魏夏鵬， 汪 波， *， 陳偉祥， 王智佼

(1. 西南交通大學(xué) 交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 四川 成都 610031；2. 甘肅長(zhǎng)達(dá)路業(yè)有限責(zé)任公司， 甘肅 蘭州 730030)

0 引言

隨著我國(guó)隧道建設(shè)技術(shù)的快速發(fā)展，隧道施工機(jī)械化以及與之相配套的施工工藝都有了長(zhǎng)足的發(fā)展。參照國(guó)外施工經(jīng)驗(yàn)，國(guó)內(nèi)開展了大量大型機(jī)械化配套下的隧道施工嘗試。例如： 以盤道嶺隧洞為代表逐步引入S200型懸臂掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行開挖作業(yè)[1]； 鋼拱架安裝機(jī)樣機(jī)工業(yè)性試驗(yàn)論證了機(jī)械化立拱的可行性[2]； 山頭隧道的修建推廣了混凝土濕噴機(jī)在國(guó)內(nèi)隧道領(lǐng)域的應(yīng)用[3]； 在蒙華鐵路隧道修建過程中，積極探索了隧道機(jī)械化施工及相關(guān)技術(shù)[4-5]； 在鄭萬高鐵湖北段，采取現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、資料調(diào)研、理論分析等多種手段大幅提高了隧道建設(shè)的機(jī)械化水平，為高速鐵路隧道機(jī)械化配套方案研究提供了參考[6-9]。但目前國(guó)內(nèi)對(duì)于高地應(yīng)力軟巖大變形隧道機(jī)械化施工技術(shù)的探索[10]卻極為匱乏。究其原因，一是目前對(duì)于軟巖大變形控制還沒有成熟的技術(shù)手段[11-12]； 二是在軟巖大變形隧道開挖過程中，常常采用以三臺(tái)階為主體的多工序分部開挖法，作業(yè)面狹窄，無法滿足施工機(jī)械作業(yè)空間[13]。

近年來，隨著以“預(yù)應(yīng)力(讓壓)錨桿(索)系統(tǒng)”為核心載體的“主動(dòng)支護(hù)”技術(shù)[14-15]在木寨嶺公路隧道等軟巖大變形地下工程中的成功應(yīng)用，為軟巖隧道大變形控制開辟了新的途徑。但受軟巖隧道獨(dú)特的圍巖特性及預(yù)應(yīng)力錨索特殊安裝工藝限制，高地應(yīng)力軟巖隧道中預(yù)應(yīng)力錨索施工仍以人工施作為主，施工過程中面臨的“成孔難、工效低、強(qiáng)度高、速度慢”等“瓶頸”技術(shù)問題仍未破解。借鑒鄭萬高鐵高家坪隧道采用機(jī)械化成孔設(shè)備的成功經(jīng)驗(yàn)[16]，在木寨嶺公路隧道中擬采用預(yù)應(yīng)力錨索機(jī)械化施工方法解決上述問題。截至目前，以阿特拉斯為代表的國(guó)內(nèi)外企業(yè)雖開發(fā)了相關(guān)錨桿鉆機(jī)產(chǎn)品，但其基本應(yīng)用在圍巖條件較好、工作面大、開挖后變形量一般的隧道工程中[17]，而在作業(yè)空間狹小，易于塌孔、縮徑的軟巖尤其是破碎軟巖隧道中，現(xiàn)行的錨桿鉆機(jī)設(shè)備受尺寸規(guī)模、成孔效應(yīng)等因素影響，施工工效并不理想或無法適用； 同時(shí)，受集成化與配套施工工藝技術(shù)匱乏的限制，施工過程中無法滿足高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力錨索系統(tǒng)鉆、裝、錨、拉一體化、集成化施工要求。因此，開發(fā)集鉆錨注于一體的專業(yè)化、集成化設(shè)備，除可有力保障高地應(yīng)力軟巖大變形隧道變形可控外，還可大力提升軟巖大變形隧道的施工工效、減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度，促進(jìn)軟巖隧道施工機(jī)械化程度的提高，推動(dòng)軟巖大變形隧道中以預(yù)應(yīng)力錨索為核心的“主動(dòng)支護(hù)”技術(shù)的應(yīng)用。

本文以木寨嶺公路隧道為依托，以多功能錨索臺(tái)車為研發(fā)對(duì)象，開發(fā)集鉆錨注于一體的專業(yè)化、集成化設(shè)備，并開展相應(yīng)工藝、工法、工效等關(guān)鍵技術(shù)研究，以期提高“主動(dòng)支護(hù)”技術(shù)在軟巖隧道中的施工速度與施工質(zhì)量，構(gòu)建高地應(yīng)力軟巖大變形隧道主動(dòng)支護(hù)的機(jī)械化施工模式，改善軟巖大變形隧道施工速度慢、作業(yè)強(qiáng)度高、安全風(fēng)險(xiǎn)大的弊端，助力我國(guó)隧道建設(shè)機(jī)械化、自動(dòng)化進(jìn)程的快速發(fā)展。

