高度较高的锚杆，YT28 型风枪需借助台架等工具才能完成锚杆的打设3。7.2 缺点和不足7.2.1施工用水量大锚杆台车在施工中较 YT28 型风枪用水量大，容易造成掌子面积水。施工中要注意做好掌子面的排水工作。7.2.2要求工人水平高锚杆台车对工人操作技能要求较高，尤其是钻臂操作工。钻臂操作工的熟练程度直接影响锚杆台车打设自进式锚杆的速度。8锚杆台车投入使用的经济效益分析德胜隧道里程为 D5K231+960-D5K232+200，共计 240 m，工期 15 个月。该段采用相同的支护参数。提前两个月完工，节约人工费用 250 0002=500 000元；节约 5 人，施工 15 个月费用为 552 075 元。辅助系统费用空压机、风机设备费用10 000元；空压机电费214.375 min/60132kW1.0240 m=113 190元；锚杆台车电费139.65 min/6055 kW1.0240 m=30 723元；风机电费45 kW1.024 h30d2=64 800 元。管理费用 971 00020.2=388 400 元。反坡排水费用 21 000302=1 260 000 元。累计直接经济效益 2 857 742 元。9施工总结具体有以下 2 点：锚杆钻机适应隧道断面对于小于 6m6m 可能会因为操作空间不足造成该机械无法正常发挥作用。锚杆台车对操作人员操作水平要求高，操作人员必须经过培训，熟练后才能上岗。误操作、鲁莽操作会严重影响该机械的正常使用。10结束语在实际施工过程中，锚杆长度设计过长会导致施工困难，锚杆施工质量也将难以保证。通过锚杆台车在软岩大变形长锚杆施工中的应用，调节锚杆长度，应用效果更为显著，不仅能确保施工的安全进行，还可以提升施工质量。参考文献1 资晓鱼,申玉生,朱双燕,等.层状千枚岩隧道形变破坏规律与支护措施研究J.现代隧道技术,2021,58(3):196-204.2 刘文玲.活动断裂带软岩大变形隧道开挖支护技术J.铁道建筑技术,2022(3):154-159.3 郭小龙,谭忠盛,喻渝.成兰铁路软岩隧道大变形控制技术及变形控制基准研究J.铁道学报,2022,44(3):86-104.