隧道鎖腳錨管預(yù)注漿臺(tái)架設(shè)計(jì)與應(yīng)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(tuán)第三工程有限公司，山東 濟(jì)南 250300）

0 引言

隨著《國(guó)家綜合立體交通網(wǎng)規(guī)劃綱要》印發(fā)、交通強(qiáng)國(guó)建設(shè)步伐加快，對(duì)我國(guó)西部地區(qū)交通運(yùn)輸高質(zhì)量發(fā)展提出了更高要求，西部地區(qū)高速公路建設(shè)速度、規(guī)模即將跑出新的“加速度”。黃土隧道施工難度大，主要體現(xiàn)在圍巖整體性差、松散，開挖易受擾動(dòng)，遇水易失穩(wěn)、沉降，超欠挖、鋼拱架沉降、仰拱基底虛渣、滲水等質(zhì)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(dòng)導(dǎo)致初支鋼拱架安裝難度大，危險(xiǎn)系數(shù)高，要求工人快速、精準(zhǔn)、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(yè)的一種錨頭端與鋼拱架牢固焊接，并按力學(xué)平衡設(shè)計(jì)的一種具有一定長(zhǎng)度、直徑、傾斜角和數(shù)量的預(yù)注漿錨管，其剛度越大，提供的承載力越大[1]。由于黃土質(zhì)地密實(shí)，空隙較小，全長(zhǎng)黏結(jié)性錨桿無法施作，同時(shí)，為了不減弱錨桿支撐力和剛度，設(shè)計(jì)采用了預(yù)注漿錨管[2]。

公路黃土隧道臺(tái)階法施工過程中，由于圍巖受機(jī)械開挖擾動(dòng)，原有穩(wěn)定性被破壞，不同程度松弛變形，導(dǎo)致初支鋼拱架承受的圍巖壓力增大，未成環(huán)階段整體不穩(wěn)定性增加，節(jié)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(hù)和圍巖聯(lián)結(jié)成整體[3]，有效改善了支護(hù)效果，增加了臺(tái)階段初支的穩(wěn)定性和作業(yè)環(huán)境的安全性。同時(shí)，為了鋼拱架安裝方便，拱腳處于懸空狀態(tài)，采用臨時(shí)墊塊支撐后仍不密實(shí)，致使初支結(jié)構(gòu)由無鉸拱轉(zhuǎn)變?yōu)閼冶哿航Y(jié)構(gòu)，降低了承載力，易引發(fā)初支沉降和收斂變形，鎖腳錨管的應(yīng)用將鋼拱架承受的松動(dòng)層圍巖壓力傳遞給更穩(wěn)定的深層圍巖[4]，加固了圍巖，增加了圍巖的穩(wěn)定性。

1 工程概況

以S36 臨康廣高速公路建設(shè)項(xiàng)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(fā)育，兩個(gè)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(qū)，中下更新統(tǒng)圓礫分布區(qū)為貧水區(qū)～弱富水區(qū)，斷層帶為中等富水區(qū)；隧道圍巖類型主要為上更新統(tǒng)風(fēng)積黃土、沖積粉質(zhì)黏土，中下更新統(tǒng)沖湖積粉質(zhì)黏土、圓礫，下更新統(tǒng)沖積鈣質(zhì)膠結(jié)圓礫，基巖為新近系上新統(tǒng)臨夏組泥巖，圍巖級(jí)別Ⅴ級(jí)。在自重應(yīng)力的作用下圍巖強(qiáng)度應(yīng)力比較小，主要表現(xiàn)為軟巖局部的收斂變形、拱頂?shù)魤K和側(cè)壁膨脹等；開挖過程中易出現(xiàn)洞壁巖體位移，成洞性差，基坑有隆起現(xiàn)象。

設(shè)計(jì)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(shè)置在距離鋼拱架底端0.4～0.6m 處，采用兩個(gè)φ22U 型圓鋼包裹并與鋼架堆焊為一體，采用預(yù)注砂漿方式增大錨管剛度，施工過程中要求預(yù)注砂漿飽滿、密實(shí)。

2 鎖腳錨管預(yù)注漿臺(tái)架設(shè)計(jì)及應(yīng)用

鎖腳錨管傳統(tǒng)注漿方式采用人工自流式灌注法，面對(duì)小管徑長(zhǎng)錨管，無法振動(dòng)，孔內(nèi)漿體中易出現(xiàn)空氣包、空隙，導(dǎo)致注漿不密實(shí)，錨管剛度不能保證；同時(shí)，人力消耗多，工效慢，占用場(chǎng)地多，材料浪費(fèi)大，經(jīng)濟(jì)效益低下，易污染環(huán)境。

