软岩大变形隧道预应力锚索一体化施工设备与机械化配套工艺研究——以木寨岭公路隧道为例

魏夏鹏， 汪 波， *， 陈伟祥， 王智佼

(1. 西南交通大学 交通隧道工程教育部重点实验室， 四川 成都 610031；2. 甘肃长达路业有限责任公司， 甘肃 兰州 730030)

0 引言

随着我国隧道建设技术的快速发展，隧道施工机械化以及与之相配套的施工工艺都有了长足的发展。参照国外施工经验，国内开展了大量大型机械化配套下的隧道施工尝试。例如： 以盘道岭隧洞为代表逐步引入S200型悬臂掘进机进行开挖作业[1]； 钢拱架安装机样机工业性试验论证了机械化立拱的可行性[2]； 山头隧道的修建推广了混凝土湿喷机在国内隧道领域的应用[3]； 在蒙华铁路隧道修建过程中，积极探索了隧道机械化施工及相关技术[4-5]； 在郑万高铁湖北段，采取现场试验、资料调研、理论分析等多种手段大幅提高了隧道建设的机械化水平，为高速铁路隧道机械化配套方案研究提供了参考[6-9]。但目前国内对于高地应力软岩大变形隧道机械化施工技术的探索[10]却极为匮乏。究其原因，一是目前对于软岩大变形控制还没有成熟的技术手段[11-12]； 二是在软岩大变形隧道开挖过程中，常常采用以三台阶为主体的多工序分部开挖法，作业面狭窄，无法满足施工机械作业空间[13]。

近年来，随着以“预应力(让压)锚杆(索)系统”为核心载体的“主动支护”技术[14-15]在木寨岭公路隧道等软岩大变形地下工程中的成功应用，为软岩隧道大变形控制开辟了新的途径。但受软岩隧道独特的围岩特性及预应力锚索特殊安装工艺限制，高地应力软岩隧道中预应力锚索施工仍以人工施作为主，施工过程中面临的“成孔难、工效低、强度高、速度慢”等“瓶颈”技术问题仍未破解。借鉴郑万高铁高家坪隧道采用机械化成孔设备的成功经验[16]，在木寨岭公路隧道中拟采用预应力锚索机械化施工方法解决上述问题。截至目前，以阿特拉斯为代表的国内外企业虽开发了相关锚杆钻机产品，但其基本应用在围岩条件较好、工作面大、开挖后变形量一般的隧道工程中[17]，而在作业空间狭小，易于塌孔、缩径的软岩尤其是破碎软岩隧道中，现行的锚杆钻机设备受尺寸规模、成孔效应等因素影响，施工工效并不理想或无法适用； 同时，受集成化与配套施工工艺技术匮乏的限制，施工过程中无法满足高强预应力锚索系统钻、装、锚、拉一体化、集成化施工要求。因此，开发集钻锚注于一体的专业化、集成化设备，除可有力保障高地应力软岩大变形隧道变形可控外，还可大力提升软岩大变形隧道的施工工效、减轻工人劳动强度，促进软岩隧道施工机械化程度的提高，推动软岩大变形隧道中以预应力锚索为核心的“主动支护”技术的应用。

本文以木寨岭公路隧道为依托，以多功能锚索台车为研发对象，开发集钻锚注于一体的专业化、集成化设备，并开展相应工艺、工法、工效等关键技术研究，以期提高“主动支护”技术在软岩隧道中的施工速度与施工质量，构建高地应力软岩大变形隧道主动支护的机械化施工模式，改善软岩大变形隧道施工速度慢、作业强度高、安全风险大的弊端，助力我国隧道建设机械化、自动化进程的快速发展。

1 工程概况与锚索施工现状

1.1 工程概况

木寨岭特长公路隧道位于甘肃中部定西市境内，是渭源至武都高速公路的控制性工程，与目前运营的兰渝铁路木寨岭隧道基本平行，水平距离仅900～1 200 m。隧道主要穿越高倾角单斜构造的炭质板岩和断层岩地层，岩体单轴饱和抗压强度很难达到30 MPa以上，岩层走向为305°，倾向NE，倾角多大于30°，最大水平主应力达到24.95 MPa，具有挤压性、流变性、遇水崩解性和工程扰动敏感性强等明显的软岩特点。在隧道施工过程中发生了大量的大变形灾害，其中，2#斜井XK1+567～597段在原“强力被动”支护条件下，最大变形量超2 m，斜井拱架拆换率高达30%。现场初期支护大变形如图1所示。

