锚杆台车在软岩大变形长锚杆施工中的应用

收稿日期：2023-11-18

作者简介：宋斌（1980—），男，山东临沂人，本科，高级工程师，研究方向：物资设备管理。

摘 要：锚杆属于极为普遍的一种支护方式，其经济性强，取得的支护效果也较为显著，可在各种地质环境中运用，基于其各种优点使其得到了广泛应用。但由于锚杆属于主动支护，又具有一定的柔性，因而锚杆（尤其是长锚杆）在高地应力软岩大变形隧道中的应用更加频繁。鉴于此，深入探讨锚杆台车在软岩大变形长锚杆施工中的应用，通过总结锚杆台车在锚杆施工中的应用优势及不足，为类似工程提供参考借鉴。

关键词：锚杆台车；软岩大变形；长锚杆；施工；应用

中图分类号：U455                                  文献标识码：A                                 文章编号：2096-6903（2024）03-0046-03

1 工程地质概况

新建成都至兰州铁路德胜隧道位于成兰铁路成都至川主寺（黄胜关）段镇江关至松潘区间。隧道处于岷江左岸，距岷江0.5～3.5 km，与G213道路并行而进，为傍山隧道。洞身下穿多条横向支沟，地形起伏大，穿越最高峰3 420 m，相对高差大于500 m。本隧为单线隧道，是我国在建铁路项目中最长的单洞合修山岭隧道。

德胜隧道洞身穿越9个背斜、8个向斜和1个冲断层，具有“四极、三高、五复杂”的典型地质特征。受活动断裂、区域构造、碎裂软岩、软硬不均、高地应力、松散应力、富水等多种不良地质因素组合的作用，地质条件极其复杂，复合型大断面大变形问题极为突出。施工难度被国内专家定义为“国内外罕见”，安全风险极高。标段全长11 801.4 m（D6K224+472-D6K236+390），标段大变形段落全长4 642 m，大变形发生比例高达39.3%。

德胜隧道最大埋深720 m，施工图阶段，在D5K228+085进行地应力测试，最大水平主应力为18 MPa左右，最小水平主应力10 MPa左右，估算的垂向应力约为12 MPa，水平应力占绝对优势。施工阶段，在D5K231+397开展地应力测试，最大水平主应力测试为25.8 MPa左右。围岩岩性主要以炭质千枚岩、炭质千枚岩夹板岩为主，围岩强度低，且遇水易软化、自稳能力极差，松动圈范围大，在D6K235+350附近进行松动圈测试，松动圈范围达12～15 m。

2 锚杆选型

在大变形破碎岩体中锚杆的支护作用是明显的，它不仅能够有效控制隧道在开挖后的变形，还能够有效抑制塑性区的不断发展，防止隧道产生过大变形而出现大面积的坍塌。首先，软弱围岩、断层破碎带明显加大了钻孔坍塌的可能性，尤其像施作10m长的锚杆，對于锚杆孔的通畅程度更是难以确保。其次，现阶段通常将柔性钻杆作为隧道锚杆施做的钻杆，锚杆的刚度大于钻杆，使得锚杆孔顺直性难以保障，这在一定程度上给向锚杆孔送锚杆带来困难。最后，选择锚杆施工长度为10 m，第一根为4 m，第二根4 m，第三根2 m。锚杆台车在软岩大变形长锚杆施工中的应用如图1所示。

3 自进式锚杆原理

自钻式锚杆为中空类型，杆体具有多种优势，可兼做钻杆、锚杆和输浆管，浆液能够直接从杆体钻头处流出，使锚杆周边孔隙得到填充。基于一定压力下，浆液可渗透至锚杆孔周围裂隙中，大大增强了围岩的稳定性、可靠性。在实际应用期间，通过连接套，将合金钻头螺旋形锚杆体与施做机具上的螺旋型钎杆连接起来，通过施做机具的带动，螺旋形的锚杆体进行回转冲击钻进作业，并结合设计需求通过连接套加长锚杆[1]。

