台车式钻机在木寨岭隧道长锚杆施工中的应用

2020-07-20杨铁轮马振旺宋梦阳

四川建筑 2020年2期

杨铁轮，马振旺，宋梦阳

(1.甘肃长达路业有限责任公司，甘肃兰州 730030；2.西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室，四川成都 610031)

纵观国内各大软弱围岩大变形隧道的建设历史，锚杆，尤以长锚杆，被用作核心支护措施之一，如家竹青隧道、木寨岭铁路隧道和跃龙门隧道等，在大变形段均采用了8～10 m的长锚杆[1-3]作为主要支护措施之一。基于新奥法的设计施工理念，即充分发挥围岩的自承能力，锚杆作为初期支护体系中唯一可实现主动支护的支护措施，其可显著改善锚固区围岩峰后力学特性和应力状态，可见其在隧道支护中发挥着不可或缺作用。

对于地质条件差，围岩自支护能力弱，开挖掌子面的自稳时间短的隧道，为避免开挖后发生过大变形或崩塌，施工过程强调“快”，尽量缩减单项作业时间[4]。而于软岩大变形隧道中的锚杆支护而言，其施工质量和速度则主要取决于施工机具和工艺。

现今，国内大多数隧道仍采用手持式钻机进行钻孔，如桃树坪隧道采用的YG-80液压钻机[5]，康家台隧道采用的XY-28-300电动钻机钻孔[6]，那马隧道采用的MGJ-500钻机[7]。然对于软岩大变形隧道中的长锚杆施工，上述机械设备普遍存在施工功效低的问题。已有极少部分软岩大变形隧道积极采用台车式钻机进行长锚杆的施工，如郑万铁路采用的三臂凿岩台车钻孔[8]，青岛胶州湾海底隧道采用的三臂凿岩台车钻孔[9]，但类似的工程依旧较少，且未总结提出相应的功效参数，对实现推广台车式钻机在锚杆施工中的应用支撑不够。为此，以木寨岭公路隧道大变形段为工程背景，选用台车式钻机进行现场钻孔试验，对其适用性及成孔效率开展研究，以期最终实现基于(大功率)台车式钻机应用的长锚杆快速施工。

1 工程概况

木寨岭公路隧道是渭(源)武(都)高速公路上的控制性工程，隧道为穿越漳河与洮河的分水岭木寨岭而设，横跨漳县、岷县两县。隧隧址区海拔较高，山势陡峻，隧道采用分离式设计，其中左线进口里程ZK225+856，出口里程ZK225+856，全长15 231 m；右线进口里程K210+635，出口里程K225+798，全长15 173 m；洞身最大埋深629.1 m；隧址区岩性以炭质板岩为主，其强度低，性状松散软弱，占全隧46.5 %以上，发生大变形地段为炭质板岩、板岩及断层岩(图1)。隧址区内的最大主应力为水平构造应力，方向N34 °E，现场测得的最大水平主应力达24.95 MPa。斜井断面支护形式同主洞相同，在前期斜井施工期间，部分地段隧道变形位移值多达800～1 000 mm或以上，根据目前斜井的施工反馈情况，隧道变形呈现量大、变形时间长且不对称，严重影响施工工期。

图1 木寨岭公路隧道地质纵断面(右线)

2 台车式钻机特点

由于现场使用的手持式锚杆钻机仅适用于短锚杆钻孔，对10 m左右的长锚杆，耗时普遍较长，且极易出现卡钻、掉钻等现象。故选用大功率台车式四川钻神ZSL-120C-D全液压履带式工程钻机(图2)。ZSL-120C-D多功能履带钻机(四川钻神)可无循环液螺旋推进；钻杆拆卸夹持器节约了劳动成本；柱塞变量泵和负载反馈系统具有功率保护和压力切断的功能，在有效适应各执行部件总流量需求的情况下，实现不同工况下的功率优秀匹配，大限度的实现节能；其钻臂可伸缩，可相对平行于断面进行多角度、多方位的钻孔定位，水平高举达4.5 m，满足高工作面作业；爬坡能力不大于15°，全机运动结构采用运动仿真机构设计，该钻机参数如表1所示。

图2 四川钻神ZSL-120D-C全液压履带式工程钻机

表1 钻神ZSL-120C-D参数

3 台车式钻机适用性分析

3.1 适用范围

主要应用于电站、公路及铁路山体边坡治理锚索加固、隧道管棚超前支护、基坑斜拉桩锚索、抗浮锚杆、地源热泵井、路基加固、水电工程大坝基础及坝身防渗处理、排水孔、矿山及采石场爆破孔、微型桩孔等工程，特别适合在漂、卵、砾石地层及破碎强风化岩覆盖地层中的深孔跟管钻进，尤其能够体现它高效、优质的性能，能达到快速钻穿复杂地层的目的。