1 工程概況與錨索施工現(xiàn)狀

1.1 工程概況

木寨嶺特長(zhǎng)公路隧道位于甘肅中部定西市境內(nèi)，是渭源至武都高速公路的控制性工程，與目前運(yùn)營(yíng)的蘭渝鐵路木寨嶺隧道基本平行，水平距離僅900～1 200 m。隧道主要穿越高傾角單斜構(gòu)造的炭質(zhì)板巖和斷層巖地層，巖體單軸飽和抗壓強(qiáng)度很難達(dá)到30 MPa以上，巖層走向?yàn)?05°，傾向NE，傾角多大于30°，最大水平主應(yīng)力達(dá)到24.95 MPa，具有擠壓性、流變性、遇水崩解性和工程擾動(dòng)敏感性強(qiáng)等明顯的軟巖特點(diǎn)。在隧道施工過程中發(fā)生了大量的大變形災(zāi)害，其中，2#斜井XK1+567～597段在原“強(qiáng)力被動(dòng)”支護(hù)條件下，最大變形量超2 m，斜井拱架拆換率高達(dá)30%?，F(xiàn)場(chǎng)初期支護(hù)大變形如圖1所示。

圖1 初期支護(hù)大變形Fig. 1 Large deformation of primary support

為解決木寨嶺公路隧道大變形現(xiàn)象頻發(fā)的問題，針對(duì)木寨嶺隧道軟巖大變形控制技術(shù)難題開展科研攻關(guān)[18-19]，形成了以預(yù)應(yīng)力錨索為核心的快速主動(dòng)錨固支護(hù)技術(shù)，并在木寨嶺隧道、岷縣隧道進(jìn)行了成功應(yīng)用(見圖2)。隧道收斂變形由之前最大的3.15 m大幅降至0.3 m左右，隧道圍巖變形進(jìn)入可控狀態(tài)，徹底扭轉(zhuǎn)了前期拆換拱頻繁、返工浪費(fèi)、進(jìn)度停滯的被動(dòng)局面。其中，所采用的鳥籠錨索結(jié)構(gòu)如圖3所示，具有永久+及時(shí)(臨時(shí))、高強(qiáng)支護(hù)、大孔徑、及時(shí)后注漿等特點(diǎn)。木寨嶺公路隧道設(shè)計(jì)支護(hù)參數(shù)如表1所示，主動(dòng)支護(hù)襯砌結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖2 主動(dòng)支護(hù)應(yīng)用效果Fig. 2 Active support application effect

圖3 鳥籠錨索結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 3 Birdcage anchor structure

圖4 主動(dòng)支護(hù)襯砌結(jié)構(gòu)示意圖(單位： cm)Fig. 4 Active support lining structure (unit: cm)

表1 木寨嶺公路隧道設(shè)計(jì)支護(hù)參數(shù)Table 1 Design support parameters of Muzhailing highway tunnel

1.2 木寨嶺公路隧道預(yù)應(yīng)力錨索施工現(xiàn)狀

在木寨嶺公路隧道修建中，主要依靠人工+單體式鉆機(jī)進(jìn)行預(yù)應(yīng)力錨索施工[20]。圖5和圖6分別為預(yù)應(yīng)力錨索人工安裝流程圖和現(xiàn)場(chǎng)圖。其施工過程中常面臨“安全風(fēng)險(xiǎn)高、成孔難且慢、施工人員多、工序銜接不緊湊、施作周期長(zhǎng)、錨固質(zhì)量波動(dòng)大、預(yù)應(yīng)力檢(監(jiān))測(cè)難”等“瓶頸”問題。錨索單個(gè)施工循環(huán)超過10 h，錨索孔塌孔、縮孔現(xiàn)象頻發(fā)，嚴(yán)重制約著軟巖大變形隧道施工速度及工程進(jìn)程。同時(shí)，錨索鉆孔、安裝、攪拌、張拉需要大量的施工人員，導(dǎo)致施工人員作業(yè)強(qiáng)度高、作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)，因此亟需構(gòu)建可實(shí)現(xiàn)鉆、裝、錨、拉一體化的施工設(shè)備。