图1 初期支护大变形Fig. 1 Large deformation of primary support

为解决木寨岭公路隧道大变形现象频发的问题，针对木寨岭隧道软岩大变形控制技术难题开展科研攻关[18-19]，形成了以预应力锚索为核心的快速主动锚固支护技术，并在木寨岭隧道、岷县隧道进行了成功应用(见图2)。隧道收敛变形由之前最大的3.15 m大幅降至0.3 m左右，隧道围岩变形进入可控状态，彻底扭转了前期拆换拱频繁、返工浪费、进度停滞的被动局面。其中，所采用的鸟笼锚索结构如图3所示，具有永久+及时(临时)、高强支护、大孔径、及时后注浆等特点。木寨岭公路隧道设计支护参数如表1所示，主动支护衬砌结构如图4所示。

图2 主动支护应用效果Fig. 2 Active support application effect

图3 鸟笼锚索结构示意图Fig. 3 Birdcage anchor structure

图4 主动支护衬砌结构示意图(单位： cm)Fig. 4 Active support lining structure (unit: cm)

表1 木寨岭公路隧道设计支护参数Table 1 Design support parameters of Muzhailing highway tunnel

1.2 木寨岭公路隧道预应力锚索施工现状

在木寨岭公路隧道修建中，主要依靠人工+单体式钻机进行预应力锚索施工[20]。图5和图6分别为预应力锚索人工安装流程图和现场图。其施工过程中常面临“安全风险高、成孔难且慢、施工人员多、工序衔接不紧凑、施作周期长、锚固质量波动大、预应力检(监)测难”等“瓶颈”问题。锚索单个施工循环超过10 h，锚索孔塌孔、缩孔现象频发，严重制约着软岩大变形隧道施工速度及工程进程。同时，锚索钻孔、安装、搅拌、张拉需要大量的施工人员，导致施工人员作业强度高、作业时间长，因此亟需构建可实现钻、装、锚、拉一体化的施工设备。

(a) 人员钻孔

(b) 锚固剂装填

(c) 锚固剂搅拌

(d) 垫板锚索安装

(e) 锚索张拉图6 锚索人工安装现场图Fig. 6 Manual installation of anchor cables

2 预应力锚索一体化施工设备的研发与集成

2.1 国内外锚杆钻机设备调研及特性分析

近年来，国内外企业开发了众多锚杆施工设备，但普遍存在如下问题：

1)尺寸方面。现有的机械设备尺寸是按照全断面或两台阶施工这类工作空间大的隧道进行设计的，而在以三台阶施工为主的软岩大变形隧道中由于受到尺寸限制，现有机械设备难以施工。

2)钻孔方面。软弱破碎围岩条件下长锚孔适配钻孔机具研究[20]表明，常规凿岩系统缺乏对软岩钻孔、排渣方式的适用性和针对性设计，成孔过程中塌孔、缩孔现象频发。

3)功能方法。集成化程度低，大部分设备只能实现钻孔功能； 部分设备虽可实现普通锚杆钻、注、锚功能，如MT1G智能锚注一体台车，但仍无法适用于安装程序复杂(钻、装、锚、拉)、杆体缺乏刚度的预应力锚索。

为此，亟需依靠现有隧道凿岩技术，通过现场试验和相关技术研发，形成适用于破碎软弱围岩预应力锚索施工的成套施工技术，研发集钻、装、锚、拉于一体的专业化、集成化设备。

2.2 预应力锚索一体化施工设备

通过对凿岩系统、锚索张拉机构、智能张拉设备、注浆关键技术的改进与研发，形成了集钻、装、锚、拉、测功能于一体的预应力锚索施工设备。其依靠凿岩系统实现软岩大变形隧道锚索孔的快速钻进，提升锚索成孔率； 通过锚索安装机构，提高锚索安装质量； 利用智能张拉设备，提高锚索预应力施加效果，减少预应力损失，实现预应力锚索施工质量可视化； 通过注浆工艺优化，提高预应力锚索的可靠性及耐久性； 依靠锚索机械化施工方法，降低预应力锚索施工劳动强度及人员数量。