3.2 地质条件影响

本工程地层岩性属于中风化炭质板岩，此类岩石具有微膨胀性，遇水后强度迅速衰减。隧址区开挖段地下水较少，局部会有淋水，均属岩层裂隙水与孔隙水，低洼处积水配有排水设施，故隧道底板围岩较为完整，无严重软化现象，台车式钻机为履带式前进，地面倾角很小，行动基本不受限制。软弱裂隙较为发育，钻车作业时有掉块风险，故施作锚杆作业前需进行挂网支护，另外隧道边墙处围岩节理有一定倾角，钻进阻力较大，锚杆钻头易于磨损，折旧率较高，需注意卡钻情况发生。

3.3 施工方法影响

该台车式钻机适用的工作范围大致在：高度H≥2.5 m，宽度B≥6.0 m。木寨岭公路隧道为双车道断面设计形式，隧道的开挖形式为三台阶开挖，断面面积为126.1 m2，宽度13.4 m，钻车充分展开后，工作范围可达长6.4 m，高4.5 m，鉴于上台阶开挖后作业空间狭小，台阶高度较高，不适于台车式钻机上下移动，故上台阶的锚杆支护仍需手持式钻机完成，中下台阶空间较大，底板平缓，完全可以适用两台台车式钻机自由移动作业。故选择台车式钻机需要开挖工序简单，作业空间大，如全断面、二台阶和三台阶施工方案均可台式钻机支护作业；而工序较为复杂的施工方法，如：三台阶七步法、CD法、CRD法则存在一定安全隐患，作业空间狭小，台车式钻机活动不便，且钻机反复碾压临时支护对整个临时和初期支护结构的稳定性产生破坏作用，存在严重安全隐患[10]。

4 ZSL-120D-C型四川钻神现场应用

4.1 钻杆钻孔试验分析

木寨岭隧道2#斜井里程K1+728～K1+729，炭质板岩，岩体破碎，拱顶最大沉降达341mm，于右边墙部位(图3)，采用传统的锚杆安装工艺，即通过钎杆安装于ZSL-120D-C型钻机上钻孔(图4)，钻至设定深度后抽出钎杆，并将锚杆送入孔内。现场采用该工艺共进行2次试验。

图3 K1+728～729右边墙围岩

图4 现场钻孔

现场试验例1，在斜井里程K1+728处的右边墙，采用φ46 mm钻头，打孔至6～7 m时，钎杆卡住无法退出钻杆，导致打孔失败。

现场试验例2，在斜井里程K1+729处的右边墙，采用φ46 mm钻头，成功钻孔至6 m深度，但埋设6 m长、φ32 mm锚杆时，塌孔严重，无法人工塞入，需采用锤击方可成功埋入。

现场钻孔试验表明，通过钎杆钻孔，退杆后再安装锚杆的施工工艺在挤压型大变形软岩隧道中适用性较差，极易出现钻进慢、塌孔、孔径缩小和卡钻等现象。

4.2 自进式锚杆施工分析

为解决上述问题，采用自进式锚杆进行试验，于里程K1+739附近右边墙施打φ32、10 m长自进式锚杆2根，其中每根10 m长锚杆由5根2 m短锚杆通过连接套连接而成，图5为所用锚杆与钻头。具体施工流程为：台车式钻机就位→确定钻孔→调整角度→安装第一根自进式锚杆(端部安装钻头，尾部安装于钻机上)→钻孔→钻机与锚杆尾部分离→连接套安装第二根锚杆→…→安装第五根锚杆→安装垫板和螺母→注浆。每段锚杆的具体施工功效(包含锚杆接长加连接套时间)如图6所示。

(a)钻头

(a)1号自进式锚杆

由图6自进式锚杆施工功效柱状折线图可见，施工1号自进式锚杆初期，加连接套接长锚杆所耗时间与钻进时间相近，锚杆钻进耗时在2.5～3.5 min范围内，钻进和加连接套的时间每根平均耗时4.5 min，总耗时22.6 min。施工2号自进式锚杆时，加连接套接长锚杆的时间缩短，稳定在1 min左右，钻进和加连接套的时间每根平均耗时4.3 min，总耗时21.5 min。

综合表明，采用大功率液压旋转式台车钻机配以自进式施工工艺，可实现长锚杆快速施工，且施工功效明显优于单体钻机，同时钻进过程平稳，稳定性佳。