隧道超前注浆小导管生产技术的应用与改进
2021-09-14王晓方曹云祥梁
王晓方曹云祥梁 恩
1. 云南省建设投资控股集团有限公司 云南 昆明 650501；2. 云南建投安装股份有限公司 云南 昆明 650032
传统超前注浆小导管的制作加工是在隧道口附近设置加工点，纯人工进行加工，工人劳动强度大、生产效率低、生产成本高、产品质量差。
近年来，国内外开发出了各种隧道超前注浆小导管制作加工专用设备，使得超前注浆小导管的制造效率及质量得到显著提高，但存在各类专用设备不集中，难以形成工厂化规模生产。
我公司在承担的香丽高速公路隧道的超前注浆小导管制作加工过程中，将不同功能的小导管制作专用设备进行合理集成组合，形成了超前注浆小导管工厂化规模生产工艺，但仍存在部分设备功能不够完善、故障多等问题，以致注浆小导管的加工制作难以实现顺畅的流水线生产。为此，通过在生产过程中对设备进行不断的技术改进、优化制作工序，形成了较完善的超前注浆小导管工厂化生产线和数字化生产工艺。经项目实施应用证明，本技术可靠和先进。
1 注浆小导管生产工艺及设备改进
1.1注浆小导管生产工艺的改进
1.1.1 传统的注浆小导管生产工艺
传统的注浆小导管制作加工方法是由隧道施工作业队在隧道口附近设置临时加工点，各制作工序采用纯人工的方式进行。小导管锥头采用氧乙炔焰切割后，由人工压制成形，成形后的质量及强度较差，严重影响注浆小导管在安装过程中的准确性以及贯入度。注浆小导管上的溢浆孔采用台钻制作，甚至采用气割的方式进行加工，导致溢浆孔的贯通率以及加工几何尺寸精度低，严重影响隧道的注浆质量以及工作效率[1-2]。
1.1.2 改进后的注浆小导管工厂化、数字化生产工艺
注浆小导管工厂化、数字化生产工艺是按照注浆小导管制作工序需要的设备进行划分的，根据划分出的设备类型进行分类，将近年来国内研发出来的各类专业生产机械、数控设备进行有序组合和合理集成后，形成具有一定自动化程度的生产作业线，实现注浆小导管的流水线生产，大幅提高了小导管生产效率和制作质量（图1）。
图1 注浆小导管制作加工设备的集成
1.2注浆小导管溢浆孔制作工艺的改进
1.2.1 原设备存在的不足
1）原溢浆孔的加工通常采用台钻或者热切割，需要投入较多的人员及设备，以每班生产200根为例，采用台钻制孔需要投入8台台钻、8名操作工，工作10 h才能完成，并且钻孔过程中操作人员须全程紧盯构件制孔，容易造成视觉疲劳，导致生产效率低下及出现漏钻现象，并存在较大的安全隐患。
2）原专业数控冲剪设备在冲剪过程中，因冲头摩擦产生的热量对冲头产生退火效应，极大地降低了冲头使用寿命，而且冲头退火后，硬度会下降甚至变形，影响溢浆孔的成形质量。
1.2.2 改进措施及效果
1）根据原设备存在的不足，经过技术人员研究后，对设备进行针对性改进。一是在原设备的基础上设定了冲头行程，确保每个溢浆孔在冲剪过程中，能完全穿透且不会出现漏钻的情况；二是在原设备上增加了冷却、润滑装置，利用皂化液对冲头进行物理降温及润滑，既降低了冲头反复做功产生的热量，又减小了摩擦热量，降低了冲头的退火效应，大幅提高了冲头使用寿命以及溢浆孔的成形质量[3-5]。
2）改进后的数控冲剪设备极大地降低了劳动力使用，注浆小导管制孔过程中仅需1名操作工人检查冲剪设备是否运行正常，另配备2名辅助工负责添加原材料和成品搬运即可，每班8 h可完成300～350根小导管的生产（图2）。
图2 采用台钻和数控冲剪设备制孔对比
1.3注浆小导管锥头制作工艺的改进
1.3.1 原设备存在的不足
1）原设备需由人工将构件端部推入和抽出加热线圈，且构件端部在加热过程中容易与加热线圈发生碰撞。加热线圈为薄壁紫铜管（内通冷却水），一旦发生碰撞会导致加热线圈损坏。
2）构件锥头在锥头成形机内热塑成形过程中，要承受模具的夹紧约束、旋转及尾部轴向推力的综合作用，如构件出现微弯，锥头成形后容易产生卡壳现象。
1.3.2 改进措施及效果
