軟巖大變形隧道自進式錨桿施工工藝探究

張 偉

（中鐵十六局集團第二工程有限公司，天津 300162）

0 引言

軟巖隧道圍巖松散破碎、穩定性差，隨著隧道開挖擾動，圍巖在高應力作用下變形速度快、變形量大，很容易發生混凝土結構開裂掉塊、拱架扭曲變形甚至折斷、仰拱隆起、支護變形侵限等危害，大大增加施工難度，嚴重影響施工安全，需要針對圍巖采取支護加固措施，才能保證施工與運營安全。自進式錨桿是一種集鉆進、注漿、錨固功能為一體的錨桿,能夠保證在復雜破碎地層和軟弱松散地層中的錨固效果，在隧道開挖過程中起著至關重要的作用，可以有效地防止隧道結構變形。掌握自進式錨桿的原理和結構性能，明確自進式錨桿施工流程，對提高自進式錨桿施工質量至關重要。

1 工程概況

成蘭鐵路德勝隧道位于距岷江左岸0.5～3.5km 處的松潘縣境內，與G213 路并行，洞身穿越多條地形起伏較大的橫向支溝，穿越區最高峰的高程為3420m 的，相對高差在500m 以上。隧道東側為岷江南北走向的活動斷層帶，西側為東西走向的摩天山脊構造帶。隧道位于與岷江活動斷層帶基本平行的被動盤上，相距0.5～3.5km；附近發育有雪山、虎牙活動斷裂。洞體穿越斷層1 處，褶皺17 處。隧道施工過程中穿過軟巖大變形7 段，合計長度為810m，所占比重為6.9%；穿過預設計軟巖大變形段落27處，總長度為6981m，所占比例為59%；穿越斷層破碎帶、溝槽和淺埋段（最小埋深只有7m）2處，合計405m，所占比重為3.4%。

2 自進式錨桿原理

錨桿在軟巖大變形中的支護作用是顯而易見的，它可以有效地控制隧道的變形，抑制塑性區的繼續發展，防止隧道發生過度變形導致坍塌[1]。大變形的軟巖段給錨桿作業造成了很大的難度。一是圍巖薄弱，斷層破碎帶使鉆孔極易垮塌，特別是像施作10m 長的錨桿，保證錨孔暢通的難度很大；二是錨桿施打的鉆桿為柔性鉆桿，難以保證錨桿孔的順直，且錨桿較鉆桿剛性較大，給錨桿輸送造成一定程度的困難。而自進式錨桿是采用鉆桿、錨桿、注漿管三體合一的方式分節鉆進，上述問題均可以到有效解決，因此，在軟巖大變形隧道中推薦采用自進式錨桿。

自進式錨桿桿身中空，桿身兼作鉆桿、錨桿和輸漿管，漿液經桿體鉆頭噴出，填滿錨桿周圍的孔隙，漿液通過錨桿孔滲透到周圍破碎巖石的裂隙中然后固結，使圍巖穩定性增強[2]。在具體操作和施工過程中，合金鉆頭通過連接套與施作機具上的螺旋形桿身連接，在施作機具的帶動下，旋轉式錨桿體在鉆進作業中進行回轉沖擊，在鉆進作業中按設計要求進行錨桿體加長[3]。自進式錨桿的桿身在回轉沖擊鉆探時起到鉆探作用；鉆孔工序結束后，錨桿桿身及合金鉆頭不需取出而留在孔內，注漿時漿液從桿身的中孔穿過，利用桿體輸送漿液；注漿過程結束后，桿身和鉆頭通過漿液與周圍的圍巖結合起到穩定圍巖的作用，而此時的桿身就成為了錨桿，這是自進式錨桿桿身的多重作用[4]。

3 自進式錨桿的結構及性能

3.1 自進式錨桿的結構

自進式錨桿結構及組合如圖1所示。

圖1 自進式錨桿結構及組合

（1）合金鉆頭：能適應各類圍巖，硬度高、韌性強，穿透力強。

（2）錨桿體：錨桿桿身采用便于鉆頭安裝、接頭套管和緊固螺母的全長國際標準波形連續螺紋，并可任意裁剪接續。錨桿體集鉆桿、錨桿于一體，不需拔除，其中孔可用作注漿通道。

（3）連接套：在需加長錨桿時起連接作用，可適用于較小空間的施作。

（4）止漿塞：在止漿塞上鉆有排氣孔，用于排氣，此外，止漿塞可以讓漿液在充分填滿圍巖空隙的情況下，保持一定的壓力。

（5）拱形墊板：能承受更大的圍巖應力，設置尺寸為20cm×20cm、厚度為1cm 的墊板，增強錨桿對圍巖的約束能力。

（6）螺母：可向墊板集中傳遞圍巖應力，在洞壁圍巖上均勻地傳遞深層圍巖應力，實現圍巖與錨桿互為支撐的目的。

（7）堵漿塞：可防止錨桿內出現跑漿現象。

3.2 自進式錨桿的性能

德勝隧道使用的GM32自進式錨桿性能參數見表1。

表1 GM32自進式錨桿性能參數

4 自進式錨桿鉆進設備比選

以常規的鉆進設備YT28 風槍與隧道錨桿臺車為例，通過試驗對比分析兩種設備在自進式長錨桿施工中的優勢與不足，從施工效率以及適用性等方面進行設備選型，詳見表2。

表2 自進式錨桿施工機具的對比分析

根據表2 可看出，錨桿臺車進行自進式錨桿鉆進作業時，施工效率更高，而且錨桿臺車施工場地適用性更靈活，因此，推薦采用錨桿臺車。

5 錨桿臺車施工自進式錨桿

5.1 錨桿臺車主要性能參數

錨桿臺車主要性能見表3。

表3 錨桿臺車主要性能參數

5.2 施工準備

掌子面出渣完畢后平整場地，要求場地盡可能平整，以便錨桿鉆機能夠平穩行駛、出入和操作。設置排水溝將打錨桿時的水流引入集水坑排出，避免掌子面受浸。錨桿臺車需配備專用配電箱以及鉆進時所需水源。