2.3 软岩及破碎岩体中钻孔方法

迄今为止，采用机械破碎岩石的钻孔方法主要有旋转式、冲击-旋转式、旋转-冲击式[21]。为探求适用于软岩隧道锚索孔的钻孔方法，于武都右线ZK219+645处开展机械旋转式和机械冲击-旋转式成孔试验，并与人工成孔方法进行对比，试验结果如表2所示。

表2 不同设备钻孔情况Table 2 Drilling of different equipments

试验结果表明，人工成孔受设备功率和相关配套构件的影响难以完成孔深为10 m的钻孔，且钻孔速度较慢； 采用适用于软岩的机械旋转式成孔方法进行施工，其钻孔功效差，单个成孔时间超过1 h，难以满足施工要求。究其原因是： 不同深度围岩的力学性质差异较大，存在软硬岩相互叠加交错的情况，当钻头遇到硬岩时，难以成孔。

针对上述2种成孔方法效率较低的问题，后续采用适应性更强的机械冲击-旋转式进行钻孔，其基本思路是： 在软岩环境中，钻机以切削钻孔为主，根据需要辅以冲击，在旋转钻孔时超前冲击破岩，孔底岩石产生微观裂隙，使得旋转钻孔更为有效； 当遇到局部坚硬岩石时，以冲击钻孔为主，充分发挥冲击破岩的特点。此外，通过优化改进液压系统比例控制技术，实现凿岩机无极控制，使得钻孔更具操作性，操作人员可根据操作经验、排渣水的颜色以及机械动作反馈及时判断岩石的软硬程度，实时调整凿岩机的冲击频率、钻孔顶推力、切削速度，使得单个10 m孔深的成孔时间降低到20 min以内。最终，形成了适配高地应力软岩隧道“长、大”锚索孔快速成孔技术——可无极调节机械冲击-旋转式钻孔技术。

2.4 软岩隧道钻孔排渣方法

目前，隧道钻孔排渣以水力排渣和高压风排渣为主，而现场施工揭示这2种排渣方式应用于软岩隧道时存在一定弊端。采用水力排渣，因软弱围岩存在遇水易软化的特性，受破岩扰动的锚孔极易塌孔； 采用高压风排渣，则会使洞内产生大量灰尘，导致洞内施工环境极差。为满足软弱围岩排渣要求，现场尝试了高压风+孔口水雾降尘排渣和水雾排渣方式，结果表明，水雾排渣方式更适合软弱围岩。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

水雾排渣原理如图7所示，由水管和风管接入凿岩机内部，使得风水充分混合形成水雾，进行排渣。现场应用揭示，水雾排渣更适合于软岩隧道，其存在以下明显优势： 1)水雾可充分吸附凿岩所产生的灰尘，极大改善了施工人员的作业环境； 2)出渣以水雾的形式在孔内流动，孔周围岩性质为不易遇水软化，成孔效果好； 3)水雾出渣可以较好地控制钻杆、钻头的温度，提高其使用寿命。

1—围岩； 2—钻头； 3—钻杆； 4—钎尾； 5—凿岩机； 6—高压水管； 7—水流控制阀； 8—风压控制阀； 9—高压风管。图7 水雾排渣原理图Fig. 7 Water mist slag discharge principle

2.5 预应力锚索安装机构

预应力锚索安装质量的好坏直接影响其效用的发挥。利用人工进行预应力锚索安装具有施工人员数量多、安装效率低、施作效果差等弊端。预应力锚索施工操作简单、安装步骤固定，通过施工动作分解、机械机构模拟、相关设备组合，研发了具备送锚固剂、送索、锚固剂搅拌功能于一体的预应力锚索安装机构，包括锚索搅拌装置、推送装置和夹持装置，如图8所示。其锚索推送装置可实现快速送锚固剂及送索，待锚固剂及锚索就位，利用锚索搅拌装置带动锚索快速旋转并推动锚索前进，对锚固剂进行充分搅拌，从而实现预应力锚索快速锚固。

