郭新新，楊鐵輪，馬振旺，王志偉, 3，汪波

軟巖擠壓型大變形隧道錨桿施工特性及工藝優(yōu)化

郭新新1，楊鐵輪2，馬振旺1，王志偉1, 3，汪波1

(1. 西南交通大學 交通隧道工程教育部重點實驗室，四川 成都 610031；2. 甘肅長達路業(yè)有限責任公司，甘肅 蘭州 730030；3. 上海市政工程設計研究總院(集團)有限公司 貴陽分公司，貴州 貴陽 550000)

以渭武高速木寨嶺隧道大變形段為工程依托，基于對巖石可鉆性與鉆機性能間關系的分析，選擇5種不同類型的錨桿施工機具，進行現場鉆孔試驗。研究結果表明：低強度炭質板巖擠壓型大變形隧道，旋轉式鉆機應優(yōu)選額定鉆速較高的液壓型鉆機，沖擊-旋轉式鉆機應優(yōu)選沖擊頻率較高的鉆機；鉆孔深度以5 m左右為界，超過此深度，鉆孔易出現塌孔、卡鉆及鉆機鉆進效率低下等問題，建議5 m以上長錨桿采用自進式；對于5 m內短錨桿的施工，MYT-125/330液壓錨桿鉆機施工拱頂部位錨桿的有效鉆速(除去鉆桿加長耗時)約0.8 m/min，YT28鉆機施工邊墻部位錨桿的有效鉆速(除去鉆桿加長耗時)約0.4 m/min，施工效果均較為理想；對于10 m長錨桿，采用“大功率臺車式鉆機+自進式錨桿”，施工功效可達10 m/30 min。

隧道工程；軟巖大變形；錨桿施工；錨桿鉆機；功效分析

高地應力引起的軟巖隧道擠壓型大變形課題，已成為了現今及后續(xù)一段時期內建設者們必須克服的工程難題[1?3]?？v觀軟巖擠壓型大變形隧道的建設歷史，錨桿，尤指長錨桿，均被用作為核心的支護措施之一。國內著名軟巖擠壓型大變形隧道，包括家竹箐隧道[4]、躍龍門隧道[5]、木寨嶺鐵路隧道[6]等，均在大變形地段采用了8 m及以上的長錨桿，并輔以其他支護強化措施；國外著名軟巖擠壓型大變形隧道，如日本惠那山2號公路隧道[7]、瑞士圣歌達鐵路隧道[8]和奧地利阿爾貝格公路隧道[9]等，也主要以采用“長錨桿+可縮剛架”作為主要的支護措施。錨桿作為初期支護體系中唯一可實現主動支護效應的支護措施，其可顯著改善錨固區(qū)(峰后)圍巖力學性能與應力狀態(tài)，故在大變形支護過程中的重要性是不言而喻的?，F今各種擠壓型大變形隧道支護理念(強支硬頂、雙層支護和可讓式支護等)，均強調支護措施的及時性[10?11]。對于擠壓型大變形隧道中的錨桿支護而言，影響支護及時性的首要因素當為鉆孔時效性。受圍巖巖性軟、巖體破碎、鉆孔孔縮等不利因素影響，極易出現卡鉆、掉鉆及鉆孔效率低下等問題[12]，極大地影響了錨桿，尤其是長錨桿，在大變形隧道中的成功應用。目前隧道工程中，常用的錨桿鉆機設備按破巖方式分，主要有2種：旋轉式和沖擊?旋轉式。對于旋轉式鉆機影響鉆進速度的主要控制參數為扭矩、轉速、推進力等[13]，同時，液壓旋轉鉆機的性能一般要優(yōu)于氣動旋轉鉆機。對于沖擊?旋轉式鉆機，其主要控制參數為沖擊功率，以氣動式鑿巖機應用最為廣泛[14]。實際隧道工程中，對于采用何種錨桿鉆機，一般均優(yōu)先選用大功率機型，如鉆車式錨桿鉆機，亦或僅根據普式系數選擇鉆機，忽略了具體工程的圍巖條件，也缺乏對各控制參數適用性的評價與優(yōu)選[4]。為此，以渭武高速木寨嶺隧道為工程背景，結合對巖石的可鉆性分析，選擇適宜的錨桿施工機具，進行現場鉆孔試驗，通過對不同鉆機的成孔效率及錨桿施工工藝開展系統研究，提出擠壓型軟巖大變形隧道錨桿適宜施工機具及工藝，以期為實現錨桿的主動及時支護提供實際應用支撐。