(a) 人員鉆孔

(b) 錨固劑裝填

(c) 錨固劑攪拌

(d) 墊板錨索安裝

(e) 錨索張拉圖6 錨索人工安裝現(xiàn)場(chǎng)圖Fig. 6 Manual installation of anchor cables

2 預(yù)應(yīng)力錨索一體化施工設(shè)備的研發(fā)與集成

2.1 國(guó)內(nèi)外錨桿鉆機(jī)設(shè)備調(diào)研及特性分析

近年來，國(guó)內(nèi)外企業(yè)開發(fā)了眾多錨桿施工設(shè)備，但普遍存在如下問題：

1)尺寸方面?，F(xiàn)有的機(jī)械設(shè)備尺寸是按照全斷面或兩臺(tái)階施工這類工作空間大的隧道進(jìn)行設(shè)計(jì)的，而在以三臺(tái)階施工為主的軟巖大變形隧道中由于受到尺寸限制，現(xiàn)有機(jī)械設(shè)備難以施工。

2)鉆孔方面。軟弱破碎圍巖條件下長(zhǎng)錨孔適配鉆孔機(jī)具研究[20]表明，常規(guī)鑿巖系統(tǒng)缺乏對(duì)軟巖鉆孔、排渣方式的適用性和針對(duì)性設(shè)計(jì)，成孔過程中塌孔、縮孔現(xiàn)象頻發(fā)。

3)功能方法。集成化程度低，大部分設(shè)備只能實(shí)現(xiàn)鉆孔功能； 部分設(shè)備雖可實(shí)現(xiàn)普通錨桿鉆、注、錨功能，如MT1G智能錨注一體臺(tái)車，但仍無法適用于安裝程序復(fù)雜(鉆、裝、錨、拉)、桿體缺乏剛度的預(yù)應(yīng)力錨索。

為此，亟需依靠現(xiàn)有隧道鑿巖技術(shù)，通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和相關(guān)技術(shù)研發(fā)，形成適用于破碎軟弱圍巖預(yù)應(yīng)力錨索施工的成套施工技術(shù)，研發(fā)集鉆、裝、錨、拉于一體的專業(yè)化、集成化設(shè)備。

2.2 預(yù)應(yīng)力錨索一體化施工設(shè)備

通過對(duì)鑿巖系統(tǒng)、錨索張拉機(jī)構(gòu)、智能張拉設(shè)備、注漿關(guān)鍵技術(shù)的改進(jìn)與研發(fā)，形成了集鉆、裝、錨、拉、測(cè)功能于一體的預(yù)應(yīng)力錨索施工設(shè)備。其依靠鑿巖系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)軟巖大變形隧道錨索孔的快速鉆進(jìn)，提升錨索成孔率； 通過錨索安裝機(jī)構(gòu)，提高錨索安裝質(zhì)量； 利用智能張拉設(shè)備，提高錨索預(yù)應(yīng)力施加效果，減少預(yù)應(yīng)力損失，實(shí)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力錨索施工質(zhì)量可視化； 通過注漿工藝優(yōu)化，提高預(yù)應(yīng)力錨索的可靠性及耐久性； 依靠錨索機(jī)械化施工方法，降低預(yù)應(yīng)力錨索施工勞動(dòng)強(qiáng)度及人員數(shù)量。

2.3 軟巖及破碎巖體中鉆孔方法

迄今為止，采用機(jī)械破碎巖石的鉆孔方法主要有旋轉(zhuǎn)式、沖擊-旋轉(zhuǎn)式、旋轉(zhuǎn)-沖擊式[21]。為探求適用于軟巖隧道錨索孔的鉆孔方法，于武都右線ZK219+645處開展機(jī)械旋轉(zhuǎn)式和機(jī)械沖擊-旋轉(zhuǎn)式成孔試驗(yàn)，并與人工成孔方法進(jìn)行對(duì)比，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 不同設(shè)備鉆孔情況Table 2 Drilling of different equipments

試驗(yàn)結(jié)果表明，人工成孔受設(shè)備功率和相關(guān)配套構(gòu)件的影響難以完成孔深為10 m的鉆孔，且鉆孔速度較慢； 采用適用于軟巖的機(jī)械旋轉(zhuǎn)式成孔方法進(jìn)行施工，其鉆孔功效差，單個(gè)成孔時(shí)間超過1 h，難以滿足施工要求。究其原因是： 不同深度圍巖的力學(xué)性質(zhì)差異較大，存在軟硬巖相互疊加交錯(cuò)的情況，當(dāng)鉆頭遇到硬巖時(shí)，難以成孔。

