預(yù)應(yīng)力樹脂錨桿適配工裝工藝探究

劉紅偉 阮國見 王眾樂

[摘? 要]：文章以麗香鐵路中義隧道為例，介紹了預(yù)應(yīng)力樹脂錨桿施工機(jī)械設(shè)備及其施工工藝，分析對(duì)比了在不同施工節(jié)點(diǎn)安裝預(yù)應(yīng)力樹脂錨桿的優(yōu)缺點(diǎn)，計(jì)算了每延米錨桿材料成本與施工成本。

[關(guān)鍵詞]：預(yù)應(yīng)力樹脂錨桿; 機(jī)械設(shè)備; 施工工藝

U 455.7+1A

控制隧道圍巖變形速率與累計(jì)變形量一直以來是個(gè)困擾復(fù)雜地質(zhì)條件下隧道施工的難題。尤其是在我國的西南地區(qū)，山地地形占據(jù)多數(shù)，地質(zhì)條件復(fù)雜，構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈，在這些地方修建隧道工程，往往面臨嚴(yán)峻的大變形問題[1-2]，嚴(yán)重威脅施工人員安全，阻滯施工進(jìn)度。應(yīng)對(duì)大變形危害，工程中常常采用噴射混凝土、鋼拱架、預(yù)應(yīng)力錨桿（索）等主動(dòng)支護(hù)措施[3]。

不同于噴射混凝土和型鋼拱架，預(yù)應(yīng)力錨桿的安裝施工對(duì)于施工機(jī)械裝備的要求更高，經(jīng)過一段時(shí)期的發(fā)展，已經(jīng)形成了錨桿鉆機(jī)和智能錨桿臺(tái)車2類能應(yīng)對(duì)不同工作面要求的較為完備的裝備體系。

本文旨在以中義隧道為例，對(duì)預(yù)應(yīng)力樹脂錨桿施工配套裝備及施工工藝進(jìn)行介紹，并分析施工成本。

1 施工裝備

錨桿施工所采用的施工裝備應(yīng)與現(xiàn)場(chǎng)的施工方法，作業(yè)面條件相適應(yīng)。在臺(tái)階法施工的隧道中，主要采用錨桿鉆機(jī)進(jìn)行鉆孔。在機(jī)械化施工的大斷面隧道中，主要采用錨桿臺(tái)車進(jìn)行鉆孔。施工采用三臺(tái)階法，鉆孔主要是錨桿鉆機(jī)。

1.1 錨桿鉆機(jī)

在錨桿支護(hù)發(fā)展的不同時(shí)期，國內(nèi)外出現(xiàn)了多種不同形式和規(guī)格的錨桿鉆機(jī)，如圖1所示。

按錨桿鉆機(jī)與掘進(jìn)機(jī)的關(guān)系分為獨(dú)立式和機(jī)載式。獨(dú)立式錨桿鉆機(jī)與掘進(jìn)機(jī)是分開的，又分單體式和鉆車式。單體錨桿鉆機(jī)輕便、靈活，適用范圍廣;鉆車式錨桿鉆機(jī)機(jī)械化程度高、扭矩大、功率大、鉆進(jìn)速度快，但一般適用于巷道斷面大或多巷布置的條件。

機(jī)載式錨桿鉆機(jī)分為掘進(jìn)機(jī)載錨桿鉆機(jī)和掘錨聯(lián)合機(jī)組。前者是在現(xiàn)有掘進(jìn)機(jī)上配置1～2臺(tái)錨桿鉆機(jī)，以實(shí)現(xiàn)掘錨一體功能;后者是將掘進(jìn)與錨固功能一體化設(shè)計(jì)，制造出兼顧掘進(jìn)與錨固的掘錨聯(lián)合機(jī)組，是隧道快速高效掘進(jìn)技術(shù)的發(fā)展方向。

按錨桿鉆機(jī)動(dòng)力源分為氣動(dòng)、液壓和電動(dòng)式。按錨桿鉆機(jī)破巖方式分為旋轉(zhuǎn)式、 沖擊式和沖擊—旋轉(zhuǎn)式。

1.2 錨桿臺(tái)車

在適合大型機(jī)械化施工的隧道中，錨桿施工可采用錨桿臺(tái)車，是主要用于鉆鑿錨桿孔并完成部分或全部錨桿安裝工序的自移式專用設(shè)備。目前，國內(nèi)已研發(fā)有系列的功能齊全、自動(dòng)化程度高的智能型錨桿臺(tái)車裝備，如XD20智能型錨桿臺(tái)車、MTZ141智能型錨桿臺(tái)車等，可實(shí)現(xiàn)錨桿施工的高度機(jī)械化、智能化，減輕了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了工作效率和施工質(zhì)量。

