預應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，介紹了預應力樹脂錨桿施工機械設備及其施工工藝，分析對比了在不同施工節點安裝預應力樹脂錨桿的優缺點，計算了每延米錨桿材料成本與施工成本。

[關鍵詞]：預應力樹脂錨桿; 機械設備; 施工工藝

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控制隧道圍巖變形速率與累計變形量一直以來是個困擾復雜地質條件下隧道施工的難題。尤其是在我國的西南地區，山地地形占據多數，地質條件復雜，構造運動強烈，在這些地方修建隧道工程，往往面臨嚴峻的大變形問題[1-2]，嚴重威脅施工人員安全，阻滯施工進度。應對大變形危害，工程中常常采用噴射混凝土、鋼拱架、預應力錨桿（索）等主動支護措施[3]。

不同于噴射混凝土和型鋼拱架，預應力錨桿的安裝施工對于施工機械裝備的要求更高，經過一段時期的發展，已經形成了錨桿鉆機和智能錨桿臺車2類能應對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，對預應力樹脂錨桿施工配套裝備及施工工藝進行介紹，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與現場的施工方法，作業面條件相適應。在臺階法施工的隧道中，主要采用錨桿鉆機進行鉆孔。在機械化施工的大斷面隧道中，主要采用錨桿臺車進行鉆孔。施工采用三臺階法，鉆孔主要是錨桿鉆機。

1.1 錨桿鉆機

在錨桿支護發展的不同時期，國內外出現了多種不同形式和規格的錨桿鉆機，如圖1所示。

按錨桿鉆機與掘進機的關系分為獨立式和機載式。獨立式錨桿鉆機與掘進機是分開的，又分單體式和鉆車式。單體錨桿鉆機輕便、靈活，適用范圍廣;鉆車式錨桿鉆機機械化程度高、扭矩大、功率大、鉆進速度快，但一般適用于巷道斷面大或多巷布置的條件。

機載式錨桿鉆機分為掘進機載錨桿鉆機和掘錨聯合機組。前者是在現有掘進機上配置1～2臺錨桿鉆機，以實現掘錨一體功能;后者是將掘進與錨固功能一體化設計，制造出兼顧掘進與錨固的掘錨聯合機組，是隧道快速高效掘進技術的發展方向。

按錨桿鉆機動力源分為氣動、液壓和電動式。按錨桿鉆機破巖方式分為旋轉式、 沖擊式和沖擊—旋轉式。

1.2 錨桿臺車

在適合大型機械化施工的隧道中，錨桿施工可采用錨桿臺車，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備。目前，國內已研發有系列的功能齊全、自動化程度高的智能型錨桿臺車裝備，如XD20智能型錨桿臺車、MTZ141智能型錨桿臺車等，可實現錨桿施工的高度機械化、智能化，減輕了工人勞動強度，提高了工作效率和施工質量。

1.2.1 XD20智能型錨桿臺車

XD20智能型錨桿臺車（圖2）可實現鉆、裝、注一體化作業，臺車配有1個工作臂和1個輔臂，主要由鉆、裝、注一體化執行裝置，底盤，控制系統，防卡鉆系統，水氣回路系統，動力系統等組成。作業臂主要用來完成鉆孔作業的姿態角度調整，輔臂可用來完成鉆孔作業過程中輔助工作以及隧道內的一切高空作業，比如安裝通風管路等。

1.2.2 MTZ141智能型錨桿臺車

MTZ141智能型錨桿臺車（圖3）可滿足國內大多數隧道的錨桿施工要求，具有鉆、錨、注和鉆、注、錨2種自動化施工模式，主要由錨桿單元、底盤與傳動系統、柴電雙動力系統、智能控制系統、水氣潤滑系統、智能注漿系統等組成。具有設計數據導入、自動移臂鉆孔、自動鉆錨注、智能注漿、自動記錄施工日志等功能，臺車配備一臂一籃，不僅可完成隧道內錨桿的全工序自動化施工，還可滿足鐵路雙線隧道無死角高空作業。