針對(duì)上述2種成孔方法效率較低的問題，后續(xù)采用適應(yīng)性更強(qiáng)的機(jī)械沖擊-旋轉(zhuǎn)式進(jìn)行鉆孔，其基本思路是： 在軟巖環(huán)境中，鉆機(jī)以切削鉆孔為主，根據(jù)需要輔以沖擊，在旋轉(zhuǎn)鉆孔時(shí)超前沖擊破巖，孔底巖石產(chǎn)生微觀裂隙，使得旋轉(zhuǎn)鉆孔更為有效； 當(dāng)遇到局部堅(jiān)硬巖石時(shí)，以沖擊鉆孔為主，充分發(fā)揮沖擊破巖的特點(diǎn)。此外，通過優(yōu)化改進(jìn)液壓系統(tǒng)比例控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)鑿巖機(jī)無極控制，使得鉆孔更具操作性，操作人員可根據(jù)操作經(jīng)驗(yàn)、排渣水的顏色以及機(jī)械動(dòng)作反饋及時(shí)判斷巖石的軟硬程度，實(shí)時(shí)調(diào)整鑿巖機(jī)的沖擊頻率、鉆孔頂推力、切削速度，使得單個(gè)10 m孔深的成孔時(shí)間降低到20 min以內(nèi)。最終，形成了適配高地應(yīng)力軟巖隧道“長(zhǎng)、大”錨索孔快速成孔技術(shù)——可無極調(diào)節(jié)機(jī)械沖擊-旋轉(zhuǎn)式鉆孔技術(shù)。

2.4 軟巖隧道鉆孔排渣方法

目前，隧道鉆孔排渣以水力排渣和高壓風(fēng)排渣為主，而現(xiàn)場(chǎng)施工揭示這2種排渣方式應(yīng)用于軟巖隧道時(shí)存在一定弊端。采用水力排渣，因軟弱圍巖存在遇水易軟化的特性，受破巖擾動(dòng)的錨孔極易塌孔； 采用高壓風(fēng)排渣，則會(huì)使洞內(nèi)產(chǎn)生大量灰塵，導(dǎo)致洞內(nèi)施工環(huán)境極差。為滿足軟弱圍巖排渣要求，現(xiàn)場(chǎng)嘗試了高壓風(fēng)+孔口水霧降塵排渣和水霧排渣方式，結(jié)果表明，水霧排渣方式更適合軟弱圍巖。不同排渣方式的排渣效果如表3所示。

表3 不同排渣方式排渣效果Table 3 Slag discharge effect of different slag discharge methods

水霧排渣原理如圖7所示，由水管和風(fēng)管接入鑿巖機(jī)內(nèi)部，使得風(fēng)水充分混合形成水霧，進(jìn)行排渣。現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用揭示，水霧排渣更適合于軟巖隧道，其存在以下明顯優(yōu)勢(shì)： 1)水霧可充分吸附鑿巖所產(chǎn)生的灰塵，極大改善了施工人員的作業(yè)環(huán)境； 2)出渣以水霧的形式在孔內(nèi)流動(dòng)，孔周圍巖性質(zhì)為不易遇水軟化，成孔效果好； 3)水霧出渣可以較好地控制鉆桿、鉆頭的溫度，提高其使用壽命。

1—圍巖； 2—鉆頭； 3—鉆桿； 4—釬尾； 5—鑿巖機(jī)； 6—高壓水管； 7—水流控制閥； 8—風(fēng)壓控制閥； 9—高壓風(fēng)管。圖7 水霧排渣原理圖Fig. 7 Water mist slag discharge principle

2.5 預(yù)應(yīng)力錨索安裝機(jī)構(gòu)

預(yù)應(yīng)力錨索安裝質(zhì)量的好壞直接影響其效用的發(fā)揮。利用人工進(jìn)行預(yù)應(yīng)力錨索安裝具有施工人員數(shù)量多、安裝效率低、施作效果差等弊端。預(yù)應(yīng)力錨索施工操作簡(jiǎn)單、安裝步驟固定，通過施工動(dòng)作分解、機(jī)械機(jī)構(gòu)模擬、相關(guān)設(shè)備組合，研發(fā)了具備送錨固劑、送索、錨固劑攪拌功能于一體的預(yù)應(yīng)力錨索安裝機(jī)構(gòu)，包括錨索攪拌裝置、推送裝置和夾持裝置，如圖8所示。其錨索推送裝置可實(shí)現(xiàn)快速送錨固劑及送索，待錨固劑及錨索就位，利用錨索攪拌裝置帶動(dòng)錨索快速旋轉(zhuǎn)并推動(dòng)錨索前進(jìn)，對(duì)錨固劑進(jìn)行充分?jǐn)嚢瑁瑥亩鴮?shí)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力錨索快速錨固。