(a) 结构示意图

(b) 机构搭载图8 预应力锚索安装机构Fig. 8 Prestressed anchor cable installation mechanism

2.6 预应力张拉设备

预应力锚索作为主动支护的核心结构，其施工质量直接关系到支护效果，进一步将影响所支护隧道工程的安全性与耐久性。在现场实施过程中，针对锚索预应力施工的核心关键环节——张拉，以锚索锚下有效预应力检测为重点，形成了融合智能张拉施工、检测于一体的隧道锚索预应力智能张拉设备，如图9所示。该设备可根据预应力锚索设计要求调节控制系统，以此来改变锚索最大预紧力以及分级张拉参数，极大地简化了现场锚索预应力施工程序，有效提高了锚索锚下预应力，并可准确了解每根锚索预应力施加效果，控制锚索施工质量。

1—智能数控泵站； 2—自适应张拉千斤顶； 3—操作控制软件； 4—伺服控制系统。图9 PT-20M隧道锚索预应力智能张拉设备Fig. 9 Tunnel cable prestressed intelligent tensioning equipment-PT-20M

2.7 注浆关键技术

基于汪波等[15]学者的研究，在木寨岭公路隧道中采用具备“及时(树脂端锚)+永久(水泥浆全长锚固)”特点的预应力鸟笼锚索系统。树脂锚固段可快速提供高强预应力，实现及时主动支护目的； 后注浆段可增加锚索系统的安全性，对预应力锚索起到补强与防护的功能。但受限于对注浆工艺、设备的研究相对较少，现场注浆效果欠佳，常出现露浆、注浆不饱满等问题。

通过现场试验及对锚索注浆装置的改进，形成了适用于软岩隧道的注浆工艺。鸟笼锚索设置可实现注浆功能的注浆管、防腐套管和阻浆件，采用锚索专用注浆泵(见图10)对锚索进行注浆，浆液由注浆管通过注浆口、防腐套管到达阻浆件，再返浆到达孔口，如图11和图12所示。水泥浆水灰比设置为(0.35～0.45)∶1，注浆压力为1～1.5 MPa。

图10 锚索专用注浆泵Fig. 10 Special grouting pump for anchor cable

图11 注浆示意图Fig. 11 Grouting diagram

图12 鸟笼锚索注浆Fig. 12 Schematic of birdcage anchor cable grouting

2.8 多功能锚索台车关键技术集成

经过上述相关技术研发与储备，以多功能锚索台车为基础，通过功能集成、现场试验、设备调试，将其主要功能集成于3条工作臂上，主臂搭载立拱支撑平台，副臂两侧配备凿岩系统，副臂多功能平台可完成辅助立拱作业，凿岩臂及副臂多功能平台具备竖向旋转及水平旋转功能。预应力锚索安装装置可实现于副臂多功能平台快速搭载与拆卸，预应力张拉设备与注浆设备依靠台车为其提供电力，当施工人员受空间限制时(如拱顶)，可根据实际施工需求搭载锚索自动张拉设备及注浆管，完成相应施工作业。其工作臂采用“折叠+伸缩”结构，最大作业高度和宽度分别达到13 m和15 m，能够适应三台阶、半断面和全断面施工作业。最终形成了具备机械立拱及预应力锚索钻、装、锚、拉、测等功能于一体的多功能锚索台车(见图13)，具有功能集成性高、工作面适应性广、施工稳定性强等特点。设备主要性能参数如表4所示。

图13 KGZ9300多功能锚索台车示意图Fig. 13 KGZ9300 multifunctional anchor cable trolley

表4 多功能锚索台车主要性能参数Table 4 Main performance parameters of multifunctional anchor cable trolley

3 “钻装锚拉”一体化主动支护机械建造技术在木寨岭公路隧道中的应用

3.1 试验段落选取

为验证以预应力锚索为核心的主动支护体系全机械化施工效果，选取木寨岭公路隧道右线YK219+664～+695共计31 m开展现场试验。地勘资料显示，试验段处于断层影响带，围岩主要为中风化炭质板岩，呈薄层状构造，为碎裂状松散结构。掌子面围岩如图14所示。