1.2.1 XD20智能型錨桿臺(tái)車

XD20智能型錨桿臺(tái)車（圖2）可實(shí)現(xiàn)鉆、裝、注一體化作業(yè)，臺(tái)車配有1個(gè)工作臂和1個(gè)輔臂，主要由鉆、裝、注一體化執(zhí)行裝置，底盤，控制系統(tǒng)，防卡鉆系統(tǒng)，水氣回路系統(tǒng)，動(dòng)力系統(tǒng)等組成。作業(yè)臂主要用來完成鉆孔作業(yè)的姿態(tài)角度調(diào)整，輔臂可用來完成鉆孔作業(yè)過程中輔助工作以及隧道內(nèi)的一切高空作業(yè)，比如安裝通風(fēng)管路等。

1.2.2 MTZ141智能型錨桿臺(tái)車

MTZ141智能型錨桿臺(tái)車（圖3）可滿足國內(nèi)大多數(shù)隧道的錨桿施工要求，具有鉆、錨、注和鉆、注、錨2種自動(dòng)化施工模式，主要由錨桿單元、底盤與傳動(dòng)系統(tǒng)、柴電雙動(dòng)力系統(tǒng)、智能控制系統(tǒng)、水氣潤(rùn)滑系統(tǒng)、智能注漿系統(tǒng)等組成。具有設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)導(dǎo)入、自動(dòng)移臂鉆孔、自動(dòng)鉆錨注、智能注漿、自動(dòng)記錄施工日志等功能，臺(tái)車配備一臂一籃，不僅可完成隧道內(nèi)錨桿的全工序自動(dòng)化施工，還可滿足鐵路雙線隧道無死角高空作業(yè)。

2 施工工藝

2.1 施工方法

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)圍巖情況，樹脂錨桿施工段采取三臺(tái)階開挖工法，上、中、下臺(tái)階同時(shí)開挖，下臺(tái)階左、右錯(cuò)開單側(cè)開挖;為盡量不影響開挖循環(huán)時(shí)間，樹脂錨桿從中、下臺(tái)階開始施作，并同步與立拱左、右側(cè)交替進(jìn)行（下臺(tái)階部分錨桿在初支后補(bǔ)打），上臺(tái)階在初期支護(hù)后在中臺(tái)階利用臺(tái)架適時(shí)施工。

三臺(tái)階法（圖4）上臺(tái)階高度2.2 m，長(zhǎng)度4～6 m，中臺(tái)階高度為2.78 m，長(zhǎng)度為4～6 m，下臺(tái)階高度均為3.58 m，為確保后續(xù)噴混凝土、仰拱施工快速平行開展，仰拱采取單獨(dú)開挖方式。

2.2 錨桿施作時(shí)機(jī)

錨桿施作可在開挖后直接安裝或者在鋼拱架安裝之后安裝、亦可在噴射混凝土施作后打設(shè)。在不同時(shí)間點(diǎn)施工，各有優(yōu)缺點(diǎn)。

開挖后即開始打設(shè)錨桿，因圍巖破碎，受打孔擾動(dòng)影響坍塌嚴(yán)重，不僅造成大量超挖，而且工人直接暴露在圍巖下施工，危險(xiǎn)性高。圍巖面不平整不利于錨桿墊板緊貼，錨桿受力條件變差，減弱它的抗外載能力;另外工序循環(huán)時(shí)間將延長(zhǎng)2～3 h（圖5）。

立架后打設(shè)，且將錨墊板錨固在工字鋼上受力。雖然可以避免坍塌給施做帶來安全的危險(xiǎn)，但是坍塌體全部集中在拱架背后，無法清理，最后造成拱架背后和拱腳大量虛渣。另外工序循環(huán)時(shí)間將延長(zhǎng)1～2 h（圖6）。

噴混凝土后打設(shè)，優(yōu)點(diǎn)能夠保證不增加對(duì)圍巖的破壞，且因初支面大致平整，易于保證錨墊板的安裝質(zhì)量和螺母擰緊。此時(shí)打設(shè)避免和立架、鎖腳施工沖突，但因交叉作業(yè)影響，最終工序時(shí)間增加1 h左右。從錨桿安裝效果與效率出發(fā)應(yīng)優(yōu)先選擇此時(shí)安裝錨桿（圖7）。