1 工程概況

渭武高速木寨嶺隧道穿越漳河與洮河的分水嶺木寨嶺，橫跨漳縣、岷縣兩縣。隧道采用分離式設計，其中左線進口里程ZK210+635，出口里程ZK225+856，全長15 231 m；右線進口里程K210+ 635，出口里程K225+798，全長15 173 m；洞身最大埋深約 629.1 m。隧址區(qū)板巖及炭質板巖段合計長8 850 m，占全隧46.5%以上，發(fā)生大變形地段為炭質板巖、板巖以及斷層巖(圖1)。隧區(qū)內以水平構造應力為最大主應力，方向N34°E，水壓致裂法實測最大水平主應力達24.95 MPa。

圖1 木寨嶺公路隧道地質縱斷面圖(右線)

原初期支護體系采用現今在擠壓型大變形隧道處治中被廣泛應用的“及時強支護”體系。如2號斜井里程XK1+525～XK1+564(埋深568～597 m，薄層狀炭質板巖)設計變更(加強)后的初期支護體系為Φ42超前注漿小導管L-330 cm@40 cm；Φ42徑向全環(huán)注漿小導管 L-400 cm @100*60cm；?8鋼筋網@25*25cm(雙層)；HW200b 型鋼鋼架@60 cm(含仰拱)；C25早強混凝土厚30 cm。然實測的累計下沉量仍高達240～565 mm，累計收斂值637～3 145 mm；最大變形收斂速率831 mm/d，初支混凝土開裂破壞嚴重，鋼架扭曲初支變形侵限拆換段約39 m長，如圖2所示。有鑒于此，提出采用以(長)錨桿為核心的及時主動支護理念(預應力)，以更好地保持圍巖的完整性，減小巖體強度的降低，構建以“錨桿?圍巖”為主的支護體系，進而實現隧道斷面位移的成功控制。

圖2 K1+525~K1+564左邊墻~左拱腰初期支護變形

2 鉆孔特性分析

2.1 巖石特性

木寨嶺公路隧道區(qū)域內，除石炭系砂巖及灰?guī)r為硬質巖外，二疊系炭質板巖、砂巖均為較硬巖，單軸飽和抗壓強度很難達到 30 MPa 以上；古近系砂礫巖、泥巖均為軟巖。鑒于木寨嶺公路隧道大變形段圍巖以炭質板巖為主，如圖3所示，故后續(xù)分析以其為對象進行。

木寨嶺公路隧道炭質板巖巖性致密，結構細。單軸飽和抗壓強度15~30 MPa，力學特性上表現為微膨脹性，遇水易軟化，隧道開挖臨空后，圍巖易發(fā)生塑性變形而擠入?？傮w上，該炭質板巖在巖性上表現為強度低、塑性高、組成顆粒細膩、微膨脹性和遇水易軟化等特性，結合高地應力、巖體破碎及水鉆(鉆孔)工藝等不利因素影響，預計鉆孔過程中將不可避免且極易出現鉆進慢、塌孔、孔徑縮小和卡鉆等現象。

圖3 典型炭質板巖(薄層狀)

2.2 鉆機動力參數與鉆進速度

常用錨桿鉆機破巖方式有2種：旋轉式和沖擊?旋轉式。

對于旋轉式鉆機，影響鉆進速度的主要因素為轉速，推進力和回轉轉矩。

鉆機的適宜轉速與巖石的普氏系數有關[15]：

式中：為切削速度常數，6 000~10 300 mm.r/min；為鉆頭直徑，mm；為巖石普氏硬度系數。根據2.1節(jié)，取=10 300 mm?r/min(軟巖)，=5，=32 mm，計算得到最優(yōu)額定轉速=364 r/min。