S36 臨康廣項(xiàng)目根據(jù)鎖腳錨管設(shè)計(jì)指標(biāo)及預(yù)注砂漿要求，優(yōu)化工藝工法，創(chuàng)新設(shè)計(jì)研發(fā)了半自動(dòng)化固定臺(tái)架，集中批量進(jìn)行鎖腳錨管預(yù)注漿生產(chǎn)，該臺(tái)架操作簡(jiǎn)易，安全可靠，加工效率高，節(jié)省人力，預(yù)注砂漿飽滿、密實(shí)，滿足設(shè)計(jì)對(duì)質(zhì)量的要求。

2.1 臺(tái)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該臺(tái)架為自帶鋼斜扶梯且具備自動(dòng)灌漿與振動(dòng)密實(shí)功能的懸空操作平臺(tái)，如圖1所示。該作業(yè)平臺(tái)占地面積小，包括半成品空管轉(zhuǎn)運(yùn)、成品錨管存放，僅需100m2即可；作業(yè)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(tái)也可設(shè)置于室內(nèi)，24h 不間斷流水加工作業(yè)；工人操作的安全系數(shù)高，平臺(tái)不僅設(shè)置有護(hù)欄，還加設(shè)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(yè)，加工效率高，自動(dòng)注漿，全程振動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了批量半自動(dòng)生產(chǎn)[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(yù)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(tái)。經(jīng)過抗傾覆驗(yàn)算得出，支撐架和混凝土基座完全能滿足作業(yè)過程中整個(gè)平臺(tái)的穩(wěn)定性、牢固性要求。

2.1.2 操作臺(tái)

操作臺(tái)固定安裝于支撐架頂部，離地面高度h＝3.0m，長(zhǎng)a＝2.0m，寬b＝1.5m，平臺(tái)底板由φ20 鋼筋網(wǎng)加鋪防滑橡膠板構(gòu)成，外側(cè)固定安裝1.2m 防護(hù)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(shè)0.18m 擋腳板，可以對(duì)工作人員在操作臺(tái)作業(yè)時(shí)提供防護(hù)。該平臺(tái)頂板面積為3m2，完全滿足1 名工人作業(yè)需求，牢固、密集的護(hù)欄保證了作業(yè)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(cè)固定安裝有鋼斜扶梯，扶梯頂端與操作臺(tái)邊緣固定，扶梯自帶0.9m 高延長(zhǎng)扶手，便于工人往返操作臺(tái)和地面之間，能起到有效的保護(hù)作用，延長(zhǎng)扶手的設(shè)計(jì)能保證操作臺(tái)護(hù)欄及扶梯扶手的全閉環(huán)，形成全封閉操作，充分保證工人的安全。

2.1.4 防墜器

防護(hù)欄桿后側(cè)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(dòng)，滑套通過卡環(huán)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(tái)上的作業(yè)人員進(jìn)行連接，進(jìn)而保護(hù)工作人員在操作臺(tái)作業(yè)時(shí)避免發(fā)生墜落事故。該防墜器可自動(dòng)伸縮連接繩利用了汽車安全帶原理，當(dāng)連接繩快速輸出時(shí)（即發(fā)生工人墜落時(shí)），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(shí)可順暢輸出而不會(huì)有多余連接繩致使工人絆腳失穩(wěn)，如圖2所示。

圖2 防墜器

2.1.5 振動(dòng)加固器

操作臺(tái)防護(hù)欄桿前側(cè)預(yù)留1.0m 開口，活動(dòng)安裝兩組安裝套，由定位軸固定在防護(hù)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(shè)置20 組定位槽，外側(cè)鋼管自帶手動(dòng)鎖扣；通過加固桿背部的定位槽及外側(cè)鎖扣可以對(duì)倚靠在操作臺(tái)前側(cè)的鎖腳錨管進(jìn)行壓緊固定，從而增加工作人員對(duì)鎖腳錨管注漿作業(yè)時(shí)的穩(wěn)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(shí)的穩(wěn)定性，外側(cè)鎖扣可手動(dòng)完成緊鎖，防止錨管傾覆失穩(wěn)，能有效保證地面作業(yè)工人的安全，如圖3所示。