(a) 結(jié)構(gòu)示意圖

(b) 機(jī)構(gòu)搭載圖8 預(yù)應(yīng)力錨索安裝機(jī)構(gòu)Fig. 8 Prestressed anchor cable installation mechanism

2.6 預(yù)應(yīng)力張拉設(shè)備

預(yù)應(yīng)力錨索作為主動(dòng)支護(hù)的核心結(jié)構(gòu)，其施工質(zhì)量直接關(guān)系到支護(hù)效果，進(jìn)一步將影響所支護(hù)隧道工程的安全性與耐久性。在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施過程中，針對(duì)錨索預(yù)應(yīng)力施工的核心關(guān)鍵環(huán)節(jié)——張拉，以錨索錨下有效預(yù)應(yīng)力檢測(cè)為重點(diǎn)，形成了融合智能張拉施工、檢測(cè)于一體的隧道錨索預(yù)應(yīng)力智能張拉設(shè)備，如圖9所示。該設(shè)備可根據(jù)預(yù)應(yīng)力錨索設(shè)計(jì)要求調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)，以此來改變錨索最大預(yù)緊力以及分級(jí)張拉參數(shù)，極大地簡(jiǎn)化了現(xiàn)場(chǎng)錨索預(yù)應(yīng)力施工程序，有效提高了錨索錨下預(yù)應(yīng)力，并可準(zhǔn)確了解每根錨索預(yù)應(yīng)力施加效果，控制錨索施工質(zhì)量。

1—智能數(shù)控泵站； 2—自適應(yīng)張拉千斤頂； 3—操作控制軟件； 4—伺服控制系統(tǒng)。圖9 PT-20M隧道錨索預(yù)應(yīng)力智能張拉設(shè)備Fig. 9 Tunnel cable prestressed intelligent tensioning equipment-PT-20M

2.7 注漿關(guān)鍵技術(shù)

基于汪波等[15]學(xué)者的研究，在木寨嶺公路隧道中采用具備“及時(shí)(樹脂端錨)+永久(水泥漿全長(zhǎng)錨固)”特點(diǎn)的預(yù)應(yīng)力鳥籠錨索系統(tǒng)。樹脂錨固段可快速提供高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力，實(shí)現(xiàn)及時(shí)主動(dòng)支護(hù)目的； 后注漿段可增加錨索系統(tǒng)的安全性，對(duì)預(yù)應(yīng)力錨索起到補(bǔ)強(qiáng)與防護(hù)的功能。但受限于對(duì)注漿工藝、設(shè)備的研究相對(duì)較少，現(xiàn)場(chǎng)注漿效果欠佳，常出現(xiàn)露漿、注漿不飽滿等問題。

通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及對(duì)錨索注漿裝置的改進(jìn)，形成了適用于軟巖隧道的注漿工藝。鳥籠錨索設(shè)置可實(shí)現(xiàn)注漿功能的注漿管、防腐套管和阻漿件，采用錨索專用注漿泵(見圖10)對(duì)錨索進(jìn)行注漿，漿液由注漿管通過注漿口、防腐套管到達(dá)阻漿件，再返漿到達(dá)孔口，如圖11和圖12所示。水泥漿水灰比設(shè)置為(0.35～0.45)∶1，注漿壓力為1～1.5 MPa。

圖10 錨索專用注漿泵Fig. 10 Special grouting pump for anchor cable

圖11 注漿示意圖Fig. 11 Grouting diagram

圖12 鳥籠錨索注漿Fig. 12 Schematic of birdcage anchor cable grouting

2.8 多功能錨索臺(tái)車關(guān)鍵技術(shù)集成

經(jīng)過上述相關(guān)技術(shù)研發(fā)與儲(chǔ)備，以多功能錨索臺(tái)車為基礎(chǔ)，通過功能集成、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、設(shè)備調(diào)試，將其主要功能集成于3條工作臂上，主臂搭載立拱支撐平臺(tái)，副臂兩側(cè)配備鑿巖系統(tǒng)，副臂多功能平臺(tái)可完成輔助立拱作業(yè)，鑿巖臂及副臂多功能平臺(tái)具備豎向旋轉(zhuǎn)及水平旋轉(zhuǎn)功能。預(yù)應(yīng)力錨索安裝裝置可實(shí)現(xiàn)于副臂多功能平臺(tái)快速搭載與拆卸，預(yù)應(yīng)力張拉設(shè)備與注漿設(shè)備依靠臺(tái)車為其提供電力，當(dāng)施工人員受空間限制時(shí)(如拱頂)，可根據(jù)實(shí)際施工需求搭載錨索自動(dòng)張拉設(shè)備及注漿管，完成相應(yīng)施工作業(yè)。其工作臂采用“折疊+伸縮”結(jié)構(gòu)，最大作業(yè)高度和寬度分別達(dá)到13 m和15 m，能夠適應(yīng)三臺(tái)階、半斷面和全斷面施工作業(yè)。最終形成了具備機(jī)械立拱及預(yù)應(yīng)力錨索鉆、裝、錨、拉、測(cè)等功能于一體的多功能錨索臺(tái)車(見圖13)，具有功能集成性高、工作面適應(yīng)性廣、施工穩(wěn)定性強(qiáng)等特點(diǎn)。設(shè)備主要性能參數(shù)如表4所示。