鉆機的適宜推力，其與侵入巖石深度存在下述關系[16]：

式中：為侵入系數，t/mm；為常數，0.5~2，軟巖取1。而鉆(進)速(度)與侵入巖石深度和轉速間則存在如下關系：

現設定目標鉆速=1 m/min=0.016 7 m/s，根據文獻[16]，=5，取=5 500 N/mm2，計算得= 7.55 kN。

鉆機的適宜轉矩[17]，一般指鉆進過程中鉆頭受到的阻力轉矩計算公式如下：

上述分析可看出，木寨嶺公路隧道特點地質條件下，選定鉆孔直徑=32 mm，旋轉式鉆機適宜參數指標為：轉速=364 r/min；推力=7.55 kN；轉矩=57.92 N?m。

對沖擊?旋轉式，影響鉆進速度的因素，主要是沖擊功率(沖擊能和沖擊頻率。文獻[18]給出了鐵路隧道一般巖石、釬頭直徑 40 mm 時的鉆速計算公式：

式中：k為釬頭直徑修正系數，40 mm，k=1；38 mm，k=1.324；42 mm，k=0.907。k為壓氣壓力對鑿碎比功影響的修正系數，當壓氣壓力為 0.63 MPa，k=1。但實際工程中，對于沖擊?旋轉式鉆機鉆進，存在最優(yōu)沖擊頻率與沖擊能。主要基于下述2點：一為如功率過高，巖渣無法及時排出，堆積于底部，吸收沖擊能量；二為如沖擊頻率過高，破巖過程不充分。

3 現場鉆孔試驗

隧道錨桿施工，目前仍舊以獨立式鉆機為主，其一為單體式鉆機，二為鉆車式鉆機。為此，結合對木寨嶺隧道圍巖地質、施工特點(三臺階)及鉆機動力參數與鉆速間關系的分析，共計選擇5種鉆孔機具。旋轉式單體鉆機選擇礦山隧道應用最廣的MQT-130/3.2氣動錨桿鉆機和MYT-125/330液壓錨桿鉆機；沖擊?旋轉式單體鉆機選擇YG80導軌式鑿巖機(大功率)和YT28型氣腿式鑿巖機(公路隧道應用最廣)；鉆車式鉆機選擇四川鉆神ZLS-120。

3.1 旋轉式單體鉆機

采用旋轉式鉆機打設φ32 mm鉆孔，根據第2.2節(jié)計算，鉆孔直徑=32 mm時，旋轉式鉆機適宜參數指標為：轉速=364 r/min；推力=7.55 kN；轉矩=57.92 N?m。表1~2分別為MQT-130/3.2氣動錨桿鉆機和MYT-125/330液壓錨桿鉆機的關鍵參數，可看出，二者的關鍵參數除鉆速較低外均能符合計算參數值。

表1 MQT-130/3.2氣動錨桿鉆機關鍵參數

注：適用于≤10的各種煤巷、半煤巖巷、巖巷的錨護作業(yè)。

表2 MYT-125/330液壓錨桿鉆機參數

注：適用于≤8的各種煤巷、半煤巖巷、巖巷的錨護作業(yè)。

MQT-130/3.2氣動錨桿鉆機現場鉆孔試驗共開展2次。試驗例1，木寨嶺隧道2號斜井里程K1+ 710，炭質板巖，拱頂沉降382 mm，于右邊墻部位，鉆φ32 mm孔，0~3 m耗時約8 min，3~4 m出現嚴重卡鉆，無法繼續(xù)；試驗例2，同一位置，鉆進4 m，鉆桿折斷。