图14 YK219+664～+695段掌子面围岩Fig. 14 Tunnel face surrounding rock in YK219+664～+695

3.2 预应力锚索机械化施工工艺及施工效果

3.2.1 预应力锚索机械化施工工艺

通过上述锚索施工关键技术研究与设备集成，组合软岩隧道钻孔排渣方法、锚索安装技术、预应力自动张拉设备以及注浆关键技术，形成“鸟笼”锚索机械化施工工艺。施工工艺流程如图15所示。设备进入指定位置后，展开2个副机械臂进行锚索施工作业，智能张拉设备及专用注浆泵一并移入工作面。首先，利用副臂所搭载的凿岩臂进行凿岩作业，凿岩完成后凿岩臂旋转至与副臂平行，将副臂多功能平台水平旋转至指定位置完成锚索安装搅拌施工作业，如图16所示。待锚索锚固之后，进行锚索相关配件安装以及预应力施加作业，拱顶及人员难以操作处，将张拉设备搭载于多功能锚索平台进行施作，张拉完成后进行注浆作业。

图15 预应力锚索机械化施工工艺流程Fig. 15 Flowchart of mechanized construction of prestressed anchor cables

图16 预应力锚索机械化施工示意图Fig. 16 Schematic of mechanized construction of prestressed anchor cable

3.2.2 预应力锚索施作效果分析

为了对比人工与机械施工模式下锚索施作效果，以锚索有效预应力为评价指标，利用预应力锚索无损检测手段，选取人工和机械化施工模式下的预应力锚索各50个进行锚索有效预应力检测，检测结果如图17所示。

图17 锚索有效预应力Fig. 17 Effective prestress of anchor cable

检测结果表明，人工施作模式下预应力锚索的有效预应力主要集中在150～250 kN，其中150～200 kN占比达到37%。相比而言，机械施工模式下锚索有效预应力较人工施作锚索有效预应力有较为明显的提高，有效预应力主要集中在250～400 kN，提升达100 kN左右，预应力低于150 kN的锚索仅占8%。究其原因是： 1)机械化施工模式下，锚索孔成孔质量更好，其孔壁更加规整，孔的直线性更好； 2)锚固剂搅拌更加充分，搅拌时间和速率得以保证； 3)锚索张拉更智能，使得锚索张拉可控、可调。可见，机械施工模式下预应力锚索预应力的大幅增加，有利于提高预应力锚索支护效果，控制围岩变形。

3.3 基于“钻装锚拉”一体化关键设备的全机械化施工方法

为彻底解决软岩隧道施工速度慢、劳动强度大的问题，根据主动支护理念，以“钻、装、锚、拉”一体化关键设备为基础，发挥各种大型机械设备的优势功能，构建软岩隧道全机械化施工方法，施工流程如图18所示，施工设备配备如表5所示。

图18 软岩隧道全机械化施工流程Fig. 18 Fully-mechanized construction process of soft rock tunnel

表5 软岩隧道全机械化施工设备配备Table 5 Equipment configuration of fully-mechanized construction in soft rock tunnel

表5(续)

软岩隧道全机械化施工特点表现为： 1)设计“新”理念，以快速预应力锚固系统为核心支护构件，“主动”调动围岩承载能力，避免软岩隧道大变形灾害的发生； 2)开挖“微”扰动，根据隧道围岩特征(软弱围岩)采用悬臂掘进机开挖替代爆破开挖，极大降低了爆破开挖对围岩的扰动，有利于围岩自承能力的发挥； 3)支护“快”施作，依靠机械化施工快速、高效的特点，将支护结构快速施加于围岩，单循环初期支护施作时间较人工施作时间减少近1 h，对于及时扼制围岩变形、保证工期、提高工效有至关重要的作用； 4)锚索施作效果“可视化”，依靠锚索预应力智能张拉设备可充分了解每一根预应力锚索施作情况，确保预应力锚索施作的质量； 5)人员“精”、质量“高”，大型机械设备的应用大幅减少了现场施工人员数量，初期支护施工人员减少了1/5。