圖13 KGZ9300多功能錨索臺(tái)車示意圖Fig. 13 KGZ9300 multifunctional anchor cable trolley

表4 多功能錨索臺(tái)車主要性能參數(shù)Table 4 Main performance parameters of multifunctional anchor cable trolley

3 “鉆裝錨拉”一體化主動(dòng)支護(hù)機(jī)械建造技術(shù)在木寨嶺公路隧道中的應(yīng)用

3.1 試驗(yàn)段落選取

為驗(yàn)證以預(yù)應(yīng)力錨索為核心的主動(dòng)支護(hù)體系全機(jī)械化施工效果，選取木寨嶺公路隧道右線YK219+664～+695共計(jì)31 m開展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。地勘資料顯示，試驗(yàn)段處于斷層影響帶，圍巖主要為中風(fēng)化炭質(zhì)板巖，呈薄層狀構(gòu)造，為碎裂狀松散結(jié)構(gòu)。掌子面圍巖如圖14所示。

圖14 YK219+664～+695段掌子面圍巖Fig. 14 Tunnel face surrounding rock in YK219+664～+695

3.2 預(yù)應(yīng)力錨索機(jī)械化施工工藝及施工效果

3.2.1 預(yù)應(yīng)力錨索機(jī)械化施工工藝

通過上述錨索施工關(guān)鍵技術(shù)研究與設(shè)備集成，組合軟巖隧道鉆孔排渣方法、錨索安裝技術(shù)、預(yù)應(yīng)力自動(dòng)張拉設(shè)備以及注漿關(guān)鍵技術(shù)，形成“鳥籠”錨索機(jī)械化施工工藝。施工工藝流程如圖15所示。設(shè)備進(jìn)入指定位置后，展開2個(gè)副機(jī)械臂進(jìn)行錨索施工作業(yè)，智能張拉設(shè)備及專用注漿泵一并移入工作面。首先，利用副臂所搭載的鑿巖臂進(jìn)行鑿巖作業(yè)，鑿巖完成后鑿巖臂旋轉(zhuǎn)至與副臂平行，將副臂多功能平臺(tái)水平旋轉(zhuǎn)至指定位置完成錨索安裝攪拌施工作業(yè)，如圖16所示。待錨索錨固之后，進(jìn)行錨索相關(guān)配件安裝以及預(yù)應(yīng)力施加作業(yè)，拱頂及人員難以操作處，將張拉設(shè)備搭載于多功能錨索平臺(tái)進(jìn)行施作，張拉完成后進(jìn)行注漿作業(yè)。

圖15 預(yù)應(yīng)力錨索機(jī)械化施工工藝流程Fig. 15 Flowchart of mechanized construction of prestressed anchor cables

圖16 預(yù)應(yīng)力錨索機(jī)械化施工示意圖Fig. 16 Schematic of mechanized construction of prestressed anchor cable

3.2.2 預(yù)應(yīng)力錨索施作效果分析

為了對(duì)比人工與機(jī)械施工模式下錨索施作效果，以錨索有效預(yù)應(yīng)力為評(píng)價(jià)指標(biāo)，利用預(yù)應(yīng)力錨索無損檢測(cè)手段，選取人工和機(jī)械化施工模式下的預(yù)應(yīng)力錨索各50個(gè)進(jìn)行錨索有效預(yù)應(yīng)力檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如圖17所示。

圖17 錨索有效預(yù)應(yīng)力Fig. 17 Effective prestress of anchor cable

檢測(cè)結(jié)果表明，人工施作模式下預(yù)應(yīng)力錨索的有效預(yù)應(yīng)力主要集中在150～250 kN，其中150～200 kN占比達(dá)到37%。相比而言，機(jī)械施工模式下錨索有效預(yù)應(yīng)力較人工施作錨索有效預(yù)應(yīng)力有較為明顯的提高，有效預(yù)應(yīng)力主要集中在250～400 kN，提升達(dá)100 kN左右，預(yù)應(yīng)力低于150 kN的錨索僅占8%。究其原因是： 1)機(jī)械化施工模式下，錨索孔成孔質(zhì)量更好，其孔壁更加規(guī)整，孔的直線性更好； 2)錨固劑攪拌更加充分，攪拌時(shí)間和速率得以保證； 3)錨索張拉更智能，使得錨索張拉可控、可調(diào)。可見，機(jī)械施工模式下預(yù)應(yīng)力錨索預(yù)應(yīng)力的大幅增加，有利于提高預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)效果，控制圍巖變形。