MYT-125/330液壓錨桿鉆機現場鉆孔試驗共開展2次。試驗例1，木寨嶺隧道2號斜井里程K1+ 717，炭質板巖，巖體破碎，拱頂沉降376 mm，于拱頂部位，鉆5 m深φ32 mm孔，共計10個，每孔耗時8~10 min，有效鉆速(除去鉆桿加長耗時)約0.8 m/min；試驗例2，木寨嶺隧道2號斜井里程K1+720，炭質板巖，巖體破碎，拱頂沉降368 mm，于拱頂部位，鉆10 m深φ32 mm孔，共計1個，耗時約 1 h。

總體而言，MYT-125/330液壓鉆機施鉆效率明顯要高，究其原因應為關鍵參數?轉速(330 r/min，260 r/min)的差異，結合巖性分析，表明軟巖隧道(<5)優(yōu)選額定轉速高的旋轉式鉆機。對于長錨孔的施工，MQT-130/3.2不具備適用性；MYT-125/330的效率不高，同時其只可施工拱頂部位(基本不存在返渣問題)的錨桿，適用性亦不高。

3.2 沖擊?旋轉式單體鉆機

沖擊旋轉式鉆機的關鍵鉆進參數主要為沖擊能和沖擊頻率，表3~4分別給出了YG80導軌式鑿巖機和YT28氣腿式鑿巖機的關鍵性能參數。

表3 YG80鑿巖機參數

注：適用于中硬或堅硬(=8~18)巖石的多方位巖孔。

表4 YT28鑿巖機參數

注：適用于中硬或堅硬(=8～18)巖石上鉆鑿水平或傾斜方向炮孔或錨桿孔。

YG80鑿巖機現場鉆孔試驗共開展1次。木寨嶺隧道2號斜井里程K1+725，炭質板巖，巖體破碎，拱頂沉降348 mm，于左邊墻部位，鉆7.5 m深(極限深度)φ50 mm孔，共計1個，耗時1 h。鉆孔過程顯示，巖層大多表現為軟弱堅硬夾層互層，鉆進過程中需放緩鉆速，出現卡鉆趨勢時，應停止鉆進，反復掏孔空鉆，清除碎渣，而后方可繼續(xù)鉆進，孔深度超5~6 m時，卡鉆趨勢愈發(fā)明顯。

YT28鑿巖機現場鉆孔試驗共開展2次。試驗例1，木寨嶺隧道2號斜井里程K1+728，炭質板巖，巖體破碎，拱頂沉降344 mm，于右邊墻部位，鉆4.5~5 m深φ42 mm孔，共計3個，每孔平均耗時約15~20 min，有效鉆速(除去鉆桿加長耗時)約0.4 m/min；試驗例2，木寨嶺隧道2號斜井里程K1+730，炭質板巖，巖體破碎，拱頂沉降346 mm，于右邊墻部位，鉆10 m深φ42 mm孔，共計4個，耗時分別為1，1.5，1.4和2 h，其中3個鉆孔無法成功塞入錨桿。表5給出了1 h耗時的具體功效。表5所示，0~3 m耗時8 min，3~6 m耗時16 min，6~10 m耗時36 min，表明隨鉆進深度增加每延米的成孔耗時逐漸增大。

表5 10 m鉆孔功效表

總體而言，YT28鉆效率明顯要高，究其原因主要為沖擊頻率和沖擊能的差異，結合巖性分析，表明軟巖隧道(<5)中較高的沖擊頻率可提升鉆孔效率，但沖擊能不宜提升過多，以免不利于鉆渣排出。對于10長錨孔的施工，YG80鉆不具備適用性；YT28鉆的效率亦不高，超1 h，同時邊墻處的成孔率(該處特指可順利塞入錨桿)低。

3.3 四川鉆神ZLS-120

對于5 m左右的鉆孔，液壓錨桿鉆機和YT28鑿巖機均有很好的施鉆效率，可滿足現場施工需求，但對10 m左右的長錨桿，耗時普遍較長，同時鉆孔成功率低，為此選用大功率的機載式四川鉆神ZLS-120(選擇式)配以自進式工藝，鉆機關鍵參數如表6所示。