5.3 自進式錨桿施工

自進式錨桿施工流程如圖2所示。

圖2 自進式錨桿施工工藝流程

（1）孔位標記：按設計要求，在初期支護混凝土面上定出錨桿孔位并標記。

（2）鉆進前檢查：鉆進前做好設備檢查工作，檢查設備動力、液壓裝置等運轉是否正常，檢查鉆頭、鉆桿以及各種管道是否暢通。

（3）錨桿鉆進：首先是錨桿、鉆頭安裝，專用鉆頭與自進式錨桿體在鉆機定位完成后，再與鉆機上的風水管進行連接；然后按標記的設計孔位對準錨桿，臺車應先通水后旋轉鉆入，鉆進至破碎巖時鉆頭水孔易被堵，鉆入時應放慢鉆入速度，多回轉，注意鉆孔中水流出的狀況，如有水孔被堵住的現象，應將錨桿向后退50cm左右，并反復清孔，使水孔暢通，再緩慢向前推，直至設計鉆孔深度；接著是錨桿臺車在自進式錨桿鉆入設計要求的深度后，使錨桿體和釬尾脫離，臺車自動卸桿，繼續鉆進安裝下根錨桿；最后是將排氣管從止漿塞排氣孔穿入，將排氣管插入錨桿孔內，通過錨桿外露端用鋼管將止漿塞打入孔內約100mm 后封口注漿，如圍巖較破碎可用錨固劑將孔封死。

（4）錨桿注漿：首先檢查注漿機是否準備齊全，各部件是否正常，檢查水泥和砂的粒徑、配比、溫度等是否符合設計要求，可采用通水或通風的方式檢查錨孔是否通暢。然后調節水流量計，使砂漿水灰比達到設計值，并記下流量計刻度，流量必須均勻，不能出現斷續不均的現象；接著用快速接頭迅速將錨桿、注漿管、泵等接好。開動注漿泵注漿，全程連續注漿，注漿必須一次完成，不停頓，從止漿塞邊緣流出漿液或壓力達到設計值，可以停止注漿。如有堵塞管道的現象，錨桿、注漿管、抽水機等要及時清理干凈。當一根錨桿注漿完畢后，迅速將注漿膠管卸下，裝到另一根錨桿上，再進行注漿作業；如果長時間停泵，需要將前段不均勻的漿液放出，以避免堵孔。在注漿過程中，接頭處應及時進行清洗，以確保注漿過程的連貫性[5]。全部錨桿注漿完成后，要及時對注漿泵進行清洗和維護。在漿液達到初始設計強度后，安裝墊板和螺母，并旋緊螺母。

6 采用錨桿臺車施工自進式錨桿的效果及優缺點

6.1 使用效果及優點

（1）人員配備：在人員配備上，錨桿臺車左右2 根鉆臂各需1 名操作員，另需1 名輔助人員負責運送鉆桿，共需要3 人。而根據施工經驗，使用風槍施工自進式錨桿，相同隧道斷面至少配備4把YT28風槍，每把風槍需配備人員2 名，共計8 人。在施工人員配備方面，錨桿臺車相較風槍而言，可節約勞動力5人。

（2）施工速度：YT28 風槍正常工作時最大打設長度為8m，錨桿臺車單臂打設1根8m 長的自進式錨桿用時11.8min，YT28 風槍打設1 根8m 長的自進式錨桿用時36min。隧道每延米施作自進式錨桿24.5根，錨桿臺車兩臂施工總用時144.55min，YT28 風槍按照4 臺鉆機同時工作，每延米用時220.5min。從施工時間上看，錨桿臺車比YT28風槍節約時間75.95min。

（3）勞動強度：錨桿臺車自帶卸桿裝置，只需人工將鉆桿擺放在鉆臂上，操作手使用操作臺操作機器。而YT28 風槍需工人手持風槍進行鉆進，卸桿時需2 名工人用2 個管鉗同時工作，錨桿臺車使勞動者勞動強度大大降低。

（4）施工空間：在施工空間方面，錨桿臺車左右臂可根據需要升降和旋轉以滿足錨桿的打設角度和位置。對于高度較高的錨桿，YT28 風槍則需借助臺架等工具才能完成錨桿的打設。

（5）施工安全：錨桿臺車操作人員站在有支護的安全區域作業，消除了空頂作業的危險。

6.2 缺點和不足

（1）施工用水量大：錨桿臺車在施工中較YT28 風槍用水量大，容易造成掌子面積水，施工中要采取有效的排水措施，做好排水工作。

（2）操作人員水平要求高：錨桿臺車對操作手的操作技能要求更高。鉆臂操作手的技術水平和熟練程度直接影響錨桿臺車打設自進式錨桿的施工質量和施工速度。

7 結束語

自進式錨桿具有提高鉆進效率、縮短施工工期、降低工程綜合成本等多個優點，同時由于自進式錨桿可以任意切割或用連接套接長，因此可以在比較狹小的空間內施工，從而增強了自進式錨桿的適用性。自進式錨桿作為一種先進的錨固系統，在今后的應用肯定會更加廣泛。隨著機械化的發展，與其相適應的錨桿臺車在國內隧道自進式錨桿施工中扮演舉足輕重的角色，發揮重要的作用。