3.3 基于“鉆裝錨拉”一體化關(guān)鍵設(shè)備的全機(jī)械化施工方法

為徹底解決軟巖隧道施工速度慢、勞動(dòng)強(qiáng)度大的問題，根據(jù)主動(dòng)支護(hù)理念，以“鉆、裝、錨、拉”一體化關(guān)鍵設(shè)備為基礎(chǔ)，發(fā)揮各種大型機(jī)械設(shè)備的優(yōu)勢(shì)功能，構(gòu)建軟巖隧道全機(jī)械化施工方法，施工流程如圖18所示，施工設(shè)備配備如表5所示。

圖18 軟巖隧道全機(jī)械化施工流程Fig. 18 Fully-mechanized construction process of soft rock tunnel

表5 軟巖隧道全機(jī)械化施工設(shè)備配備Table 5 Equipment configuration of fully-mechanized construction in soft rock tunnel

表5(續(xù))

軟巖隧道全機(jī)械化施工特點(diǎn)表現(xiàn)為： 1)設(shè)計(jì)“新”理念，以快速預(yù)應(yīng)力錨固系統(tǒng)為核心支護(hù)構(gòu)件，“主動(dòng)”調(diào)動(dòng)圍巖承載能力，避免軟巖隧道大變形災(zāi)害的發(fā)生； 2)開挖“微”擾動(dòng)，根據(jù)隧道圍巖特征(軟弱圍巖)采用懸臂掘進(jìn)機(jī)開挖替代爆破開挖，極大降低了爆破開挖對(duì)圍巖的擾動(dòng)，有利于圍巖自承能力的發(fā)揮； 3)支護(hù)“快”施作，依靠機(jī)械化施工快速、高效的特點(diǎn)，將支護(hù)結(jié)構(gòu)快速施加于圍巖，單循環(huán)初期支護(hù)施作時(shí)間較人工施作時(shí)間減少近1 h，對(duì)于及時(shí)扼制圍巖變形、保證工期、提高工效有至關(guān)重要的作用； 4)錨索施作效果“可視化”，依靠錨索預(yù)應(yīng)力智能張拉設(shè)備可充分了解每一根預(yù)應(yīng)力錨索施作情況，確保預(yù)應(yīng)力錨索施作的質(zhì)量； 5)人員“精”、質(zhì)量“高”，大型機(jī)械設(shè)備的應(yīng)用大幅減少了現(xiàn)場(chǎng)施工人員數(shù)量，初期支護(hù)施工人員減少了1/5。

3.4 軟巖大變形隧道全機(jī)械化施工效果分析

3.4.1 洞周位移分析

為比較2種施工模式下圍巖位移變化規(guī)律，在試驗(yàn)中獲取了人工模式下YK219+660和機(jī)械化施工模式下YK219+665、670、675、680、685、690共計(jì)7個(gè)斷面的洞周收斂速度和洞周收斂時(shí)程曲線，如圖19和圖20所示。

圖19 洞周收斂速度時(shí)程曲線Fig. 19 Convergence rate-time curves around tunnel

圖20 洞周收斂時(shí)程曲線Fig. 20 Convergence time-history curves around tunnel

從圖19可以看出，人工和機(jī)械化施作預(yù)應(yīng)力錨索時(shí)各斷面收斂時(shí)程曲線均呈現(xiàn)加速、發(fā)展、減速﹑收斂4個(gè)典型階段[22]，其中，YK219+660、665、670、675、680、685、690最大洞周收斂速度分別為132、46、61、68、48、79、82 mm/d，較人工模式下最大收斂速度降幅最大達(dá)到65.2%。

從圖20可以看出，K219+660斷面洞周最大收斂達(dá)732 mm，遠(yuǎn)超預(yù)留變形量，且變形仍有繼續(xù)發(fā)展的趨勢(shì)，不得不在后續(xù)施工過程中進(jìn)行拆換拱； 在采取機(jī)械化施工模式后，僅有機(jī)械化施工起始段落斷面處洞周收斂較大，最大值達(dá)594 mm，其余施工斷面洞周收斂值較為明顯地下降，最小值僅為376 mm，與K219+660洞周收斂最大值相比下降率達(dá)48.6%?？梢?，預(yù)應(yīng)力錨索鉆錨注一體的機(jī)械化施工模式可充分發(fā)揮主動(dòng)支護(hù)體系的變形控制效果，能有效限制圍巖位移。