木寨嶺隧道2號斜井里程K1+735，炭質板巖，巖體破碎，拱頂沉降341 mm，于右邊墻部位，采用自進式工藝，施打φ32，10 m長錨桿2根，耗時分別為28 min和27 min。具體功效如表7所示。圖4為鉆孔處圍巖巖性，圖5為所用錨桿與鉆頭。

表6 鉆神ZSL-120關鍵參數

表7 “鉆神+自進式錨桿”功效表

圖4 K1+735左側邊墻圍巖

鉆進試驗表明，大功率液壓旋轉式鉆車配以自進式施工工藝，可較好地實現長錨桿的快速施工，且施工功效明顯優(yōu)于單體鉆機，同時鉆進過程平穩(wěn)，穩(wěn)定性佳。故此，建議長錨桿應選用自進式，鉆機選擇大功率的錨桿鉆車。

圖5 自進式錨桿

4 結論

1) 軟巖擠壓型大變形隧道，旋轉式鉆機的控制性參數指標為轉速，應優(yōu)選額定鉆速較高的液壓型鉆機；沖擊?旋轉式鉆機的控制性指標為沖擊頻率，應優(yōu)選沖擊頻率高的鉆機，且沖擊能不宜過大。

2) 木寨嶺特定地質條件(炭質板巖、<5)，基于各類鉆機施鉆成孔過程分析，超5 m深度時，鉆孔易出現塌孔、卡鉆及鉆機鉆進效率低下等問題，建議5 m以上長錨桿優(yōu)選自進式。

3) 5 m內短錨桿的施工，MYT-125/330液壓錨桿鉆機施工拱頂部位錨桿的有效鉆速(除去鉆桿加長耗時)約0.8 m/min，YT28鉆施工邊墻部位錨桿的有效鉆速(除去鉆桿加長耗時)約0.4 m/min；10 m長錨桿施工，可采用大功率臺車式鉆機+自進式錨桿，施工功效30 min/根以內。

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Optimization of construction machine and technology of bolt for large squeezing deformation tunnel in soft rock

GUO Xinxin1, YANG Tielun2, MA Zhenwang1, WANG Zhiwei1, 3, WANG Bo1

(1. Key Laboratory of Transportation Tunnel Engineering, Ministry of Education, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China;2. Gansu Changda Highway Co., Ltd, Lanzhou 730030, China;3. Guiyang Branch of Shanghai General Institute of Political Engineering Design and Research (Group) Co., Ltd, Guiyang 550000, China)

Based on the large deformation section of Muzhailing Highway Tunnel and the analysis of the relationship between rock drillability and drilling rig performance, five different types of bolt construction tools were selected to conduct field drilling tests. The results show that in large squeezing deformation tunnel of low strength carbonaceous slate, rotary drilling rig should select hydraulic drilling rig with higher rated drilling speed, and impact-rotary drilling rig should select drilling rig with higher impact frequency; The drilling depth should be about 5 m. Once this depth is exceeded which problems such as hole collapse, sticking and low drilling efficiency can easily occur in drilling. It is suggested that self-propelled anchor rods above 5 m should be adopted. For the construction of short bolts within 5 m, the effective drilling speed of MYT-125/330 hydraulic anchor drill is about 0.8 m/min at the vault top and 0.4 m/min at the side wall of YT28 drill, and the construction effect is ideal;For the 10 m long bolts, the construction work of “high-power trolley drill+self-propelled bolt” is adopted. The effect can reach 10 m/30 min. The research results can provide a reference for the selection of bolt tools in large deformation tunnel.

tunnel engineering; large deformation of soft rock; bolt construction; bolt drilling machine; efficiency analysis

U451

A

1672 ? 7029(2020)04 ? 0924 ? 07

10.19713/j.cnki.43?1423/u.T20190547

2019?06?20

國家自然科學基金資助項目(51578456，51878571)；甘肅省科技計劃資助項目(19ZD2GA005)

汪波(1975?)，男，安徽郎溪人，教授，博士，從事隧道工程研究；E?mail：ahbowang@163.com

(編輯 陽麗霞)