3.4 软岩大变形隧道全机械化施工效果分析

3.4.1 洞周位移分析

为比较2种施工模式下围岩位移变化规律，在试验中获取了人工模式下YK219+660和机械化施工模式下YK219+665、670、675、680、685、690共计7个断面的洞周收敛速度和洞周收敛时程曲线，如图19和图20所示。

图19 洞周收敛速度时程曲线Fig. 19 Convergence rate-time curves around tunnel

图20 洞周收敛时程曲线Fig. 20 Convergence time-history curves around tunnel

从图19可以看出，人工和机械化施作预应力锚索时各断面收敛时程曲线均呈现加速、发展、减速﹑收敛4个典型阶段[22]，其中，YK219+660、665、670、675、680、685、690最大洞周收敛速度分别为132、46、61、68、48、79、82 mm/d，较人工模式下最大收敛速度降幅最大达到65.2%。

从图20可以看出，K219+660断面洞周最大收敛达732 mm，远超预留变形量，且变形仍有继续发展的趋势，不得不在后续施工过程中进行拆换拱； 在采取机械化施工模式后，仅有机械化施工起始段落断面处洞周收敛较大，最大值达594 mm，其余施工断面洞周收敛值较为明显地下降，最小值仅为376 mm，与K219+660洞周收敛最大值相比下降率达48.6%。可见，预应力锚索钻锚注一体的机械化施工模式可充分发挥主动支护体系的变形控制效果，能有效限制围岩位移。

3.4.2 施工工效分析

在采用全机械化施工方法之后，高地应力软岩隧道施工由之前依靠大量的施工人员转变为依靠大型机械设备，初期支护施工人员、施工时间均显著降低，机械化施工与传统施工方法所需作业人员和作业时间对比如表6和表7所示。

表6 机械化施工与传统施工方法作业人员对比表Table 6 Comparison of labors between mechanized construction and traditional construction method

表7 机械化施工与传统施工方法作业时间对比表Table 7 Comparison of working time between mechanized construction and traditional construction method

综上所述，全机械化施工方法在施工过程中展现出了较为明显的优势。使用悬臂掘进机进行开挖，大幅减少了爆破开挖对围岩的扰动，围岩自承能力大幅提高； 机械化立拱转变了之前“人拉硬抗”立拱模式，在缩短作业时间的同时，极大地降低了施工人员的劳动强度； 预应力锚索施工速度与施工质量在多功能锚索台车的加持下得以保证； 大型设备组合施工发挥了设备的组合优势作用，隧道整体施工质量、施工速度有质的提升。

4 结论与建议

本文以木寨岭公路隧道为工程依托，形成钻孔、排渣、安装、张拉、注浆等软岩大变形隧道预应力锚索施工关键技术，进而集成研发钻、装、锚、拉一体化预应力锚索施工设备，最终构建了软岩大变形隧道全机械化施工方法。得出结论如下：

1)预应力锚索机械化施工关键技术的研发与集成，为实现软弱破碎围岩预应力锚索高效、稳定施工提供了一套新的施工工艺及设备。

2)集成预应力锚索关键施工技术的一体化施工设备可确保预应力锚索施工质量，实现高强预应力的稳定施加，根据试验段锚索预应力检测结果，机械施工模式下锚索有效预应力量值集中在250～400 kN，相较于人工施作增加达100 kN。

3)以“钻、装、锚、拉”一体化关键设备为核心，结合悬臂掘进机、锚索多功能台车等大型设备，针对典型软岩大变形隧道构建了以预应力锚索为核心的主动支护体系全机械化施工方法。

4)软岩隧道全机械化施工方法转变了传统的人工施作模式，初期支护施工人员减少了1/5； 提高了软岩隧道施工效率与整体施工质量，初期支护施工循环时间缩短近2 h； 可充分发挥主动支护的变形控制作用，洞周收敛可降至376 mm，相较于人工施作模式降幅达48.6%。

本文所述的预应力锚索一体化施工设备虽可稳定完成锚索施工作业，但其操作过程对操作人员要求较高，施工过程中机械化、自动化程度仍有提升空间。同时，为实现软岩大变形隧道机械化施工更加高效、快速，施工机械微型化、功能集成化以及平行施工作业问题还需要进行系统研究。

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