1）经过生产过程中的反复摸索，在加热线圈前设计了1套导向定位装置，增加导向定位装置后，操作人员在构件端进行加热作业时，可顺利地将构件从导向定位装置内推入和抽出加热线圈，有效避免了构件与加热线圈发生碰撞的情况，进而大大降低了加热线圈的损坏率和作业人员的操作难度（图3）。
图3 加热线圈前设计增加的导向定位装置
2）鉴于模具卡构件的现象，经过多次摸索改进，在模具内部增设了一段弹簧，当轴向推力作用于构件时，通过构件自身旋转后，弹簧给构件一个反向推力，能有效解决脱模卡壳的现象。
2 注浆小导生产工艺改进后实施效果对比
2.1注浆小导管生产效率方面对比
2.1.1 传统生产工艺难以满足隧道施工的进度要求
根据香丽高速项目指挥部的部署及各施工标段的需求计划，注浆小导管每天的需求量约为3 000根，采用传统模式的加工方法需投入的人员、设备及辅材数量更多，生产效率无法满足施工进度要求。
2.1.2 实现流水生产在很大程度上提高生产效率
采用传统制造工艺，一个作业班组每天最多加工制造超前注浆小导管120根左右。
采用经改进的集成专用设备工厂化集中制造工艺，一个作业班组每天可制作加工注浆小导管400根左右，生产效率为传统工艺的3倍多，而加工作业人员的投入较传统模式减少2/3。
2.1.3 对专业生产设备存在缺陷及生产工艺的改进使得流水线生产更加顺畅
通过对专业生产设备存在缺陷和生产工艺的不断改进，大幅降低了制孔冲头的损耗率和更换冲头占用的时间，高频感应圈的使用寿命得到大幅延长，并消除了锥头成形后的卡壳现象，使得注浆小导管的生产效率更高、生产工艺更成熟和完善。
2.2注浆小导管生产质量方面对比
2.2.1 传统生产工艺缺陷影响注浆小导管质量
1）传统模式下制作加工的注浆小导管锥头在经过人工热气体切割抽条后，采用手工锤击至类锥头或直接呈“鸭嘴”状，然后将抽条接缝进行焊接，生产成形的锥头外观不统一，部分锥头甚至出现偏心情况，严重影响小导管安装过程中的准确度，以致在锚入土体过程中阻力较大，既增加了安装人员的劳动强度，又经常发生小导管贯入长度不够等情况，降低了隧道的支护质量。
2）采用气割制孔的方式，注浆小导管溢浆孔贯通率及几何尺寸精度低，甚至影响注浆小导管本身强度，导致需要进行注浆的隧道周围土体、岩体不能注浆或注浆效果达不到要求，严重影响隧道开挖预支护强度。
2.2.2 工厂化、数字化生产工艺有利于质量控制
利用工厂化、数字化生产工艺进行注浆小导管的加工，解决了以往在隧道洞口附近利用小场地、小机具设备进行加工制作过程中，小导管加工质量难以管控的问题，通过集中统一管理，从原材料的进场、存放，到下料制孔、锥头制作，再到打包运输，每一步制作工序都能得到较好的管控，可实现标准化施工管理，能够从下料长度、制孔精度、锥头质量等各项细节实现规范化、标准化加工（图4）。
图4 采用传统工艺和工厂化生产工艺的小导管锥头质量效果对比
2.3注浆小导管生产在绿色施工方面的对比
2.3.1 传统生产不利于资源节约和环境保护
采用传统模式制作加工小导管，需在每个隧道口设置加工场地，每个加工区域至少需要约200 m2的加工场地，以香丽高速项目为例计算，全线25条隧道按每条隧道1个加工点计算共需要占地5 000 m2，需要大量征地用于加工场地设置，不利于环境生态保护，且制作加工点较多和分散，不利于小导管加工过程的质量、安全管控。
2.3.2 工厂化、数字化生产有利于资源节约及实现绿色施工
传统注浆小导管锥头加工采用氧乙炔焰切割、焊接及人工打磨成形的方式，工厂化、数字化生产无需进行锥头切割、焊接，不需要人工打磨和辅材，并且采用工厂化、数字化生产工艺，整个项目只需统一设置1个加工场即能满足整条线路注浆小导管的生产和供应，避免在每个隧道口大面积增加临时制作场地，对生态环境产生破坏，符合交通运输部2019年度重点节能低碳技术运用的要求。
3 结语
经过在生产过程中不断改进和完善的注浆小导管工厂化、数字化生产工艺，各制作专业设备功能更加完善，达到了制作工序质量标准统一的目的，形成了较为理想的流水作业生产，提高了注浆小导管的制作质量和生产效率，颠覆了传统工艺在隧道口设置临时加工作业点的生产模式，为云南省高速公路建设注浆小导管的制作加工，提供了先进的生产技术和成熟的管理经验。