圖3 振動(dòng)加固器

2.1.6 注漿槽

振動(dòng)加固器兩側(cè)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(zhǎng)1.1m，底部設(shè)置20 個(gè)φ25 注漿孔，短邊一側(cè)安裝導(dǎo)漿接口，自帶控制球閥，底部各注漿孔設(shè)置同軸閥門，便于統(tǒng)一開關(guān)。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(dòng)板

支撐振動(dòng)板放置在基座前側(cè)，平面尺寸為1.6m×1.0m，底部?jī)蓚?cè)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(duì)支撐板進(jìn)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(dòng)電機(jī)，振動(dòng)電機(jī)與支撐彈簧配合，可以對(duì)支撐板與鎖腳錨管進(jìn)行振動(dòng)作業(yè)，進(jìn)而加速漿液流動(dòng)，同時(shí)避免出現(xiàn)孔內(nèi)空隙，提高注漿密實(shí)度；支撐振動(dòng)板頂部固定安裝有防滑槽，長(zhǎng)1.0m、寬0.05m、深0.15m，防滑槽兩側(cè)固定安裝有定位板，防滑槽和定位板配合可以對(duì)鎖腳錨管底部的縮尖部支撐定位，增加對(duì)鎖腳錨管振動(dòng)時(shí)的穩(wěn)固性；支撐振動(dòng)板是該平臺(tái)的核心構(gòu)件，既能有效提高注漿效率，又能充分保證注漿密實(shí)度，如圖4所示。

圖4 支撐振動(dòng)板

2.2 輔助設(shè)備

輔助設(shè)備有砂漿儲(chǔ)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(nèi)，縮尖部伸入支撐振動(dòng)板防滑槽內(nèi)，單層整齊排列；操作臺(tái)上1 名工人在防墜器連接繩的保護(hù)下進(jìn)行操作，依次關(guān)閉振動(dòng)加固器外側(cè)鎖扣，同步引導(dǎo)開啟砂漿輸送泵、注漿槽球閥及支撐振動(dòng)板振搗器，2min 后依次關(guān)閉輸送泵、球閥，振搗器續(xù)振1min 后關(guān)閉，槽內(nèi)剩余砂漿進(jìn)行二次補(bǔ)助，然后由地面工人轉(zhuǎn)運(yùn)已注漿錨管。

3 工效評(píng)價(jià)及經(jīng)濟(jì)效益

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

表1 傳統(tǒng)工藝與臺(tái)架工藝對(duì)比分析

S36 臨康廣項(xiàng)目各隧道均采用該型號(hào)臺(tái)架進(jìn)行鎖腳錨管預(yù)注漿作業(yè)，已完成31.96 萬根、127.84 萬延米，經(jīng)抽樣破損檢測(cè)密實(shí)度合格率100%，如圖5所示。事實(shí)證明，利用該臺(tái)架預(yù)注漿密實(shí)，鎖腳錨管質(zhì)量有保證，同時(shí)節(jié)省人力、縮短工期、降低成本、作業(yè)更加環(huán)保。

圖5 臺(tái)架注漿錨管破檢斷面

4 結(jié)語

近年來，“一帶一路”倡議持續(xù)深入推進(jìn)，西部地區(qū)高速公路進(jìn)入快速建設(shè)階段，復(fù)雜地質(zhì)水文隧道越來越多，隨著社會(huì)勞務(wù)人力減少、勞務(wù)成本和作業(yè)素養(yǎng)需求越來越高，標(biāo)準(zhǔn)化、精細(xì)化、機(jī)械化、自動(dòng)化、綠色環(huán)保作業(yè)是發(fā)展趨勢(shì)。S36 臨康廣高速公路建設(shè)項(xiàng)目設(shè)計(jì)、研發(fā)、應(yīng)用的隧道鎖腳錨管預(yù)注漿臺(tái)架創(chuàng)新了作業(yè)工藝，提高了作業(yè)質(zhì)量和安全性，取得了明顯的社會(huì)與經(jīng)濟(jì)效益，為后續(xù)隧道鎖腳錨管預(yù)注漿作業(yè)提供了參考。在后續(xù)優(yōu)化設(shè)計(jì)中將重點(diǎn)考慮成組轉(zhuǎn)運(yùn)錨管套架，依靠小型叉車或小型轉(zhuǎn)載機(jī)實(shí)現(xiàn)錨管自動(dòng)化轉(zhuǎn)運(yùn)，進(jìn)一步提高注漿工效，減少人力投入。