4 自进式锚杆的结构及性能

4.1 自进式锚杆的结构

4.1.1 合金钻头

合金钻头具有较强穿透力，可使锚杆能穿过各类岩石。

4.1.2 连接套

使锚杆能边钻进边加长至设计的深度，适用于较狭小空间的施工，实现了长锚杆在小空间内施做的可能。

4.1.3 止浆塞

止浆塞上钻有排气孔，做排气之用，另外止浆塞能使注浆保持一定的压力以充分填充围岩空隙。

4.1.4 拱形垫板

能承受更大的围岩应力。德胜隧道设置20 cm×20 cm厚度为1 cm的垫板，以增强锚杆对围岩的约束能力。

4.1.5 螺母

能将围岩应力集中传递到垫板上。高强度的垫板、螺母可以将深层围岩应力均匀地传递到洞壁围岩上，达到围岩与锚杆互为支护的目的。

4.1.6 堵浆塞

能防止锚杆内孔跑浆。

4.2 锚杆的性能

德胜隧道使用的GM32的自进式锚杆性能参数为，型号GM32，公称直径32 mm，抗拉强度大于450 MPa，壁厚6 mm，螺距12.7 mm，螺旋方向左旋。

5 锚杆施工设备的选择

5.1 自进式锚杆施做的设备

自进式锚杆施作的设备包括SYB-70/4型号的双液变量注浆泵，YT28型号的天水YT28风枪以及履带式的隧道锚杆台车。

5.2 隧道锚杆台车的选择

5.2.1YT28风枪的局限性

为了防止斜井出现变形现象，德胜隧道施工期间，可选择自进式锚杆作为初期支护方式，并设置长度为8 m。对于小里程自进式锚杆作业，任何一种方案加2 m锚杆都能够达到标准。但经过实践试验表明，利用YT28型风枪进行自进式锚杆进行打设，长度为8 m，接长可达到10 m，但依然会存在旋转无法有效钻入的现象。故而，从打设方面而言，采用YT28型风枪打设8 m及以下长度具备一定可行性，如果要超出此标准，那么不仅时间较长，成本率也相对较低[2]。

根据2 m自行式锚杆的施工方案，在施工期间，应设置杆长为2 m。此过程中，气腿与气枪头部应保持1.2 m的垂直距离，即YT28型气枪需要在3.2 m的空间内展开作业。由于垂直于初始支面打设具有较大难度，故而在打设自进式锚杆过程中，采取适宜的机具至关重要，隧道上台阶示意图如图2所示。

5.2.2 隧道锚杆台车的适用性

德胜隧道围岩情况在一定程度上反应了围岩的情况，根据已开挖段落揭示，证实了这一点。因此，锚杆台车进场后，为不耽误施工，首先就打设能力对应段落进行试验。实验结果见表1。

实际12 m以后发现成功率在40%以下，因此试验以打设12 m为统计标准。根据实验结果分析，打设12 m实在平均在26.8 min，而打设10 m平均时间在15.4 min。

6 锚杆台车施工自进式锚杆

6.1 锚杆台车外观

锚杆台车外观如圖3所示。

6.2 自进式锚杆施工

6.2.1 孔位选择

在初期支护混凝土上按设计要求的纵向和环向间距标记自进式锚杆的孔位。

6.2.2 钻进前检查

使用前，应检查钻头、钻杆是否通气，如有堵塞应处理通畅后方可使用。

6.2.3 钻进

具体措施如下：①连接钻头和自进式锚杆和钎尾等。②锚杆应与孔位位置采取对准设计，台车要提前通水然后采取旋转的方式实施钻进。在破碎岩开展钻进作业期间，由于钻头水孔易出现堵塞现象，所以需要采取慢速度展开钻进作业，防止水孔堵塞情况的发生，一直达到设计深度标准。③自钻式锚杆钻满足设计深度规定后，锚杆台车将实施自动卸杆，当完全脱离杆体尾部和钎尾，再进入到自进式锚杆打设阶段。④将排气管在止浆塞排气孔处穿过，要注意尽可能在锚杆孔内深入排气管，再利用锚杆外露处，选择钢管打入封孔展开注浆作业。