2 施工工藝

2.1 施工方法

根據現場圍巖情況，樹脂錨桿施工段采取三臺階開挖工法，上、中、下臺階同時開挖，下臺階左、右錯開單側開挖;為盡量不影響開挖循環時間，樹脂錨桿從中、下臺階開始施作，并同步與立拱左、右側交替進行（下臺階部分錨桿在初支后補打），上臺階在初期支護后在中臺階利用臺架適時施工。

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

2.2 錨桿施作時機

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。在不同時間點施工，各有優缺點。

開挖后即開始打設錨桿，因圍巖破碎，受打孔擾動影響坍塌嚴重，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;另外工序循環時間將延長2～3 h（圖5）。

立架后打設，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，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。另外工序循環時間將延長1～2 h（圖6）。

噴混凝土后打設，優點能夠保證不增加對圍巖的破壞，且因初支面大致平整，易于保證錨墊板的安裝質量和螺母擰緊。此時打設避免和立架、鎖腳施工沖突，但因交叉作業影響，最終工序時間增加1 h左右。從錨桿安裝效果與效率出發應優先選擇此時安裝錨桿（圖7）。

2.3 錨桿施工流程

預應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，進行必要的安全排查。

（2）由現場技術管理人員確定樹脂錨桿具體打設位置，并做出明顯標識，錨桿施作地點應盡量靠近掘進工作面，圍巖較平整，確保錨桿墊板能夠與圍巖密貼的位置;如果打設后出現掉塊現象，導致墊板不能密貼，需在安裝好錨桿后施加預應力前采用人工對錨桿墊板周邊圍巖進行修整;試驗錨桿應避開后續初支鋼架安裝，盡量設置于初支拱架縱向間距中間部位。

（3）施鉆。采用鉆機（根據孔徑、部位確定鉆機型號）進行鉆孔，鉆孔過程中技術員做好鉆孔直徑、鉆孔深度、鉆孔時間等相關記錄。

（4）清孔。施鉆完成后，利用高壓風對孔內虛碴進行清理，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，樹脂錨固劑使用數量為2節/孔，用PVC管將其慢慢推到孔底。

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

（7）施加預應力。使用重型風炮機扭緊錨桿螺母，再使用扭力扳手（帶數值刻度）進行檢查預應力值，確保錨桿達到設計預應力力矩。

3 施工工效和成本

3.1 施工工效

由表1中對比可以看出，在一個標準循環中，安裝樹脂錨桿用時15 h，不安裝樹脂錨桿用時14 h。安裝樹脂錨桿實際用時超出預計標準時間35 min，樹脂錨桿占整個循環用時7%左右。未安裝樹脂錨桿循環時間較標準時間縮短7 min。時間偏差可能與樹脂錨桿鉆孔過程中發生的卡鉆有關，相關工藝與設備存在進一步優化的空間。此外立架與安裝鎖腳及錨桿時均存在出標準用時現象，應注意加強對工人的安全保護。

3.2 施工成本

測算樹脂錨桿材料及人工成本于表2和表3。6.5 m長的樹脂錨桿材料費為每延米55.016元，施工成本為每延米104.12元;3.5 m長的樹脂錨桿材料費為每延米67.15元，施工成本為每延米116.25元。

4 結束語

隧道錨桿安裝施工機械經過發展已經形成了由錨桿鉆機與錨桿臺車兩大類組成的能適應不同工作面的體系。本文以麗香鐵路中義隧道為例，介紹了預應力樹脂錨桿的施工工藝，分析對比了不同時刻安裝錨桿的優缺點，并測算了材料與人工成本。

參考文獻

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

[2] 崔光耀，王雪來，王明勝.高地應力深埋隧道斷裂破碎帶段大變形控制現場試驗研究[J].巖土工程學報，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支護理念及技術[J].鐵道學報，2021，43（6）：158-164.