2.3 錨桿施工流程

預(yù)應(yīng)力樹脂錨桿的安裝一般分7步完成，具體步驟：

（1）隧道開挖完成后，進(jìn)行必要的安全排查。

（2）由現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)管理人員確定樹脂錨桿具體打設(shè)位置，并做出明顯標(biāo)識(shí)，錨桿施作地點(diǎn)應(yīng)盡量靠近掘進(jìn)工作面，圍巖較平整，確保錨桿墊板能夠與圍巖密貼的位置;如果打設(shè)后出現(xiàn)掉塊現(xiàn)象，導(dǎo)致墊板不能密貼，需在安裝好錨桿后施加預(yù)應(yīng)力前采用人工對(duì)錨桿墊板周邊圍巖進(jìn)行修整;試驗(yàn)錨桿應(yīng)避開后續(xù)初支鋼架安裝，盡量設(shè)置于初支拱架縱向間距中間部位。

（3）施鉆。采用鉆機(jī)（根據(jù)孔徑、部位確定鉆機(jī)型號(hào)）進(jìn)行鉆孔，鉆孔過程中技術(shù)員做好鉆孔直徑、鉆孔深度、鉆孔時(shí)間等相關(guān)記錄。

（4）清孔。施鉆完成后，利用高壓風(fēng)對(duì)孔內(nèi)虛碴進(jìn)行清理，確保孔底無虛碴、沖洗液等雜物。

（5）樹脂錨固劑安裝。將樹脂錨固劑放入孔中，樹脂錨固劑使用數(shù)量為2節(jié)/孔，用PVC管將其慢慢推到孔底。

（6）安裝錨桿、墊板及螺母。用錨桿鉆機(jī)將錨桿邊旋轉(zhuǎn)邊推進(jìn)到孔底，然后再旋轉(zhuǎn)20～30 s停止;等待30 s后，退下錨桿鉆機(jī)，先安裝墊板和螺母，再進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn)。

（7）施加預(yù)應(yīng)力。使用重型風(fēng)炮機(jī)扭緊錨桿螺母，再使用扭力扳手（帶數(shù)值刻度）進(jìn)行檢查預(yù)應(yīng)力值，確保錨桿達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)應(yīng)力力矩。

3 施工工效和成本

3.1 施工工效

由表1中對(duì)比可以看出，在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)中，安裝樹脂錨桿用時(shí)15 h，不安裝樹脂錨桿用時(shí)14 h。安裝樹脂錨桿實(shí)際用時(shí)超出預(yù)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間35 min，樹脂錨桿占整個(gè)循環(huán)用時(shí)7%左右。未安裝樹脂錨桿循環(huán)時(shí)間較標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間縮短7 min。時(shí)間偏差可能與樹脂錨桿鉆孔過程中發(fā)生的卡鉆有關(guān)，相關(guān)工藝與設(shè)備存在進(jìn)一步優(yōu)化的空間。此外立架與安裝鎖腳及錨桿時(shí)均存在出標(biāo)準(zhǔn)用時(shí)現(xiàn)象，應(yīng)注意加強(qiáng)對(duì)工人的安全保護(hù)。

3.2 施工成本

測(cè)算樹脂錨桿材料及人工成本于表2和表3。6.5 m長(zhǎng)的樹脂錨桿材料費(fèi)為每延米55.016元，施工成本為每延米104.12元;3.5 m長(zhǎng)的樹脂錨桿材料費(fèi)為每延米67.15元，施工成本為每延米116.25元。

4 結(jié)束語

隧道錨桿安裝施工機(jī)械經(jīng)過發(fā)展已經(jīng)形成了由錨桿鉆機(jī)與錨桿臺(tái)車兩大類組成的能適應(yīng)不同工作面的體系。本文以麗香鐵路中義隧道為例，介紹了預(yù)應(yīng)力樹脂錨桿的施工工藝，分析對(duì)比了不同時(shí)刻安裝錨桿的優(yōu)缺點(diǎn)，并測(cè)算了材料與人工成本。

參考文獻(xiàn)

[1] 李貴民.麗香鐵路玄武巖隧道大變形段施工控制技術(shù)[J].隧道建設(shè)（中英文），2018，38（S1）：167-174.

[2] 崔光耀，王雪來，王明勝.高地應(yīng)力深埋隧道斷裂破碎帶段大變形控制現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2019，41（7）：1354-1360.

[3] 田四明，吳克非，劉大剛，等.軟弱圍巖隧道變形控制主動(dòng)支護(hù)理念及技術(shù)[J].鐵道學(xué)報(bào)，2021，43（6）：158-164.