3.4.2 施工工效分析

在采用全機(jī)械化施工方法之后，高地應(yīng)力軟巖隧道施工由之前依靠大量的施工人員轉(zhuǎn)變?yōu)橐揽看笮蜋C(jī)械設(shè)備，初期支護(hù)施工人員、施工時(shí)間均顯著降低，機(jī)械化施工與傳統(tǒng)施工方法所需作業(yè)人員和作業(yè)時(shí)間對(duì)比如表6和表7所示。

表6 機(jī)械化施工與傳統(tǒng)施工方法作業(yè)人員對(duì)比表Table 6 Comparison of labors between mechanized construction and traditional construction method

表7 機(jī)械化施工與傳統(tǒng)施工方法作業(yè)時(shí)間對(duì)比表Table 7 Comparison of working time between mechanized construction and traditional construction method

綜上所述，全機(jī)械化施工方法在施工過程中展現(xiàn)出了較為明顯的優(yōu)勢(shì)。使用懸臂掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行開挖，大幅減少了爆破開挖對(duì)圍巖的擾動(dòng)，圍巖自承能力大幅提高； 機(jī)械化立拱轉(zhuǎn)變了之前“人拉硬抗”立拱模式，在縮短作業(yè)時(shí)間的同時(shí)，極大地降低了施工人員的勞動(dòng)強(qiáng)度； 預(yù)應(yīng)力錨索施工速度與施工質(zhì)量在多功能錨索臺(tái)車的加持下得以保證； 大型設(shè)備組合施工發(fā)揮了設(shè)備的組合優(yōu)勢(shì)作用，隧道整體施工質(zhì)量、施工速度有質(zhì)的提升。

4 結(jié)論與建議

本文以木寨嶺公路隧道為工程依托，形成鉆孔、排渣、安裝、張拉、注漿等軟巖大變形隧道預(yù)應(yīng)力錨索施工關(guān)鍵技術(shù)，進(jìn)而集成研發(fā)鉆、裝、錨、拉一體化預(yù)應(yīng)力錨索施工設(shè)備，最終構(gòu)建了軟巖大變形隧道全機(jī)械化施工方法。得出結(jié)論如下：

1)預(yù)應(yīng)力錨索機(jī)械化施工關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)與集成，為實(shí)現(xiàn)軟弱破碎圍巖預(yù)應(yīng)力錨索高效、穩(wěn)定施工提供了一套新的施工工藝及設(shè)備。

2)集成預(yù)應(yīng)力錨索關(guān)鍵施工技術(shù)的一體化施工設(shè)備可確保預(yù)應(yīng)力錨索施工質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力的穩(wěn)定施加，根據(jù)試驗(yàn)段錨索預(yù)應(yīng)力檢測(cè)結(jié)果，機(jī)械施工模式下錨索有效預(yù)應(yīng)力量值集中在250～400 kN，相較于人工施作增加達(dá)100 kN。

3)以“鉆、裝、錨、拉”一體化關(guān)鍵設(shè)備為核心，結(jié)合懸臂掘進(jìn)機(jī)、錨索多功能臺(tái)車等大型設(shè)備，針對(duì)典型軟巖大變形隧道構(gòu)建了以預(yù)應(yīng)力錨索為核心的主動(dòng)支護(hù)體系全機(jī)械化施工方法。

4)軟巖隧道全機(jī)械化施工方法轉(zhuǎn)變了傳統(tǒng)的人工施作模式，初期支護(hù)施工人員減少了1/5； 提高了軟巖隧道施工效率與整體施工質(zhì)量，初期支護(hù)施工循環(huán)時(shí)間縮短近2 h； 可充分發(fā)揮主動(dòng)支護(hù)的變形控制作用，洞周收斂可降至376 mm，相較于人工施作模式降幅達(dá)48.6%。

本文所述的預(yù)應(yīng)力錨索一體化施工設(shè)備雖可穩(wěn)定完成錨索施工作業(yè)，但其操作過程對(duì)操作人員要求較高，施工過程中機(jī)械化、自動(dòng)化程度仍有提升空間。同時(shí)，為實(shí)現(xiàn)軟巖大變形隧道機(jī)械化施工更加高效、快速，施工機(jī)械微型化、功能集成化以及平行施工作業(yè)問題還需要進(jìn)行系統(tǒng)研究。

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