6.2.4 人员配备

使用锚杆台车进行自进式锚杆施工，两个钻臂操作区域与递送钻杆处都需要配备人员。

7 锚杆台车的施工效果及优缺点

7.1 使用效果及优点

7.1.1 节约劳力

在人员配备上，锚杆台车左右钻臂需分别配备1名操作工，另需配备钻臂的操作工递送钻杆，该人兼做锚杆台车驾驶员，共需3人。根据施工经验，德胜隧道小里程130 m?断面至少配备4把YT28型风枪，每把风枪配备人员两名，共计8人。在操作人员方面，锚杆台车比YT28型风枪明显节约了劳动力。

7.1.2 施工速度

由于YT28型风枪正常工作最大打设长度为8 m，暂以打设8 m自进式锚杆与锚杆台车做对比分析。

锚杆台车单臂打设一根8 m自进式锚杆用时11.4 min，YT28型风枪打设一根8 m自进式锚杆用时35 min。每延米自进式锚杆24.5根，锚杆台车总用时139.65 min，按照4台钻机同时工作，每延米用时214.375 min。仅从施工时间上，锚杆台车比YT28型风枪节约时间74.725 min，类推打设10 m时至少节约用时93.406 min。

7.1.3 劳动强度

锚杆台车自带卸杆装置，人工只需将钻杆摆放在钻臂上以及使用操作台操作机器。YT28型风枪需工人手持风枪进行钻进，卸杆时需两名工人用两个管钳同时工作。锚杆台车的应用大大降低了工人的劳动强度。

7.1.4 施工空间

在施工空间方面，锚杆台车左右臂可根据需要升降和旋转以满足锚杆的打设角度和位置。对于高度较高的锚杆，YT28型风枪需借助台架等工具才能完成锚杆的打设[3]。

7.2 缺点和不足

7.2.1 施工用水量大

锚杆台车在施工中较YT28型风枪用水量大，容易造成掌子面积水。施工中要注意做好掌子面的排水工作。

7.2.2 要求工人水平高

锚杆台车对工人操作技能要求较高，尤其是钻臂操作工。钻臂操作工的熟练程度直接影响锚杆台车打设自进式锚杆的速度。

8 锚杆台车投入使用的经济效益分析

德胜隧道里程为D5K231+960-D5K232+200，共计240 m，工期15个月。该段采用相同的支护参数。

提前两个月完工，节约人工费用250 000×2=500 000元；节约5人，施工15个月费用为552 075元。

辅助系统费用空压机、风机设备费用10 000元；空压机电费214.375 min/60×132kW×1.0×240 m=113 190元；锚杆台车电费139.65 min/60×55 kW×1.0×240 m=30 723元；风机电费45 kW×1.0×24 h×30d×2=64 800元。

管理费用971 000×2×0.2=388 400元。

反坡排水费用21 000×30×2=1 260 000元。

累计直接经济效益2 857 742元。

9 施工总结

具体有以下2点：①锚杆钻机适应隧道断面对于小于6m×6m可能会因为操作空间不足造成该机械无法正常发挥作用。②锚杆台车对操作人员操作水平要求高，操作人员必须经过培训，熟练后才能上岗。误操作、鲁莽操作会严重影响该机械的正常使用。

10 结束语

在实际施工过程中，锚杆长度设计过长会导致施工困难，锚杆施工质量也将难以保证。通过锚杆台车在软岩大变形长锚杆施工中的应用，调节锚杆长度，应用效果更为显著，不仅能确保施工的安全进行，还可以提升施工质量。

参考文献

[1] 资晓鱼，申玉生，朱双燕，等.层状千枚岩隧道形变破坏规律与支护措施研究[J].现代隧道技术，2021，58（3）：196-204.

[2] 刘文玲.活动断裂带软岩大变形隧道开挖支护技术[J].铁道建筑技术，2022（3）：154-159.

[3] 郭小龙，谭忠盛，喻渝.成兰铁路软岩隧道大变形控制技术及变形控制基准研究[J].铁道学报，2022，44（3）：86-104.